一种利用双钻机钻井系统进行钻井作业的方法.pdf

本发明为一种钻井方法，该方法利用位于同一海洋平台上的双钻机钻井系统进行钻井作业。所述双钻机钻井系统包括两套相同的钻机系统、一套钻机总控制系统、一套钻井支持系统和分别对应每台钻机系统的钻机司钻操作控制系统；所述两套相同的钻机系统具体为第一钻机系统(A)和第二钻机系统(B)；作业时，所述钻机总控制系统根据双钻机钻井系统的作业程序和钻进模式，分配控制钻井支持系统，以便使所述钻井支持系统同时支持两套或一套钻机系统进行钻进作业。本发明能够同时钻两口油气井，作业效率高。

1、  一种钻井方法，该方法利用位于同一海洋平台上的双钻机钻井系统进行钻井作业，其特征在于，
所述双钻机钻井系统包括两套相同的钻机系统、一套钻机总控制系统、一套钻井支持系统和分别对应每套钻机系统的钻机司钻操作控制系统；所述两套相同的钻机系统具体为第一钻机系统(A)和第二钻机系统(B)；
作业时，所述钻机总控制系统根据双钻机钻井系统的作业程序和钻进模式，分配控制钻井支持系统，以便使所述钻井支持系统同时支持两套或一套钻机系统进行钻进作业。

2、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钻进模式为第一钻进模式、第二钻进模式；其中，
第一钻进模式为：一套钻机系统(A或B)进行钻进作业，与此同时，另一套钻机系统(B或A)进行下套管和固井的准备工作和具体作业；
第二钻进模式为单井钻探模式，钻机总控制系统在第一和第二钻机系统(A，B)中选择其中一套钻机系统，所有钻井支持系统由在用钻机系统的钻机司钻操作控制系统进行使用支配。

3、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，在进行两口井的钻井作业时，两套钻机系统(A，B)共用一套钻井支持系统并以第一钻进模式进行两口井的交叉钻进作业。

4、  如权利要求2所述方法，其特征在于，所述钻机总控制系统以第一钻进模式对第一钻机系统(A)和第二钻机系统(B)进行控制，具体作业步骤为：
(1)将第一钻机系统(A)定位于第一井位，将第二钻机系统(B)定位于第二井位；之后，第一钻机系统下钻，进行第一井(W1)的钻进，与此同时，第二钻机系统(B)将第一井导管准备好，下入海中接近海床的第一井位附近，等待第一钻机系统(A)对第一井(W1)钻进结束；在第一钻机系统(A)钻进结束后，将第一钻机系统(A)起钻至海床；
(2)将第一钻机系统(A)定位于第二井位，将第二钻机系统(B)定位于第一井位；之后，第一钻机系统(A)进行第二井(W2)的开眼钻进，并且，第二钻机系统(B)将第一井的导管下入已钻好井眼，固井，然后继续将第二井导管准备好，等待第一钻机系统(A)在第二井(W2)的钻进结束，起钻至海床；
(3)继续使第一钻机系统(A)和第二钻机系统(B)交替移位和工作，实现两口井(W1，W2)的交叉作业，所述交叉作业是指在其中一口井(W1或W2)钻进的同时另一口井(W2或W1)进行隔水导管或下套管固井作业，直至全部完成两口井(W1，W2)的钻进和固井作业。

5、  如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述的钻井支持系统包括：散料存储及排放设备、钻井液配制及加重设备、钻井泵及高压管汇、钻井液固控设备、防喷器(BOP)及采油树处理设备、井控设备、节流压井管汇、隔水导管处理设备、隔水导管张紧器、钻杆及套管处理系统、井口设备、固井系统设备。

