021第二章第一节 海上钻井装置-海洋钻井概述-海洋石油工程(课件)-中国石油大学(北京)-檀朝东

海洋石油工程第二章海上钻井装置海洋石油工程第二章海上钻井装置石油天然气工程学院檀朝东[e-mail]13801331255第二章第二章海上钻井装置海上钻井装置第二节固定式钻井平台第一节海洋钻井概述第三节移动式钻井平台海洋钻井分为：海上钻井、海底钻井和深海科研钻井三类（主要是海上钻井）。海上钻井是在追踪陆地油田在海底延伸的过程中开始的。1890年，开始海洋油气勘探。根据陆地油气田向海洋延伸的趋势，在海岸边修建栈桥，开展海边浅水域的石油钻井。海洋钻井发展回顾1920年，美国在委内瑞拉的马拉开波湖进行石油普查钻井。前苏联也根据泥火山理论，在里海开始了从巴库到阿普塞隆近海油气田的勘探开发。当时是以木制的固定栈桥与陆岸相连接的。海洋钻井发展回顾到了20世纪60年代末期，欧洲许多国家在北海海域陆续开始油气勘探，并使之成为世界上油气勘探开发最活跃的地区。70年代初，全世界有75个国家在近海寻找石油，其中有45个国家进行海上钻探，30个国家在海上采油。海洋钻井发展回顾80年代，全世界从事海上石油勘探开发的国家或地区超过100个。目前，世界各国在海上寻找石油、天然气的活动正在向深水、超深水发展。海底油气资源的勘探、开发，已成为沿海国家重要的经济活动内容。海洋钻井发展回顾第一节海洋钻井概述一、海洋钻井的主要特点二、海洋环境条件对钻井装备的影响三、海上钻井装置的类型四、海上钻井装置的发展简况海洋钻井的主要特点海洋钻井基本是沿用陆上钻井的工艺方法，所不同的是海上钻井处于狂风巨浪的侵袭中，且与海底隔着巨大的水体，要在复杂的条件下完成钻井作业，其特点有以下几种：(1)在海上要求提供安装钻进的机械设备和钻井工作的场地，即海上钻井采油平台。将全套的钻井机械设备安装在平台上成为在海上能独立完成钻进工作的装置。8583海洋钻井的主要特点(2)采用浮动钻井装置钻井，要克服在浮动条件下作业的不利因素，满足井底钻压、将钻具导向海底井口、保持井位等技术要求，需要有升沉补偿装置、水下井口导向装置、伸缩隔水管系和自动定位装置等。(3)海上建造平台费用昂贵、操作难度大，因此海上生产井一般均打丛式井（定向井）。为了提高海上钻井速度，确保钻井的质量，海上钻井应用了高新钻井工艺技术和钻井方法。8583海洋钻井的主要特点(4)井身结构复杂，套管尺寸大，层次多。(5)有一套防腐措施和设备。(6)先进的交通、通讯及良好的生活保障。(7)要有坚不可摧的井场(8)注意安全(9)遵守海洋法8583第一节海洋钻井概述一、海洋钻井的主要特点二、海洋环境条件对钻井装备的影响三、海上钻井装置的类型四、海上钻井装置的发展简况海洋恶劣条件下的钻井平台海洋恶劣条件下的钻井平台海洋恶劣条件下的钻井平台海洋恶劣条件下的钻井平台海洋恶劣条件下的钻井平台海洋恶劣条件下的钻井平台海洋环境条件对钻井装备的影响海洋为人类提供了丰富的资源，但变化多端的海水却为人类获取海洋资源增添了巨大的困难和风险。要获取海底油气资源，首先必须建造安全可靠的、能牢牢立在海面上的工作平台，这是开发海洋资源的前提和基础。海洋环境条件对钻井装备的影响海上石油天然气的钻采工艺与陆上基本相同，所不同的是工作环境不同，陆上钻采设备不受场地限制，可以分散布置，而海上钻采设备必须集中布置在狭小的海洋平台上，受暴风雨、洋流、风力、化学腐蚀，寒冷环境下钢料强度、水深及钻井成本等问题的影响，自然条件恶劣，操作工况十分复杂。海洋钻井平台投资大，作业风险高，而且海上市场有诸多不确定因素。此外，海洋钻井远离陆地，运输十分困难。海洋环境条件对钻井装备的影响海洋环境的特殊条件对钻井装备的影响很大，故海上平台及钻井设备除必须达到陆上设备的要求外，还要具备适合海上油气开发特点（经受得起风、浪、潮、流、冰、涌等海洋环境因素的冲击）的结构，以克服在海上作业的困扰。安全性可靠性设备能力配备柴油机电驱动方式可钻或修多口井配备应急设备技术先进、效率高海洋环境条件对钻井装备的特殊要求Ø安全性海上钻井平台离岸较远，平台空间不大，设备布置无足够的安全距离，操作者的活动空间有限，平台常年处于风、浪、潮之中，一旦发生事故，救援困难，后果严重；因此，海洋石油钻井设备必须满足防爆、防火、防烟雾的要求，并要有完善的监控系统，以防止事故发生。