《海洋石油工程》4章

第四章 海上钻井设备概述,海洋覆盖了地球约71%的表面积，蕴藏着丰富的石油资源。 海洋石油资源约占全球石油总资源的1/3到1/2。 我国拥有丰富的海洋资源，油气资源沉积盆地约70×104km2,石油资源量估计为240×108t左右，天然气资源量估计为14×1012m3。 我国海洋石油工业起步于20世纪50年代末，目前发展迅猛，有着美好的开采前景。与陆上石油钻井相比，海洋石油钻井由于地理位置和环境条件的不同，作业过程有很多特殊性。需要有一个海上基地以便安装钻机的各个系统、配备相应器材、提供物资存放和人员作业及生活的场所，这个海上基地就叫做：“海洋石油钻井平台”。,第四章 海上钻井设备概述,海上石油钻井面对的困难,?,?,?,海水,腐蚀,海浪,潮汐,风暴,搬安,第四章 海上钻井设备概述,陆地钻井,固定式平台,移动式平台,第四章 海上钻井设备概述,北海,墨西哥湾,巴西海域,西非,深水油田区域,第一节 海上钻井平台的类型与性能,一、海上钻井平台的分类 1.按运移性分类：（1）固定式钻井平台；（2）移动式钻井平台； 2.按钻井方式分类： （1）浮动式钻井平台；（2）稳定式（着底式）钻井平台；,固定式钻井平台,导管架,一、海上钻井平台的分类,海洋石油钻井平台分类,二、海上钻井平台的结构及特点,（一）固定式钻井平台 定义： 固定式钻井平台固定于海底，架起一个高出水面的建筑物，上面铺设平台，用于放置钻井机械设备、生活及工作设施等。在整个使用寿命期内位置固定不变，不能再移动。 固定式钻井平台分为：混凝土平台和钢制桩基平台。,混凝土平台,钢制桩基平台,1、混凝土（重力基础）式钻井平台 七十年代初出现，底部是一个巨大的混凝土基础(沉箱)，用三个或四个空心的混凝土立柱支撑着甲板结构，在平台底部的巨大基础中被分隔为许多圆筒型的贮油舱和压载舱，这种平台的重量可达数十万吨，正是依靠自身的巨大重量，平台直接置于海底。现在我国约有大约20座混凝土重力基础式平台用于北海。,（一）固定式钻井平台,1、混凝土（重力基础）式钻井平台,特点： 平台组成：沉垫、立柱、甲板组成； 沉垫形式：圆形、六角形、正方形； 立柱分类：独腿、三腿、四腿等几种； 优点：不需打桩具有相当的贮油能力，节省钢材，防火、保温、防腐性较好，维修费用低，寿命长。 缺点：对地质条件要求高，出现缺陷后修复较困难，作业结束后不能拆除，不利于环保。,1、混凝土（重力基础）式钻井平台,混凝土重力式平台的安装,（一）固定式钻井平台,2、钢制重力平台： 整个平台由沉箱、支撑框架和甲板三部分组成。沉箱兼做储罐，建造时先把各个沉箱、支撑框架、甲板分别预制，而后在岸边组装成整体，再拖运到井位下沉安放。 相比混凝土平台，钢平台有较高的经济效益。重量较轻，适用水深浅，拖航马力小。缺点是储油量要小，使用钢材较多且不耐腐蚀，隔热性能差。,（一）固定式钻井平台,3、钢制桩基平台结构： A：生活区组块； B：导管架组块； C：钻井、修井区组块； D：生产组块。,（一）固定式钻井平台,4、钢制桩基导管架管节点类型,（一）固定式钻井平台,5、钢制桩基平台特点： 重量比混凝土轻，预制过程中对水载要求不高；拖船马力小，对地基承载力要求不高；稳定性好、海面气象条件对钻井作业影响小，所以60年来，它成为海上油田开发应用最广泛的一种类型。 不能移运、造价高、易腐蚀，适用水深有限，成本会随水深增加而急剧增加。,（一）固定式钻井平台,6、钢制桩基平台导管架的安装： 桩基式平台由钢质桩、导管架和平台组成。导管架先在陆上预制,浮运或驳船拖运到安装地点就位,然后打桩将导管架固定，顶部安装甲板，所有设备都安装在甲板上。可用来钻井和采油。 主要方法有：（1）提升法； （2）滑入法；（3）浮运法；,5、钢制桩基平台导管架的安装：,（1）提升法（吊装法）安装,5、钢制桩基平台导管架的安装：,（1）提升法（吊装法）安装,5、钢制桩基平台导管架的安装：,（2）滑入法（滑移法）安装： 在海上安装位置导管架滑移脱离驳船。