6、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钻机总控制系统通过阀门组的控制达到对钻井液和水泥浆的流向控制，从而实现泥浆泵组和固井泵组对两钻机系统作业的支持调度。

7、  如权利要求4所述的方法，其特征在于，在两口井的隔水导管及水下防喷器安装完成后，在两套钻机系统的交叉作业的过程中，第一钻机系统(A)钻完第一井(W1)某一井段后，起钻至第一水下防喷器(BOP1)之上第一隔水导管(RU1)之内，关闭第一水下防喷器(BOP1)，与此同时，第二钻机系统(B)将第一井(W1)所述井段应下入的套管下入第二隔水导管(RU2)之内的第二水下防喷器(BOP2)之上，关闭水下防喷器(BOP2)，然后，同时断开第一水下防喷器(BOP1)与第一隔水导管(RU1)之间的连接以及第二水下防喷器(BOP2)与第二隔水导管(RU2)之间的连接，再进行平台移位，将两套水下防喷器(BOP1，BOP2)与两套隔水导管(RU1，RU2)换位连接，也即使第一水下防喷器(BOP1)与第二隔水导管(RU2)连接和使第二水下防喷器(BOP2)与第一隔水导管(RU1)连接，随后打开两套水下防喷器(BOP1，BOP2)，并继续两口井的后序作业。

一种利用双钻机钻井系统进行钻井作业的方法
技术领域
本发明涉及一种海上钻井方法，尤其是涉及一种利用位于同一海洋平台上的双钻机钻井系统进行钻井作业的方法。
背景技术
随着油气勘探开发走向深水及超深水海域，钻井开发成本急剧上升，这使得运用传统的单钻机钻井设备和方法进行资源开发在经济上是不可行的，必须寻求新的技术和方法提高作业效率，从而经济的开采深水及超深水海域的油气资源。
针对此问题，国内外的石油公司或个人发明了多种新的设备和钻井方法，然而，现有的设备和钻井方法存在以下问题：(1)作业效率虽然具有明显提高，但是由于受一套隔水导管的限制，辅助钻机系统在隔水导管安装完成后只能进行钻台上的辅助工作，其作用相当于管子处理装置，辅助系统利用率很低；(2)在丛式井(两口及两口以上油气井)的钻井作业中，作业效率无法得到更大的提高；(3)辅助系统不完全与主系统相同，因此，主系统主要设备发生故障时，辅助系统不能够代替主系统，因此设备故障维修引起的非作业时间无法避免。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够同时钻两口油气井的钻井作业方法，开发两口和两口以上丛式井组时，两口油气井同时进行钻井作业，但每一口井的作业又不是完全独立的进行，而是由作业者根据作业需要分配给该设备系统中不同的子系统来完成不同的作业工序，充分发挥两套系统的效率，抵消作业水深增加而带来钻井成本急剧增加的影响。
本发明的钻井方法利用位于同一海洋平台上的双钻机钻井系统进行钻井作业，所述双钻机钻井系统包括两套相同的钻机系统、一套钻机总控制系统、一套钻井支持系统和分别对应每套钻机系统的钻机司钻操作控制系统；所述两套相同的钻机系统具体为第一钻机系统和第二钻机系统；作业时，所述钻机总控制系统根据双钻机钻井系统的作业程序和钻进模式，分配控制钻井支持系统，以便使所述钻井支持系统同时支持两套或一套钻机系统进行钻进作业。
所述钻进模式为第一钻进模式或第二钻进模式。
第一钻进模式为：一套钻机系统进行钻进作业，另一套钻机系统进行下套管和固井的准备工作和具体作业；
第二钻进模式为单井钻井模式：钻机总控制系统在第一和第二钻机系统中选择其中一套钻机系统，钻井支持系统由在用钻机系统的钻机司钻操作控制系统进行使用支配，另一钻机系统的钻机司钻操作控制系统，只能支配本钻机系统的钻机设备。