海洋环境条件对钻井装备的特殊要求Ø可靠性各类海洋钻井平台的造价都很高，若租用钻井平台，日租金也非常昂贵，如自升式钻井平台的日租金达2.5万~3万美元，半潜式钻井平台的日租金高达5万~8万，如果钻机性能不佳导致经常停修，就会造成很大的经济损失；因此，要求钻机各部件的性能都要十分可靠，且经久耐用，尤其是平台的供电设备必须十分可靠，一旦断电停产，不仅会造成经济损失，而且可能造成重大事故。海洋环境条件对钻井装备的特殊要求Ø设备能力配备海上钻井远离后方基地，设备故障所造成的损失及修复所需要的时间均大大超过陆上，因此，海上钻井一般选用工作能力较大的设备以减少故障发生，即在相同井深条件下，海上配备的钻井设备能力一般比陆地上大20%~25%。目前，海上多选用钻深为6000~8000m的钻机、70~100t提升能力的修井机。在油田生产后期，如果用修井机补钻调整井或加密井、分支井，修井机的提升能力要达到100~150t。海洋环境条件对钻井装备的特殊要求Ø柴油机电驱动方式海上钻井平台离按较远，无工业电网供电，平台用电靠自配电站供电。海上钻井平台采用多台大功率柴油发电机组发电，供各电动机分别驱动钻井绞车、泥浆泵、转盘、顶部驱动装置等钻井工作主机。海洋环境条件对钻井装备的特殊要求Ø可钻或修多口井钻机或修井机可在平台上纵、横移动，即从一个井位很快移到另一个井位。目前，世界上有的平台最多可钻或修96口井，一般的平台可钻或修几口至几十口井。海洋环境条件对钻井装备的特殊要求Ø配备应急设备海上钻井平台必须配备应急设备，如柴油发电机组配有应急柴油发电机，转盘配有应急驱动链轮，泥浆泵配有应急泵，当主要机组出现故障时，相应的应急设备立即启动，以保证全平台的生活和动力用电，避免卡钻事故的发生。海洋环境条件对钻井装备的特殊要求Ø技术先进、效率高海洋钻井平台的空间十分有限，因此，平台上所采用的钻井设备必须技术先进、体积小、质量轻、效率高。在同样技术性能的前提下，设备体积越小，钻井平台的建造费用也就越低。海洋环境条件对钻井装备的特殊要求第一节海洋钻井概述一、海洋钻井的主要特点二、海洋环境条件对钻井装备的影响三、海上钻井装置的类型四、海上钻井装置的发展简况海洋石油平台海洋石油平台模型海上石油平台，一种岛状空间结构物，具有一个高出海面的水平台面，供进行生产作业或其他活动用的海上工程设施。海洋石油平台海洋石油平台模型海洋石油平台群组海洋石油平台海洋石油平台海洋石油平台海上石油平台是海上石油开采的主要装置，它的分类方法有很多，其中按照用途大体可以为四类：Ø钻井/勘探平台：主要用于勘探石油资源、钻探石油。Ø采油平台：主要用于石油生产。Ø中心平台：用于石油初步加工和石油输送。Ø储存式平台：主要用于石油采集后海上储存，并且还有预处理功能。以上四种平台又可以细分为很多类，下面我们主要讲述一下海洋钻井平台的分类及其特点。海上钻井装置的分类海上钻井装置的分类海洋钻井平台（drillingplatform）是主要用于钻探井的海上结构物。平台上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。开发海洋石油，首先从浅水海域开始，然后逐渐向深海发展。海洋钻井平台经历了由浅海到深海、由简单到复杂的发展过程。海洋石油钻井平台可分为2类：Ø固定式钻井平台Ø移动式钻井平台海上钻井装置的分类海上钻井装置的分类⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧⎧⎪⎨⎪⎪⎪⎩⎨⎪⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎩⎩导管架式钻井平台重力式钻井平台固定式张力式钻井平台绷绳塔式钻井平台海上钻井装置坐底式钻井平台底撑式平台自升式钻井平台移动式半潜式钻井平台浮动式平台浮式钻井船海洋钻井平台海洋钻井平台Drillship钻井船Semisubmersible半潜式钻井平台Jackup自升式钻井平台Submersible潜入式钻井平台Landrig陆地钻机海洋钻井平台海洋钻井平台导管架平台半潜式平台绷绳塔式平台张力腿式平台浮式钻井船固定式钻井平台，固定于海底，在整个使用寿命期内位置固定不变，不能再移动。