第二节 钻井系统
钻井系统是海上钻井平台最重要的设备系统，各种钻井平台和修井平台都需配置。
常规的陆地钻井主要采用旋转钻井法，其工作原理是：钻头旋转破碎岩石，形成井深，用钻柱将钻头送到井底，用起升设备起下钻柱，用钻盘或井下动力钻具带动钻柱和钻头旋转，用泥浆循环系统带动钻井液循环并带出井底岩屑。
海洋钻井与陆地钻井系统的相同之处如表2-1所示。
表2-1 海洋钻井与陆地钻井系统的相同之处
海上钻井系统与陆上钻井系统的主要区别如下：
（1）顶部驱动钻井。顶部驱动钻井设备称为顶驱系统，海上钻井也设有转盘，但是由于顶驱具有节省接单根时间，节省定向钻进时间而使钻井效率提高，具有对操作人员安全、井下安全、设备安全、井控安全、便于维护等优点。对于作业空间狭小，海上施工操作艰苦风险大的工作条件，采用顶驱更具有改善上述不利因素的优越性。
（2）海上钻井需要隔离海水，因此其管路比陆地上的多了立管隔水管，钻杆和泥浆系统都通过立管隔水管以达到与海水分离的目的。海水越深，隔水管越多也越重。为减轻隔水管的重量，通常在隔水管外面包上厚厚的泡沫塑料以增大其在水中的浮力。由于平台空间有限，管路储放采用了平放和立放等多种形式；为减轻操作人员的劳动强度，一般都采用自动和半自动操作系统。
（3）海上的防井喷装置（blow-out preventer，BOP）和采油树有的设计在海底，有的设计在平台甲板上，设计在海底的采油树称为湿式采油树，设计在平台甲板上的采油树称为干式采油树。防井喷装置的控制系统一般采用液压控制，陆地上的液压流体是液压油，而海上的液压流体是乙二醇水溶液，一来可防止污染海洋，二来可有很好的抗冻性，因为越往海底温度越低。此外，因为防井喷装置和采油树比较庞大，所以还需要另外一套吊车系统。
（4）海洋平台上空间狭小，防爆要求高，因此一般安装两套燃烧臂系统。
（5）为了防止因平台上下移动导致钻动力量不均可能引起的过载和空载，海洋平台采用了钻杆补偿系统。为保持大的动态补偿，一般采用气动控制，主气缸中的气体压缩和膨胀相当于一个大的弹簧，而天车和大钩基本保持不动以实现平台的升降补偿。
（6）为了防止立管隔水管垂直方向移动导致的断裂，平台一般设计有一套立管隔水管张紧系统，这套系统根据采集的平台运动状态和预期补偿使隔水管的偏移保持在一个允许的范围内。
钻井系统一般由下列设备组成。
1.起升系统设备
起升系统设备包括井架和钻井绞车等。
（1）井架是在钻井或修井过程中，用于安放天车，悬挂游车、大钩、吊环、吊卡等机具，以及起下、存放钻杆、油管及抽油杆的装置。井架由主体、天车台、天车架、二层台、立管平台等组成。主体多为型材组成的空间桁架结构；天车台安放天车和天车架；天车架用于安装和维修天车；二层台为井架进行起下操作的工作场所；立管平台为装拆水龙带的操作台。井架按整体结构形式的主要特征可分为塔形井架、前开口井架、A型井架和桅形井架等。
（2）钻井绞车是钻井平台钻机设备中的关键设备，其主要功能是起下钻具、套管、隔水管、水下器具及悬持全部钻具和钻头等。钻井绞车的起升能力是钻井平台的重要标志性的参数，也是其他相关钻井设备配置的参照依据。随着海洋石油的钻探和开采向深水推进，对钻井绞车的提升能力和钻深能力提出了更高的要求。
2.旋转系统设备(https://www.daowen.com)
转盘和顶驱是钻井旋转系统的组成部分。在正常钻井工况下，由顶驱带动钻具旋转进行钻井作业，转盘作为备用，并在下放水下器具、正常起下钻作业和处理井内钻井事故中悬持钻具和管柱。