在进行两口井的钻井作业时，两套钻机系统共用一套钻井支持系统并以第一钻进模式进行两口井的交叉钻进作业。所述交叉作业是指在其中一井钻进的同时另一井进行隔水导管或下套管固井作业，直至全部完成两井的钻进和固井作业。在两井的隔水导管及水下防喷器安装完成后，在两套钻机系统的交叉作业的过程中，第一钻机系统钻完第一井某一井段后，起钻至第一水下防喷器之上第一隔水导管之内，关闭第一水下防喷器，与此同时，第二钻机系统将第一井所述井段应下入的套管下入第二隔水导管之内的第二水下防喷器之上，关闭水下防喷器，然后，同时断开第一水下防喷器与第一隔水导管之间的连接以及第二水下防喷器与第二隔水导管之间的连接，再进行平台移位，将两套水下防喷器与两套隔水导管换位连接，也即使第一水下防喷器与第二隔水导管连接和使第二水下防喷器与第一隔水导管连接，随后打开两套水下防喷器，并继续两口井的后序作业。
本发明特别之处在于，在钻井平台主体尺寸以及载荷增加不大的情况下，配备的两套钻机系统和共用的一套钻井支持系统共同完成两艘钻井平台的钻井作业量，提高了钻井平台的作业效率，单井钻井成本明显降低。本发明相对于传统单钻机，作业效率提高至少达到40％左右。
本发明的钻井方法与传统单钻机系统钻井方法在设备方面无任何区别，但设备控制系统不同，本发明特别之处在于一个井架内安装两套完全相同的系统设备，布置在同一钻台面之上，由一套总控制系统进行作业控制，一套系统的钻井作业完全不受另一系统作业的影响。
本发明的另一特别之处在于，两套钻机系统完全相同，在单井钻井作业过程中，一套钻机系统是另一套钻机系统的完全备份，在一套钻机系统出现故障或维护保养时，另一套钻机系统可以继续钻井作业，降低了非钻井作业时间，缩短单井作业时间，从而降低总钻井作业成本。
本发明又一特别之处在于，两套钻机系统虽然能够各自独立完成一口井的钻井作业，但是在钻井两口及两口以上的丛式井开发过程中，两套钻机系统可以相互配合，分工交叉作业，两口井同时进行钻井作业而只需要一套钻井支持系统(钻井液系统、固井系统和井控系统等支持系统)，既节约了钻井液成本，又提高了钻井作业效率，从而大大降低深水及超深水钻井作业成本，使得深水及超深水油气资源得以商业性开发。
本发明又一特别之处在于，在两套钻机系统共用一套钻井支持系统进行两口井的交叉钻井作业时，钻机总控制系统根据作业流程对钻井支持系统和钻机系统进行分配控制，使双钻机系统完全高效的完成两口井的钻井作业。
附图说明
图1为本发明双钻机钻井系统的主视结构示意图；
图2为本发明双钻机钻井系统的俯视平面布局示意图；
图3为本发明的钻机总控制系统的控制原理示意图；
图4-14为第一钻进模式下的钻井过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更加详尽的描述。
如图1-2所示，本发明的双钻机钻井系统可安装在钻井船、半潜式钻井平台、张力腿平台和SPAR平台等浮式海洋钻井平台上。在同一海洋钻井平台之上将相同的两套钻机系统安装在同一个井架1上，所述每套钻机系统主要包括：钻井绞车系统、天车及天车升沉补偿系统A1，B1、游车及大钩A2，B2、顶驱A3，B3、转盘A5，B5、隔水导管张紧器A6，B6、管子排放立根盒A7，B7、钻杆和套管排放指梁A8，B8、管子处理系统A9，B9、铁钻工及运动轨道A10，B10、钻机系统操作间A11，B11、隔水导管系统附件、水下防喷器(BOP)等。
本发明的钻机系统的主要功能在于进行钻杆、套管、隔水导管等管状工具的下放、提升、旋转等作业，从而完成井眼的钻进、套管的下入、隔水导管的安装；进行测井仪器、打捞仪器等工具仪器的下放和起出作业，从而完成井眼情况和地层参数的测量及复杂情况的处理等作业。本发明配备完全相同的两套钻机系统，无主次之分。
