海洋钻井海上钻井工艺技术方案

海洋钻井工程1教师：赵万春专业：油气井工程海洋钻井工程2第一节海上钻井井口装置海上井口装置的主要功用：1、安装防喷器，控制井口，实现防喷、放喷和压井；2、将平台井口和海底井口连接起来，引导钻具进入井眼，并隔绝海水，在钻柱外形成环形空间，以便在钻进时循环钻井液。第二章海上钻井工艺技术海洋钻井工程3第二章海上钻井工艺技术1、水上井口装置与陆上井口装置的区别：（1）水上井口装置有一个长长的隔水管，穿过整个海水层（2）水上井口装置的隔水导管上有一个泥线支撑器（悬挂器），而陆上没有。一、水上井口装置海洋钻井工程4第二章海上钻井工艺技术将各层套管的重量悬挂在泥线处。这样可以大大减轻固定平台的承重。每层套管下入时，利用套管挂悬挂在上一层套管的座环上。泥线支撑器以上的套管延长到平台上。泥线支撑器的作用:(固定平台钻井)海洋钻井工程5第二章海上钻井工艺技术泥线悬挂器的作用也是悬挂各层套管柱的重量。每层套管下入时，利用套管挂悬挂在上一层套管的座环上。悬挂器以上，是通过一个下入工具与钻柱连接，钻柱延长到平台上。在注水泥固井之后，将钻柱倒开并起出来，这样在泥线悬挂器之上是没有套管的。钻完井后，平台可以移走，泥线以上的海水中没有套管。泥线悬挂器的作用:(移动平台钻井)海洋钻井工程6第二章海上钻井工艺技术1.泥线支撑器用于固定式钻井平台，泥线悬挂器用于移动式钻井平台；2.泥线支撑器的内层套管悬挂于外层套管的座环上。两层套管之间的密封在平台上套管头处。而泥线悬挂器的套管挂之间不仅存在悬挂关系，而且两层套管之间的密封在悬挂器处。泥线支撑器与泥线悬挂器区别海洋钻井工程7第二章海上钻井工艺技术二、水下井口装置1、水下井口装置的使用背景及特点2、水下井口装置的系统组成3、本节重点海洋钻井工程8第二章海上钻井工艺技术1、水下井口装置的使用背景及特点井口装置具有补偿浮动钻井平台随海水运动产生的6个自由度的运动。补偿升沉运动的伸缩部件，补偿平移和摇摆运动的弯曲部件（挠性接头或球接头）。伸缩部件和弯曲部件存在密封问题，只能承受低压。防喷器系统必须放置在这些部件的下面，因为防喷器关闭时防喷器以下将是高压。海洋钻井工程9固定钻井平台浮式钻井平台水上井口装置水下井口装置升沉平移摇摆海洋钻井工程10水下井口装置通常是在地面上预制成三大组合—导引系统，防喷器系统和隔水管系统。在海上作业时，用快速连接器将两个组合连接起来。水下安装要有一套远程遥控操作系统。必要时还要有潜水作业装置或水下机器人操作。导引系统防喷器系统隔水管系统水下井口装置示意图海洋钻井工程11(1)导引系统2、水下井口装置的系统组成(2)防喷器系统(3)隔水管系统海洋钻井工程12(1)导引系统2、水下井口装置的系统组成导引系统包括：井口盘、导引架、导引绳及其张紧装置。导引系统是整个水下井口装置的基础。海洋钻井工程13井口盘是第一个被安放在海底的圆饼形部件。中心开孔，孔内有与送入钻具配合的“J”槽。用于确定井位，并固定水下井口。海洋钻井工程14井口盘上一般有两条临时导引绳。在平台上，将井口盘与其送入工具连接，送入工具上接钻柱，不断接长钻柱就可将井口盘下放到海底，倒转钻柱可退出送入工具，并起出钻柱。井口盘依靠巨大的重量固定在海底，这就确定了海底井口的位置。井口盘及送入工具海洋钻井工程15导引架结构：有四个导引柱，每根柱上有一根永久导引绳。有的导引架上还固定有水下摄影或水下电视系统。导引架固定在导管上，并随导管一起下入。下入时，依靠井口盘上的临时导引绳，准确进入井口盘的内孔，并将导引架坐在井口盘上。然后将井口盘上临时导引绳割断。井口盘和导引架固定后就成为一口井永久组成部分。导引架安装过程海洋钻井工程16永久导引绳的一端固定在导引柱上，另一端固定在平台上。由于平台随海水运动有上下升沉运动，所以导引绳将忽紧忽松。松弛时显然起不到导引作用，张力太大，又有可能将张紧绳拉断。所以需要有恒张力装置来张紧导引绳。导引绳也是利用气液弹簧原理提供恒张力的。导引绳通过复滑轮系统缩短气液弹簧的液缸活塞行程。