022第二章第二节 海上钻井装置-固定式钻井平台-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。第二节固定式钻井平台固定平台按照自给程度不同，分为：自容型海洋型钻井平台和带辅助船的小型钻井平台两类。自容型固定平台型体尺寸较大，它能容纳全部钻井设备及一切队、附属设施，包括各种仓库及生活设施。因此，需要平台的面积大，建设费用高。为了缩减这类平台的面积，多做成双层平台的型式。第二节固定式钻井平台带辅助船的小型固定钻井平台则将部分设备和材料放在辅助船上，以减小平台的尺寸。这种小型平台建筑面积可以达到最小限度。一般只将井架、绞车、动力联动机及其附属设备放在平台上，而其它设施及食宿等都设置在辅助船上。它的优点是平台的投资少，体积小，便于施工，而且当钻完一口油井后，辅助船可以很快转移到另一井位，钻井平台可转化为采油平台使用。第二节固定式钻井平台带辅助船的固定式钻井平台固定式平台的结构特点是通过管架结构于海底将平台固定。它的主要类型有：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按结构特点可以分为：导管架式、重力式、张力式和绷绳塔式四类。下面主要围绕着这种分类方法进行讲解。第二节固定式钻井平台第二节第二节固定式钻井平台固定式钻井平台一、导管架平台的结构组成二、导管架平台的海上安装三、重力式平台的结构特点与组成四、张力式平台的结构特点与组成五、绷绳塔式平台的结构特点与组成固定式钻井平台——导管架式导管架型平台在软土地基上应用较多的一种桩基平台。导管架型平台在软土地基上应用较多的一种桩基平台。导管架型平台是先在陆上用钢管焊成一个锥台形空间框架，然后驳运或浮运至海上现场，就位后将钢桩从导管内打入海底，再在顶部安装甲板而成。导管架式钻井平台所采用的建筑材料不同，有木桩的，钢筋混凝土桩的，钢桩的和铝质桩的几种。导管架平台的结构组成由上部结构（即平台甲板）和基础结构组成。Ø上部结构：一般由承受作业机械（机器）和其它载荷的上下层平台甲板和层间桁架或立柱构成。甲板上布置成套钻采装置及辅助工具、动力装置、泥浆循环净化设备、人员的工作、生活设施和直升飞机升降台等。平台甲板的尺寸由使用工艺确定。导管架平台的结构组成Ø上层平台：用作安放井架、绞车、钻具、生活设施和直升飞机升降台等；Ø下层平台：安放泥浆泵、泥浆池、防喷器、发电房、固井设备、仓库等；上部结构Ø基础结构（即下部结构）。包括导管架和桩。导管架平台的结构组成导管架可事先在岸上预制好。然后，或用驳船运至目的地，或依靠中空的浮力拖至目的地，下沉并坐在海底上。再将桩管由导管内插入，并用打桩机打入海底一定深度。桩支承全部荷载并固定平台位置。桩数、长度和桩径由海底地质条件及荷载决定。导管架立柱的直径取决于桩径，其水平支撑的层数根据立柱长细比的要求而定。在冰块飘流的海区，应尽量在水线区域（潮差段）减少或不设支撑，以免冰块堆积。基础结构导管架的作用Ø支承上部结构Ø作为打桩定位和导向的工具Ø将平台上面的负荷比较均匀地传递到桩上Ø可安装系靠船的设备Ø可作为安装上部结构时的临时工作平台用于承受平台的垂直重量及水平环境推力。桩可分为：Ø支承桩Ø磨擦桩桩对深海平台，还需进行结构动力分析。结构应有足够的刚度以防止严重振动，保证安全操作。应考虑防腐蚀及防海生物附着等问题。导管架焊接管结点的设计是一个重要问题，有些平台的失事，常由于管结点的破坏而引起。管结点是一个空间结点，应力分布复杂；近年应用谱分析技术分析管结点的应力，取得较好的结果。导管架平台的结构组成钢质导管架式平台通过打桩的方法固定于海底，它是目前海上油田使用最广泛的一种平台。使用水深一般小于300米，自1947年第一次被用在墨西哥湾6米水域以来，发展十分迅速，到1978年，其工作水深达到312米，目前世界上大于300米水深的导管架平台有7座。