所述双钻机钻井系统还包括一套钻机总控制系统、一套钻井支持系统和分别对应每套钻机系统的钻机司钻操作控制系统；所述两套相同的钻机系统具体为第一钻机系统A和第二钻机系统B。
海洋油气勘探作业平台(或钻井船)是由众多设备组成的复杂的装置系统，不仅仅包括钻井设备，还包括锚泊设备、动力定位设备、安全消防设备、通信设备等，除钻井设备外，其它设备子系统尽管为海上钻井作业进行支持服务，但其具有其它船舶设备的通用性，因此这些设备子系统不纳入钻井作业支持系统之内。本发明中所述的钻井支持系统包括：散料存储及排放设备、钻井液配制及加重设备、钻井泵及高压管汇、钻井液固控设备、防喷器(BOP)及采油树处理设备、井控设备、节流压井管汇、隔水导管处理设备、隔水导管张紧器、钻杆及套管处理系统、井口设备、固井系统设备等。
钻井支持系统的功能为：完成钻杆立柱及套管立柱的配置和输送作业、配合钻机系统完成井口钻杆连接或拆卸、套管连接、隔水导管的连接、拆卸等井口作业、钻机系统钻进作业时，提供钻井液的配制、泵入、循环、固相控制处理等支持作业；钻机系统下套管及固井作业时，提供钻井液的灌入、固井水泥浆的配制及泵入等支持作业；发生溢流、井涌或井喷时，迅速完成井内压力控制、钻井液加重、节流压井处理作业；配合钻机系统完成水下防喷器(BOP)或采油树的安装、拆卸作业；配合钻机系统完成其它辅助支持作业。
本发明钻井支持系统配备一套钻井支持系统，原因在于钻井支持系统设备种类多，数量大，若配备两套完全相同的钻井支持系统，钻井平台主体结构及尺寸明显增大、动力需求增加、钻井支持系统及平台其它辅助设备投资急剧增加，较一套支持系统下的总体作业效率却无明显提高。一套钻井支持系统完成对两套钻机系统的支持，就是要实现有限的投资增加换来的作业效率的明显提升，提高平台所有设备的利用效率。
本发明中钻井支持系统由钻机总控制系统进行设备的管理分配控制，协调调度两钻机系统的作业程序。
本发明中的钻机总控制系统的功能为：根据双钻机钻井系统的作业程序，分配控制钻井支持系统，从而实现利用一套钻井支持系统支持两套钻机系统钻两口井的钻井作业。
本发明中的钻机总控制系统的工作原理为：通过阀门组的控制达到对钻井液和水泥浆的流向控制，从而实现泥浆泵组和固井泵组对两钻机系统作业的支持调度；通过采用不同的钻进模式，从而对两钻机司钻操作控制系统的操作权限进行设置，实现常规作业程序下两钻机司钻操作控制系统对钻井支持系统设备的使用调度，实现安全高效的双钻井作业，非常规作业情况下，总控制系统可以操作控制任一钻机系统的设备和任意钻进支持系统中的设备，从而确保紧急情况下的作业安全。
所述钻进模式包括第一钻进模式和第二钻进模式。再所有的钻进模式中，第一钻机系统A和第二钻机系统B相同，它们的作业顺序可完全互换。
在第一钻进模式中，由于第一钻机系统A和第二钻机系统B相同，所以它们的作业顺序可完全互换，下面在以第一钻进模式为例对本发明进行详细描述的实施例中，第一钻机系统A主要进行钻进作业，第二钻机系统B主要进行下套管和固井作业。对应于第一钻机系统A的第一钻机司钻操作控制系统对本钻机系统、独立配备的钻井支持系统的设备(管子处理装置，井口设备工具)具有完全操作权，对固井泵组设备无操作权限，对泥浆泵组、井控系统设备、节流压井管汇设备具有优先使用权限，对应于第二钻机系统B的第二钻机司钻操作控制系统对本钻机系统、独立配备的钻井支持设备(管子处理装置，井口设备工具)具有完全操作权，对固井泵组设备具有完全操作权限；对其它钻井支持系统设备的使用需要向钻机总控制系统申请临时权限。