导引绳张紧系统海洋钻井工程17（2）防喷器系统防喷器系统是水下井口装置的核心部分。包括：万能防喷器剪切闸板防喷器半封闸板防喷器全封闸板防喷器四通及压井防喷管线防喷器控制操作系统等。海洋钻井工程18海洋钻井工程19防喷器组一般采用3~5个防喷器，通过连接器与套管连在一起。整个防喷器组外面有框架，框架的套管套在导向绳上.水下井口防喷器组海洋钻井工程20防喷器系统各组分部件最顶部是两个万能防喷器(也称为多效能防喷器，或球形防喷器)。优点：万能防喷器可以抱紧任何尺寸的钻柱，可抱紧钻铤，钻杆本体或接头，套管，电缆，钢丝绳，甚至可以全封。缺点：万能防喷器承受压力的能力有限，不能承受很高的压力。所以，万能防喷器仅仅在闸板防喷器不能起作用的时候使用。112344海洋钻井工程21防喷器系统各组分部件半封闸板防喷器是防喷器的主要部分。在出现井喷溢流时，它可以抱紧钻杆本体，封闭钻杆外环形空间。通过上下两个半封闸板防喷器的配合，可以在井喷溢流情况下，强行起钻。112344海洋钻井工程22防喷器系统各组分部件全封闸板防喷器，是当井内没有钻柱并需要关井时使用。112344海洋钻井工程23防喷器系统各组分部件剪切闸板防喷器的使用环境：(1)在井内有钻柱，遇到台风或其他紧急情况，需要立即撤离平台，又来不及起钻，这时使用剪切闸板迅速将井内钻柱剪断，平台即可撤离。(2)发生井喷事故，井喷流体从钻柱内孔喷出，此时为了紧急控制，使用剪切闸板迅速将钻杆挤扁，封住内孔，制止井喷。112344海洋钻井工程24压井和放喷管线，自四通接出，一直延伸到平台上。压井放喷管线应该具有补偿平台运动的功能，所以要有伸缩管或高压软管部分。112456防喷器系统各组分部件海洋钻井工程25为起下方便，在地面上将防喷器系统的各部分组合成一个整体。防喷器框架有四个导向筒，四根永久导向绳分别穿入其中，引导防喷器系统准确地下放并与导引系统上快速连接器连接。防喷器系统海洋钻井工程26防喷器系统的控制操作通常是用电力、气动和液压系统组成。液压管线汇集起来形成“管束”，捆绑在防喷器框架上，引向平台的软管绞车上。液压能量由平台上的储能器提供。平台上的控制部分，一般有电动和气动控制系统。电动控制简单、迅速，所以一般情况下尽可能使用电动控制。在发生井喷的情况下，不允许使用电的时候，就要使用气动控制系统。海洋钻井工程27（3）隔水管系统隔水管系统处在防喷器系统的上面。1)主要作用：①引导钻具入井，隔绝海水，形成泥浆循环的回路。②隔水管系统还要承受浮动平台的升沉和平移运动。2)隔水管系统包括：伸缩隔水管，隔水管，弯曲接头，张紧装置等。海洋钻井工程28伸缩隔水管：处在井口装置的最顶端，由内管和外管组成。内管可在外管内轴向滑动，从而补偿钻井平台的升沉运动。一般长约15~16m。伸缩行程10m。根据我国沿海的潮差及波高情况，行程以长14m为宜。海洋钻井工程29隔水管：隔水管系统的主体，使用16-24英寸直径的钢管做成，单根长度一般为15-16米，两端有公母接头。单根之间依靠公母接头配合连接，连接时只要将母接头套入公接头并下压，公接头上的钢圈即可进入母接头的槽内并互相锁紧。海洋钻井工程30隔水管的长度取决于海水的深度。显然在海水很深的情况下，隔水管系统的重量将很大。在自重作用下，隔水管可能被压弯；另外，隔水管在海水中受到海水运动的作用，要承受很大的横向力，也会使隔水管弯曲。所以隔水管系统需要张紧。隔水管系统的张紧装置，原理上与导引绳的张紧相同，但需要的张紧力更大。海洋钻井工程31一般当工作水深超过3lm时，应有张紧器使其承受拉力，还可以在管外加浮室以增加浮力。对于工作水深超过250m的隔水管柱必须另外进行设计。一般隔水管的临界压弯长度可按下式计算：海洋钻井工程32海水越深，隔水管越重，则需要的张紧力越大。此张紧力最终要施加到浮动钻井平台上，增大平台的吃水量。为了减小张紧力，可在隔水管管外面贴上一层厚厚的泡沫塑料，或隔水管外系以铝制浮筒（筒内充以高压气体），以便增大在海水中的浮力，减轻隔水管系统的重量。