其优点是可事先做成导管架形式，在岸上预制好，然后到海上进行打桩。平台的整体性好，施工快。它的主要缺点是抗海水腐蚀性能差。所以，有的地方，曾采用过抗海水腐蚀性能好的铝制平台，但因造价昂贵，未能普遍应用。导管架平台第二节固定式钻井平台一、导管架平台的结构组成二、导管架平台的海上安装三、重力式平台的结构特点与组成四、张力式平台的结构特点与组成五、绷绳塔式平台的结构特点与组成导管架平台的海上安装导管架平台的海上安装包括：Ø导管架的运送、就位及安装；Ø导管架帽安装；Ø平台上部模块的安装。海上吊装海上吊装导管架平台的海上安装导管架平台的施工是一个复杂的过程，主要工序是结构物陆上预制与海上安装。海上安装包括海上运输和海上安装两部分。导管架和组块用驳船或其它方式运到油田现场，先将导管架沉放到预定位置，打桩固定，再将导管架帽安装在导管架上，最后用起重船将上部模块装到导管架帽上。海上吊装海上吊装导管架的运送、就位及安装导管架的安装Ø打桩：少则四根，多则十必根，打入深度少则50m，多则几百米。Ø铺设平台上部结构：u整体铺设u分块铺设Ø井架的移位6M2M6M2M井架的移位过程12845673141615109111213Ø提升法：水深30m以内Ø滑入法：水深30—120mØ浮运法：水深120m以上导管架的安装方法导管架的安装方法——提升法（1）提升法。主要依靠起重船进行吊装，所以受起重船起重能力和起重高度的限制。导管架不能太重，也不能太高。如果太重，则要将它分成几块预制，分别吊放入海后在海上安装。这增加了海上施工的困难。安装过程如下图所示。（a）浮运；（b）吊放；（c）打桩；（d）上部结构安装；提升法安装导管架示意图导管架的安装方法——滑入法（2）滑入法。把导管架的导管先密封，再用有下水滑道的驳船运到现场。到现场后，驳船倾斜，导管架沿滑道下滑入水并浮在水面在。这时向导管架内灌水，再用一个不大的起重船帮助就能把导管架平稳地放在海底，安装过程如下图所示。滑入法安装导管架示意图（（aa）拖运；）拖运；（（bb）滑入水中；）滑入水中；（（cc）绑吊素；）绑吊素；（（dd）安放；）安放；（（ee）打桩）打桩导管架的安装——浮运法（3）浮运法。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，安装过程如下图所示。浮运法安装导管架的示意图（（aa）拖运；）拖运；（（bb）一侧充水；）一侧充水；（（cc）另一侧也充水；）另一侧也充水；（（dd）均匀充水下沉）均匀充水下沉海上浮拖法安装平台组块由于大型浮吊日费及动复员费用都非常高，有的浮吊日作业费用在18万美金以上，固定平台的安装费用占工程建设费用的比重较高，用浮拖法安装平台组块，整体安装，海上连接调试工作量小，作业周期缩短，不必动用昂贵的大型浮吊设备，适合大或超大型甲板组块，但对安装海况要求相对高；对施工船只要求高，如稳性、压载能力等；海上安装精度要求高。海上浮托法安装平台组块该技术关键环节是平台滑移装船；驳船调载；平台下沉就位。由于平台浮装技术复杂、难度高，一旦由于考虑不周出现技术事故，如船倾斜造成平台倾覆或平台就位倾斜等事故。因此需要通过计算机模拟整个过程，充分掌握整个过程中出现的问题，在此基础上进行改进、完善，再仿真，再完善，以确保万无一失。NB35-2CEP平台海上浮拖安装装船运输到安装地点准备安装NB35NB35--2CEP2CEP平台海上浮拖安装平台海上浮拖安装NB35NB35--2CEP2CEP平台海上浮拖安装平台海上浮拖安装安装完毕后平台状态第二节固定式钻井平台一、导管架平台的结构组成二、导管架平台的海上安装三、重力式平台的结构特点与组成四、张力式平台的结构特点与组成五、绷绳塔式平台的结构特点与组成固定式钻井平台——重力式平台混凝土重力式平台七十年代初出现，它完全借助于其本身的重量直接稳定地座在海底。