所谓设备的优先使用权限是指，钻机总控制系统将设备控制权同时赋予第一和第二钻机系统，任一钻机系统先启动使用此系统设备时，另一系统设备在此系统设备没有停止运转情况下，无权操作此系统设备以及与此系统设备相关联的所有管件阀门。具有优先使用权的钻机系统，可以对正在使用此系统设备的钻机司钻操作控制系统提出使用请求，并进行后续的系统设备操作，而无优先使用权的钻机系统只能向钻机总控制系统提出使用请求，由钻机总控制系统根据实际情况进行此系统设备的调度。
第二钻进模式为单井钻进模式，钻机总控制系统从第一和第二钻机系统A、B中选择出一套钻机系统，所有钻井支持系统由在用钻机司钻操作控制系统进行使用支配，另一钻机司钻操作控制系统只能支配该钻机系统中的设备，如绞车、天车、天车升沉补偿器、游车、大钩、顶驱、转盘等。
无论在哪种模式下，所述钻机总控制系统可以紧急关断任何运转中的设备，也可以在确认安全的条件下调度任何钻机系统的设备以及钻井支持系统中任何设备，钻机总控制系统的操作设专岗进行。第一钻进模式和第二钻进模式钻井支持系统是常规作业模式的简化，便于设备的调度管理，在特殊情况下，则需要钻机总控制系统控制调度。钻进过程中，钻机总控制系统、钻机司钻操控制系统、钻机系统等的相互连接关系和控制关系在图3中详细示出。在图3中，实线箭头表示系统发送至设备的控制信号，虚线箭头表示设备发送至系统的反馈信号，虚线双向箭头表示平等系统之间的交互信号，粗实线表示控制阀门组与钻机系统连接的管件组。
下面将结合附图4-14来详细描述钻机总控制系统以第一钻进模式进行操作控制的双钻机钻井系统的钻井作业的流程，如上所述，由于第一钻机系统A和第二钻机系统B相同，所以它们的作业顺序可完全互换，这里只是示例性的说明：
(a)将第一钻机系统A定位于第一井位，将第二钻机系统B定位于第二井位；使第一钻机系统A下钻(一开钻具组合)，进行第一井W1的开眼钻进，与此同时，第二钻机系统B将第一井W1的导管准备好，下入海中接近海床的第一井位附近，等待第一钻机系统A对第一井W1钻进结束；在第一钻机系统A钻进结束后，将第一钻机系统A起钻至海床，参见图4。在该步骤中，钻井泵及循环支持第一钻机系统A。
(b)将第一钻机系统A定位于第二井位，将第二钻机系统B定位于第一井位；使第一钻机系统A下钻(一开钻具组合)，进行第二井W2的开眼钻进，与此同时，第二钻机系统B将第一井W1的导管下入已钻好的井眼并进行固井，然后继续将第二井W2的导管下入海中接近海床的第二井位附近，等待第一钻机系统A对第二井W2开眼钻进结束；在第一钻机系统A钻进结束后，起钻至海床上，参见图5。在该步骤中，钻井泵及循环支持第一钻机系统A，固井泵组支持第二钻机系统B。
(c)将第一钻机系统A定位于第一井位，将第二钻机系统B定位于第二井位；使第一钻机系统A下钻进行第一井W1的二开钻进作业，与此同时，第二钻机系统B进行第二井W2的隔水导管的安装下入、固井、水下BOP1测试等作业，参见图6。
(d)将第一钻机系统A定位于第二井位，将第二钻机系统B定位于第一井位；使第一钻机系统A下钻进行第二井W2的二开钻进作业，与此同时，第二钻机系统B进行第一井W1的隔水导管的安装下入、固井、第一水下防喷器系统BOP1测试等作业，参见图7。
(e)将第一钻机系统A定位于第一井位，将第二钻机系统B定位于第二井位；使第一钻机系统A下钻进行第一井W1的三开钻进作业，待第二钻机系统B完成第二水下防喷器系统BOP2及第二隔水导管RU2下水作业时，使第一钻机系统A起钻至第一隔水导管RU1内，关闭第一水下防喷器系统BOP1，断开第一水下防喷器系统BOP1与第一隔水导RU1的连接；与此同时，第二钻机系统B调试安装水下第二水下防喷器系统BOP2及第二隔水导管RU2；待第一钻机系统A断开第一水下防喷器系统BOP1与第一隔水导RU1的连接时，第二钻机系统B断开第二水下防喷器系统BOP2与第二隔水导管RU2的连接，参见图8。