导管架缓慢的沉入水中，然后呈现漂浮状态。通过控制浮箱中的水量到达导管架自动竖立，到达预定位置然后打桩，使导管架完成安装。,5、钢制桩基平台导管架的安装：,（2）滑入法（滑移法）安装：,5、钢制桩基平台导管架的安装：,（3）浮运法安装： 把导管架的两端密封后，靠它自身的浮力浮在水面上，用拖船把它拖到井位后，再向导管内灌水使它下沉并立在海底。,（a）拖运；（b）一侧充水；（c）另一侧也充水；（d）均匀充水下沉,（一）固定式钻井平台,7、预制平台的安装：,（二）坐底式钻井平台,坐底式平台适用于河流和海湾等30m以下的浅水域。有上下两个船体，上船体又叫工作甲板，安置生活舱室和设备。下部是沉垫，其主要功能是压载以及海底支撑作用，用作钻井的基础。两个船体间由支撑结构相连。这种钻井装置在到达作业地点后往沉垫内注水，使其着底。因此从稳定性和结构方面看，作业水深不但有限，而且也受到海底基础（平坦及坚实程度）的制约。,江河用坐底钻井平台,（二）坐底式钻井平台,坐底式钻井平台特点： 钻井时固定牢靠不受海洋环境的影响，完井后移动灵。 作高度恒定，不能调节，对海底地基要求高，工作水深较浅（20-30m），拖航时阻力大，当海底冲刷严重时，钻井易移位，需要采取防滑移、防冲刷及防掏空等措施。,胜利一号钻井平台,（三）半潜式钻井平台,半潜式钻井平台（SEMI）又称立柱稳定式钻井平台，是目前应用最多的浮式钻井装置。 结构：上部平台、下部浮体、中部立柱。 我国自己设计建造的：“勘探三号”、“海洋石油981号”、“南海二号、五号、六号”，都为半潜式钻井平台。,（三）半潜式钻井平台,半潜式与自升式钻井平台相比，优点是工作水深大，移动灵活。缺点是结构复杂、成本大、维持费用高。自航能力差，要有一套复杂的水下器具，有效使用率低于自升式和钻井浮船。,（四）自升式钻井平台,自升式钻井平台又称甲板升降式（桩腿）式平台。 这种石油钻井装置在浮在水面的平台上装载钻井机械、动力、器材、居住设备以及若干可升降的桩腿，钻井时桩腿着底，平台则沿桩腿升离海面一定高度；移位时平台降至水面，桩腿升起，平台就像驳船，可由拖轮把它拖移到新的井位。,（四）自升式钻井平台,优点：钢材少、造价低，有良好的抗侧向移动性，可根据海浪调节平台高度。平台离开水面后，可维修整个船体。 缺点：桩腿长度有限，使它的工作水深受到限制。超过此水深，桩腿重量增加很快，拖航时对平台稳定性和桩腿强度都很不利。,（四）自升式钻井平台,自升式钻井平台在近海作业中，正在得到越来越广泛的应用。如：“渤海四号”、“渤海五号”、“渤海七号”、“渤海八号”、“渤海十号”、“南海三号”、“南海四号”、“勘探二号”、“胜利五号”和“胜利六号”等自升式钻井平台。其中“渤海五号”和 “渤海七号”是我国自行设计建造的自升式钻井平台。,海洋石油 COSL 941号,（五）浮式钻井船,（五）浮式钻井船,利用船体作为工作平台，要求船体具有耐腐蚀、抗冲击以及抗移动的能力。 其工作水深主要取决于钻井船的定位方法： 用锚泊定位工作水深：200300m； 采用自动动力定位，工作水深可达6000m。,（五）浮式钻井船,优点： 适用于较深的海域；移动性能好；造价较低，易维护；船速高； 缺点： 对风浪极为敏感、稳定性差；被迫停工率高；,（六）步行式坐底钻井平台,步行式钻井平台 “胜利二号”步行式钻井平台是一种我国自行研制的浅水钻井平台，也是世界上第一艘能够在浅海、滩海、甚至在海陆过渡地带的极浅水域，以“步行”方式前进到设计井位地点，搁浅后下沉坐底进行钻井作业的钻井平台。适用于工作水深小于6.8m的极浅水域进行钻井作业。,沉得下,坐得稳,浮得起,步行式钻井平台工作原理,外体坐于海底，支撑整个平台。4个顶升液缸将内船体顶起，由2个牵引液缸拉着内船体沿着外船体上的轨道运行1个步长。接着，内船体坐于海底，4个顶升液缸将外船体顶起，由2个牵引液缸拉着外船体沿着内船体上的轨道运行1个步长。如此往复。