主要用于有工业油流的油田，一般工作水深在20m左右（如渤海早期的埕北A/B钻井平台）。某些钻采综合固定平台的工作水深超过90m，但平台建造费用较高。固定式平台的结构特点是通过管架结构在海底将平台固定。海上钻井装置的分类海上钻井装置的分类固定式钻井平台的主要类型Ø按导管架结构分：直桩式、直桩-斜桩式、联结式。Ø按桩柱结构分：木桩、钢桩、混凝土。混凝土桩要先预制好，再在海上打桩。现在的钢管桩都要在管中加注混凝土。Ø按打桩的设施分：带桩架、不带桩架。Ø按设备布置分：带浮船、不带浮船。Ø按照结构特点分：导管架式钻井平台、重力式钻井平台、张力式钻井平台、绷绳塔式钻井平台。下面主要介绍一下最后一种分类方法。固定式钻井平台——张力腿式张力腿式钻井平台（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。导管架型平台在软土地基上应用较多的一种桩基平台。固定式钻井平台——导管架式重力式平台是靠平台自身重量稳坐在海底坚实土层之上。固定式钻井平台——重力式混凝土重力式钻井平台绷绳塔式平台亦称牵索塔平台，是将一个预制的钢质塔身安放在海底基础块上，四周用钢索锚定拉紧而成。它适用于水深较大的海域。固定式钻井平台——牵索塔式各类固定式钻井平台性能对比表各类固定式钻井平台性能对比表大较大很大较大船体储藏能力桩和绷绳定位靠张力腿定位靠重力定位桩基固定定位方式好好好好安全性90%90%90%90%工作效率10～6010～60可钻井数差差极差极差灵活性各种海底各种海底要求平整、稳定的海底对海底无特殊要求海底条件限制超过3000超过3000超过3000超过3000可钻井深(m)超过300超过180超过150到达400工作水深(m)钻井、采油钻井、采油钻井、采油、集输钻井、采油用途绷绳塔式张力式重力式导管架式种类性能指标固定式钻井平台的优缺点固定式钻井平台的优点是稳定，海面气象条件对它的影响较小，而且完井后可作为采油平台，使用时间大大增加。但是，它的灵活性差，不能及时运移，而且造价高，不能在较深的水域工作。固定式钻井平台的面积和平台上的设备都要合理，而且结构强度要满足要求。移动式钻井平台，作业完成后，可拖航或自航到其他地点。包括座底式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台以及浮式钻井浮船。可随意移动，特别适用于钻勘探井或纵式生产井。钻井模块既可以放到固定式平台上，也可以采用移动式平台，但是上部模块价格比较贵，一套要好几亿美元以上，所以一般都放到移动式平台上面，一般是打一枪换一个地方。海上钻井装置的分类海上钻井装置的分类坐底式钻井平台移动式钻井平台——坐底式单立柱坐底式钻井平台坐底式钻井平台又叫钻驳或插桩钻驳，适用于河流和海湾等30m以下的浅水域。自升式钻井平台又称甲板升降式或桩腿式平台。移动式钻井平台——自升式浮式钻井船浮式钻井船移动式钻井平台——浮式钻井船浮式钻井船是一种移动式钻井平台，它用改装的普通轮船或专门设计的船作为工作平台。半潜式钻井平台半潜式钻井平台移动式钻井平台——半潜式半潜式钻井平台（SEMI）又称立柱稳定式钻井平台。各类移动式钻井平台性能对比表各类移动式钻井平台性能对比表很大较大较小较大船体储藏能力锚定：自动动力定位锚定：自动动力定位桩脚插入；底垫压载主要靠压载船体定位方法抵抗风浪能力较强抵抗风浪能力强易受风浪影响易受风浪影响浮动时的稳定性¾¾很好很好较好底撑时的稳定性10151010浪高(m)4444潮流(节)60606060风速(m/s)气象设计极限约3约7约7约7浪高(m)4444潮流(节)20202020风速(m/s)正常作业气象各种海底各种海底根据海底土壤承载，决定插入深度粘土、砂质粘土海底；海底坡度要小海底条