这种平台的底部是一个或多个钢筋混凝土沉箱组成的基座，基座上有钢立柱或钢筋混凝土立柱支撑上部甲板，在平台底部的巨大基础中被分隔为许多圆筒型的舱室，这些舱室本身就是非常好的大型储油罐，在平台安装阶段的拖航和下沉时可作为压载舱。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。现在已有大约20座混凝土重力式平台用于北海。由于混凝土平台自重很大，对地基要求很高，使用受到限制。重力式平台重力式平台可分为：Ø混凝土重力式平台Ø钢质重力式平台重力式平台分类康迪普型平台此种平台1973年出现。塞尔默型平台混凝土重力式平台与导管架平台相比，具有以下优缺点：Ø优点：不需打桩具有相当的贮油能力节省钢材防火、防腐性较好，维修费用低，寿命长Ø缺点：对地质条件要求高出现缺陷后修复较困难混凝土重力式平台1971年意大利首造，水深90米，称洛安高平台。整个平台由沉箱、支承框架、甲板三部分组成，沉箱可作贮油罐优点：重量比混凝土轻预制过程中对水哉要求不高拖船马力小对地基承载力要求不高缺点：贮油量用钢多，易腐蚀钢质重力式平台由于整个结构比较大，一般先在岸边开挖的泥坞中建造基座，再拖往有掩护的深水区接高，然后浮运至现场，加载下沉。目前这种平台一般是作为海底贮油罐或用于钻采海底石油。其主要特点是抵御风暴及波浪袭击的能力强，结构耐久和维护费用低，但需开挖岸边坞坑，并要有近岸深水施工水域，结构高度因此受到限制。重力式平台的结构特点与组成平台由沉垫、立柱、甲板三部分组成。Ø沉垫有多种形式：圆形、六角形、正方形Ø立柱有：三腿、四腿、独腿等几种Ø甲板有钢质和混凝土两种重力式平台的结构特点与组成第二节固定式钻井平台一、导管架平台的结构组成二、导管架平台的海上安装三、重力式平台的结构特点与组成四、张力式平台的结构特点与组成五、绷绳塔式平台的结构特点与组成固定式钻井平台——张力腿式张力腿式钻井平台张力式（又称张力腿式）平台本身是一个浮动平台，平台的贮备浮力远远大于平台的重力，靠缆绳或锚链(称作张力腿)的张力将平台与事先固定在海底的锚桩拉紧，平衡一部分浮力，并使平台较好地固定在海面上。这种非刚性地连接，不仅可减小平台的摇摆和倾斜，而且由海底地震引起的海床运动，也在到达平台之前被大大减弱了。张力式平台的结构特点与组成张力腿式钻井平台（TLP）是一种垂直系泊的顺应式平台，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。其所用锚索绷紧成直线，不是悬垂曲线，钢索的下端与水底不是相切的，而是几乎垂直的。用的是桩锚(即打入水底的桩为锚)或重力式锚(重块)等，不是一般容易起放的抓锚。张力式平台的结构特点与组成张力腿式钻井平台（TLP）的重力小于浮力，所相差的力量可依靠锚索向下的拉力来补偿，而且此拉力应大于由波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。自1954年提出设想，英国北海Hutton油田首次于生产中使用此平台，1983年安装，84年投产。张力式平台的结构特点与组成它一般由五大部分组成，分别是平台上体、立柱（含横撑和斜撑）、下体（沉箱）、张力腿系泊系统和锚固基础。通常将平台上体、立柱及下体并称为平台本体。下面，以第一代张力腿平台AugerTensionLegPlatform为例，简要地介绍张力腿平台的总体结构。张力式平台的结构特点与组成左图是一座第一代张力腿平台的总体结构示意图。这种张力腿平台的布局俯视一般都呈矩形或三角形，平台上体位于水面以上，通过4根或3根立柱与下体连接，立柱一般为圆柱形结构，是平台波浪力和海流力的主要承受部件，其主要作用是提供给平台本体必要的结构刚度。张力式平台的结构特