海洋钻井工程33弯曲接头：挠性接头，球接头。弯曲接头处在隔水管系统的最下端。弯曲接头的作用补偿钻井平台的平移和摇摆运动。海洋钻井工程34此接头装在隔水管柱的下部，允许弯成一定角度，以使隔水管适应浮动钻井平台或船的摇摆、平移等运动。目前常用的有以下几种结构形式：球形挠性接头l）压力平衡式球形挠性接头海洋钻井工程35通过球的转动来适应浮船的转动。一般允许转动的角度是10度，许用载荷是370t，可与直径406.4~609.6mm直径的隔水管配合使用。压力平衡式就是用海水压力或泥浆压力来平衡球接触面处所承受的向下压力或向上拉力。海水或泥浆进人液缸推动活塞、加压油液，送入球接触面处，既可实现平衡，还可进行润滑。海洋钻井工程362）多球式挠性接头也是采用压力平衡原理．只是将单球改成三个球。整个接头分成三段，每段一个球，允许转动角度为3度，相对于钻杆的曲率半径约11m。由于采用多球，大大降低了每个球体的磨损。海洋钻井工程37上下各有一个轴承及转环。隔水管柱的拉力通过上转环，由上轴承承受，压力由下轴承承受，中间为球体。泥浆压力通过球体可部分导给转环。球体本身不承受轴向载荷，只起封严泥浆作用。此种挠性接头许用载荷可达560t。专门用于工作水深达1800m的深水中，允许转动角度10度。3）万能挠性接头海洋钻井工程38（4）快速连接器快速连接器是连接水下井口装置各大系统之间的重要工具。由于这种连接是在水下，距离遥远，所以要求结构简单，动作迅速，连接可靠。如图所示为液压卡块式连接器，由卡块、卡爪及液压缸、活塞等组成。卡块与液缸活塞连为一起，活塞上下运动则卡块也上下运动。卡块向下则推动卡爪抱紧下连接件。海洋钻井工程39一般均用液压张紧器，装在钻台腿上。有导向绳张紧器及隔水管张紧器两种，分别用以张紧导向绳及隔水管。利用高压气液储能器的液压推动活塞，随平台的升沉而放长或收短钢丝绳，以保持导向绳及隔水管的张力恒定。以下二图分别为导向绳张紧器及隔水管张紧器的布置图。张紧器海洋钻井工程40海洋钻井工程41第二节海洋钻井过程升沉补偿装置一、钻柱升沉运动的补偿措施这种办法是在钻柱的钻铤上方加一根可伸缩的钻杆。伸缩钻杆由内、外管组成，沿轴向可作相对运动，行程一般为2m。当平台上下升沉运动时，伸缩钻杆的内管随伸缩钻杆以上的钻柱作轴向运动，而与伸缩钻杆外管相连的钻艇则基本不作升沉运动．因而可保持钻压恒定，同时还可避免平台上升时提起钻艇，平台下沉时压弯钻柱。1、增加伸缩钻杆海洋钻井工程42（1）钻压不能调节增加伸缩钻杆后，钻压大小取决于伸缩钻杆以下的钻铤部分重量。因而不能随岩层的变化调节钻压。（2）承载条件恶劣伸缩钻杆既承受泥浆的高压，传递钻柱的扭矩；又承受因内外管周期性轴向运动所引起的交变载荷，承载条件十分恶劣。（3）不利于特殊作业当不压井钻井时关防喷器后，由于伸缩钻杆以上的钻柱随船体升沉做周期性上下运动，使防喷器的芯子反复摩擦，对于作业不利。伸缩钻杆存在的问题海洋钻井工程432、增设升沉补偿装置海洋钻井工程44升沉补偿装置一般采用液压传动。如在游动滑车与大钩间装设双液缸，缸体与游动滑车相连。当平台升沉时，游动滑车带动液缸的缸体作周期性上下运动；而活塞与大钩则基本保持不动。这时、整个钻柱的重量由活塞下面的液压所支承。液体压力可保持恒定，也可根据需要调节，以控制钻柱的拉力，随时调节井底钻压。海洋钻井工程45二、升沉补偿装置的结构类型与工作原理（1）结构l）液缸两个液缸用上框架与游动滑车相连，随平台升沉而上下运动。2）活塞两个液缸中的活塞通过活塞杆与固定在大钩上的下框架连接，大钩载荷由活塞下面的液压所支承。1、游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置海洋钻井工程463）储能器储能器与液缸相通。储能器中有活塞，其下端的液体通过软管与液缸相通；其上端的气体通过管线与储气罐相通。这样，液缸中液体压力由储能器中气体压力所决定。调节气体压力即可以改变液体压力。4）锁紧装置用以将上下两个框架锁