,步行式钻井平台结构图,（七）张力腿（绷绳塔）式平台,张力腿式钻井平台（TLP）是利用绷紧状态下的锚索产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。 张力腿式钻井平台也是采用锚泊定位的，其所用锚索绷紧成直线，不是悬垂曲线，钢索的下端与水底几乎垂直的，用的是桩锚或重力式锚等。 优点：受力合理、用钢少、成本低、适用于深水、对海洋环境适应性大；张力腿平台可以用于水深超过600m的海区，但通常认为最经济的作业水深范围是450600m之间。,（七）张力腿（绷绳塔）式平台,（八）各种钻井平台结构特点小节,三、海上钻井平台的选择,（一）选择依据,海上钻井平台的选择是一个涉及面很广的问题，需要综合考虑各种因素： （1）钻井类型。是钻勘探井还是生产井、直井还是丛式井以及完井方式等。 （2）作业海区的海洋环境条件。包括水深、风、波、潮流等海况，海底地质条件及离岸距离等。 （3）经济因素。主要是各种装置的建造成本、租金及操作费用。 （4）可供选择的钻井平台及其技术性能、使用条件。,（二）钻井平台的选择,1.钻勘探井用的钻井平台 （1）水深小于15m可选用座底式平台； （2）水深在1575m可选用自升式平台； （3）水深在75200m可选用锚定半潜式平台或钻井船； （4）水深在200m以上，可选用动力定半潜式平台或钻井船； 2.钻生产井用的钻井平台 （1）水深小于300m可选用基桩导管架式平台； （2）水深在300600m可选用绷绳塔或张力腿式平台； （3）水深小于160m且海底条件允许可选用混凝土重力平台； （4）水深在200m以上，可选用动力定半潜式平台或钻井船；,四、海上钻井平台的布置,陆上常规钻井井场布置图,四、海上钻井平台的布置,1.需选择确定的主要设施（具备高度自持能力） （1）钻机设备及净化、固井设备等； （2）钻井动力设备及平台动力设备等； （3）钻井工具及钻井液药剂、油料等； （4）测井及录井等相关设备等； （5）起重设备及锚泊设备等； （6）安全消防及救生设备等； （7）生活保障设备等；,四、海上钻井平台的布置,海上钻井平台的结构布置图,四、海上钻井平台的布置,上层甲板设备布置 下层甲板设备布置,四、海上钻井平台的布置,四、海上钻井平台的布置,2.海洋钻井平台布置原则 （1）平台工作时安全可靠； （2）平台结构强度和稳定性； （3）合理利用平台面积和空间； （4）具备完备的安全、消防和防污染设施； （5）良好的通信、靠船和直升机起降设施、生活设施； （6）符合国际建造标准；,海上钻井平台的结构布置图,五、海上钻井设备,1.海洋钻井设备与陆地钻井设备的异同 （1）驱动形式不同； （2）转盘开口直径不同； （3）对设备及工具要求不同； （4）设备先进程度不同； 2.海上钻井设备组成 （1）动力设备；（2）钻井设备；（3）固井设备； （4）试油设备；（5）起重锚泊设备；（6）辅助设备；,第二节 海上钻井设备的特殊问题,一、平台定位问题,二、升沉运动补偿问题,三、装备水下设备问题,四、防止海水腐蚀问题,五、抵抗环境载荷问题,一、平台定位问题,移动式钻井平台，在整个钻井作业过程中，始终要面对由海风、海流以及海浪所带来的平台移动问题。为了使海面井口不会出现频繁的位移现象，我们就必须要解决平台定位问题。 1.锚泊定位 （1）锚或锚桩； （2）锚索，包括锚链，钢丝绳； （3）附件：连接环、缆端嵌环、快速释放装置； （4）导向装置：导向弯管、导向滑轮及导向孔； （5）锚机 、绞车；,1.锚泊定位,无杆锚 有杆锚,1.锚泊定位,所有锚系锚缆分布相对于平台纵轴是对称的。平台对来自船头方向的风浪抵抗能力较强。对来自两侧方向的风浪的抵抗能力较弱，而且平台两侧的挡风面积也较大，所以两侧要布置较大的锚系拉力。 还有一种扩展锚系，用锚缆作锚索，所有锚缆都集中缠绕在井口的专用转盘上，称为旋转锚系。钻井平台可以旋转而不影响锚索。这样钻井平台就可以随时旋转到使船头