（1）转盘的通径及额定的静载荷能力是转盘的主要参数，也是钻机设备配置中的一个重要参数。对于海上石油钻井转盘的通径，应能够使隔水管顺利通过转盘的中心孔。随着钻井作业水深的加大，为了降低隔水管柱的重量，隔水管的外侧多采用浮力材料，浮力材料的外径为914.4～1 346毫米，这就要求转盘的通径必须足够大。
（2）顶部驱动钻井装置，即顶驱装置是一种新型的钻井设备。所谓顶部驱动，简单地讲就是把钻机动力由下部的转盘处传递到钻机上部的水龙头处，驱动钻具旋转工作，从理论上可以认为是移动的转盘和水龙头的结合体（见图2-2）。
第一套顶驱装置在1982年问世。经过不断的改进和开发，顶驱装置已在海洋和陆地多种钻机上得到了推广和应用。与常规的钻井装置相比，顶部驱动钻井法更加安全可靠，适合于深井、超深井以及斜井、水平井等高要求和复杂工况下作业。由于顶驱装置是机电液一体化的钻井设备，因此，对钻井施工及维修技术人员的技术素质提出了更高的要求。目前国际上一些大型油气公司要求专业化服务公司的大型钻机必须配备顶驱装置，否则招标时可能不予考虑选用该服务公司。
3.循环系统设备
循环系统设备由泥浆泵和隔水管组成。
（1）对于钻井平台，泥浆泵是泥浆设备中最为关键的设备，泥浆泵选用配置决定着泥浆系统其他辅助设备的选用。
图2-2 顶驱的基本结构
（2）隔水管处理系统是完成隔水管在平台上存储、移运、检修等功能的系统。隔水管从平台供应船上用平台甲板吊机以水平吊运方式将其吊运到平台的堆场上，再通过其他方式将其放置到相应的位置。
隔水管有水平和垂直两种存放方式。不管平台上的隔水管采用何种存放方式，平台都需配置一个隔水管水平输送机将隔水管输送到钻台内。各种规格的隔水管都可以采用水平存放方式，但对于采用垂直存放方式的隔水管，考虑其堆放时的重心与相关设备及系统的垂向高度，通常以75英尺规格的隔水管存放为宜。基于从隔水管起重机将隔水管起吊到钻台转盘垂直位置所需的时间考虑，隔水管垂直存放的作业效率要高于水平存放。
由于隔水管长度及存放方式的不同，对隔水管处理系统的配置要求也有所不同。水平存放时配置有隔水管起重机，以及隔水管水平输送机。垂直存放时除配置隔水管起重机外，还需配置隔水管指梁系统及隔水管拖车、台车等辅助设备。隔水管起重机的起吊能力是以吊运伸缩节为设计要求的，通常为35～40吨。为了防止隔水管指梁碰擦，垂直移运隔水管时除顶部采用专用工具吊住之外，还需在隔水管底部配置专用台车将隔水管托住，它们与隔水管起重机同步将隔水管移进／移出隔水管指梁的位置并送到上钻台的拖车。
4.深水钻井防喷器组
陆地和浅水防喷器组等井控设备的设计和工艺技术以及使用经验已相当完善，但当将防喷器组安装在深水海底时，由于作业环境的特殊性，不仅防喷器组本身不同，控制系统、钻井作业程序以及设备的使用程序也必须做相应的改动。与陆地和浅水防喷器组相比，深水防喷器组主要有如下四个方面的工作特点。
（1）工况更加恶劣，设计、安装和使用时需要考虑的因素增多。因为在深水中使用，必须考虑外部静水压力的影响，其安装作业的难度、成本与陆地和浅水钻井相比都急剧增加；当水深超过300米时，必须要考虑气体水合物的影响。
（2）深水钻井风险和投资巨大，对深水防喷器性能提出了更高的要求，防喷器的尺寸（如壁厚、体积等）明显增加。
（3）使用了细长（长度一般与作业水深相同）的节流压井管线，进行井控作业时必须要考虑流体在其中流动产生的压耗；深水防喷器组体积的增加，需要更多体积的流体来实现对防喷器组的控制，对液压控制系统的工作能力和响应时间提出了更高的要求。
（4）为避免液压控制液在返回管线时产生较大压降，需将液压控制液排放到海水中而不返至水面，要求使用的液压控制液是一种无腐蚀性、无污染的环保流体。另外，为保证液压控制系统有足够快的响应时间，这种工作液黏度应该尽量低，并具备很好的润滑性。