(f)将第一钻机系统A定位于第二井位，将第二钻机系统B定位于第一井位；第一钻机系统A连接第一隔水导管RU1与第二水下防喷器系统BOP2，下钻进行第二井W2的三开钻进，完钻后起钻，关闭第二水下防喷器系统BOP2，然后断开第一隔水导管RU1与第二水下防喷器系统BOP2的连接；与此同时，第二钻机系统B连接第一水下防喷器系统BOP1及第二隔水导管RU2，并进行第一井W1的技术套管下入作业和固井作业，然后继续将第二井的技术套管下入到第二隔水导管RU2内，关闭第一水下防喷器系统BOP1，断开第一水下防喷器系统BOP1与第二隔水导管RU2的连接，参见图9a-9d。
(g)将第一钻机系统A定位于第一井位，将第二钻机系统B定位于第二井位；第一钻机系统A连接第一水下防喷器系统BOP1与第一隔水导管RU1，并配第一井W1的四开钻具，下钻，对第一井W1进行四开钻进，完钻后循环，起钻至第一隔水导管RU1内，关闭第一水下防喷器系统BOP1，断开第一水下防喷器系统BOP1与第一隔水导管RU1的连接；与此同时，第二钻机系统B连接第二水下防喷器系统BOP2与第二隔水导管RU2，继续下入第二井W2的技术套管，固井，然后再将第一井W1的四开技术套管下入到第二隔水导管RU2内，然后关闭第二水下防喷器系统BOP2，断开第二水下防喷器系统BOP2与第二隔水导管RU2的连接，参见图10a-10b。
(h)将第一钻机系统A定位于第二井位，将第二钻机系统B定位于第一井位；第一钻机系统A连接第一隔水导管RU1与第二水下防喷器系统BOP2，下钻对第二井W2进行四开钻进，完钻后，循环，起钻，关闭第二水下防喷器系统BOP2，断开第一隔水导管RU1与第二水下防喷器系统BOP2的连接；第二钻机系统B连接第二隔水导管RU2与第一水下防喷器系统BOP1，继续第一井W1的四开技术套管下入，固井作业，然后继续将第二井W2的四开技术套管下入至第二隔水导管RU2内，关闭第一水下防喷器系统BOP1，断开第二隔水导管RU2与第一水下防喷器系统BOP1的连接，参见图11a-11d。
(i)将第一钻机系统A定位于第一井位，将第二钻机系统B定位于第二井位；第一钻机系统A连接第一水下防喷器系统BOP1与第一隔水导管RU1，配第一井W1的五开钻具对第一井W1进行五开钻进，完钻后循环，起钻至第一隔水导管RU1内，关闭第一水下防喷器系统BOP1，断开第一隔水导管RU1与第一水下防喷器系统BOP1的连接；第二钻机系统B连接第二水下防喷器系统BOP2与第二隔水导管RU2，下入第二井W2的四开技术套管，进行固井作业，然后将第一井W1五开尾管下入第二隔水导管RU2内，关闭第二水下防喷器系统BOP2，断开第二隔水导管RU2与第二水下防喷器系统BOP2的连接，参见图12a-12b。
(j)将第一钻机系统A定位于第二井位，将第二钻机系统B定位于第一井位；第一钻机系统A连接第二水下防喷器系统BOP2与第一隔水导管RU1，下钻并对第二井W2进行五开钻进，完钻后，循环起钻，然后下入第二井W2的五开尾管，进行固井作业；第二钻机系统B连接第一水下防喷器系统BOP1与第二隔水导管RU2，下入第一井W1的五开尾管，进行固井作业，然后回收第一水下防喷器系统BOP1及第二隔水导管RU2，参见图13a-13b；第二钻机系统B回收第二水下防喷器系统BOP2及第一隔水导管RU1，参见图14。
至此，两口井的整个钻井过程全部完毕。
尽管已经清楚详细地描述了本发明的钻井作业方法，并且本发明的优选实施例详细描述并解释了本发明，但是本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出多种修改。