海洋石油鉆井設(shè)備與工藝

1、海洋石油鉆井設(shè)備與工藝東北石油大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 楊松山第一章 海洋鉆井概述 隨著人類對(duì)油氣資源開發(fā)利用的深化，油隨著人類對(duì)油氣資源開發(fā)利用的深化，油氣勘探開發(fā)從陸地轉(zhuǎn)入海洋。因此，鉆井氣勘探開發(fā)從陸地轉(zhuǎn)入海洋。因此，鉆井工程作業(yè)也必須在灝翰的海洋中進(jìn)行。在工程作業(yè)也必須在灝翰的海洋中進(jìn)行。在海上進(jìn)行油氣鉆井施工時(shí)，幾百噸重的鉆海上進(jìn)行油氣鉆井施工時(shí)，幾百噸重的鉆機(jī)要有足夠的支撐和放置的空間，同時(shí)還機(jī)要有足夠的支撐和放置的空間，同時(shí)還要有鉆井人員生活居住的地方，海上石油要有鉆井人員生活居住的地方，海上石油鉆井平臺(tái)就擔(dān)負(fù)起了這一重任。由于海上鉆井平臺(tái)就擔(dān)負(fù)起了這一重任。由于海上氣候的多變、海上風(fēng)浪和

2、海底暗流的破壞，氣候的多變、海上風(fēng)浪和海底暗流的破壞，海上鉆井裝置的穩(wěn)定性和安全性更顯重要。海上鉆井裝置的穩(wěn)定性和安全性更顯重要。第一節(jié) 海洋鉆井平臺(tái) 海洋鉆井平臺(tái)（drilling platform）就是用于海洋 鉆井的一種大型海上結(jié)構(gòu)物。平臺(tái)上裝有鉆機(jī)及動(dòng)力系統(tǒng)、通訊導(dǎo)航設(shè)備、安全救生和人員生活設(shè)施。是海上油氣勘探開發(fā)不可缺少的手段。海洋鉆井平臺(tái)主要分為移動(dòng)式平臺(tái)和固定式平臺(tái)兩大類：（1）移動(dòng)式平臺(tái)：坐底式平臺(tái)、自升式平臺(tái)、鉆井船、半潛式平臺(tái)、張力腿式平臺(tái)、牽索塔式平臺(tái) 。（2）固定式平臺(tái)：導(dǎo)管架式平臺(tái)、混凝土重力式平臺(tái)、深水順應(yīng)塔式平臺(tái)等。 1）自升式鉆井平臺(tái)）自升式鉆井平臺(tái) 自升式鉆井

3、平臺(tái)由平臺(tái)、樁腿和升降機(jī)構(gòu)組成，平臺(tái)能沿樁腿升降，一般無自航能力。工作時(shí)樁腿下放插入海底，平臺(tái)被抬起到離開海面的安全工作高度，并對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證平臺(tái)遇到風(fēng)暴時(shí)樁腿不致下陷。完井后平臺(tái)降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個(gè)平臺(tái)浮于海面，由拖輪拖到新的井位。1953年美國(guó)建成第一座自升式平臺(tái)，這種平臺(tái)對(duì)水深適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性良好，發(fā)展較快，約占移動(dòng)式鉆井裝置總數(shù)的12。我國(guó)自行制造的自升式鉆井平臺(tái)“渤海一號(hào)”平臺(tái)的四根樁腿是由圓形的鋼管做成的，樁腿的高度有七十多米，升降裝置是插銷式液壓控制機(jī)構(gòu)。該型鉆井平臺(tái)造價(jià)較低、運(yùn)移性好、對(duì)海底地形的適應(yīng)性強(qiáng)，因而，我國(guó)海上鉆井多使用自升式鉆井平臺(tái)。 鉆井

4、平臺(tái)樁腿的高度總是有限的，為解決在深海區(qū)的鉆井問題，又出現(xiàn)了漂浮在海面上的鉆井浮船。 2）半潛式鉆井平臺(tái)）半潛式鉆井平臺(tái) 半潛式鉆井平臺(tái)由坐底式平臺(tái)發(fā)展而來，上部為工作甲板，下部為兩個(gè)下船體，用支撐立柱連接。工作時(shí)下船體潛入水中，甲板處于水上安全高度，水線面積小，波浪影響小，穩(wěn)定性好、自持力強(qiáng)、工作水深大，新發(fā)展的動(dòng)力定位技 術(shù)用于半潛式平臺(tái)后，工作水深可達(dá)900-1200米。半潛式與自升式鉆井平臺(tái)相比，優(yōu)點(diǎn)是工作水深大，移動(dòng)靈活；缺點(diǎn)是投資大，維持費(fèi)用高，需有一套復(fù)雜的水下器具，有效使用率低于自升式鉆井平臺(tái)。到目前為止，半潛式鉆井平臺(tái)已經(jīng)經(jīng)歷了第一代到第六代的歷程。 3）鉆井浮船）鉆井浮船

5、鉆井浮船是浮船式鉆井平臺(tái)，它通常是在機(jī)動(dòng)船或駁船上布置鉆井設(shè)備。平臺(tái)是靠錨泊或動(dòng)力定位系統(tǒng)定位。按其推進(jìn)能力，分為自航式、非自航式；按船型分，有端部鉆井、舷側(cè)鉆井、船中鉆井和雙體船鉆井；按定位分，有一般錨泊式、中央轉(zhuǎn)盤錨泊式和動(dòng)力定位式。浮船式鉆井裝置船身浮于海面，易受波浪影口響，但是它可以用現(xiàn)有的船只進(jìn)行改裝，因而能以最快的速度投入使用。鉆井船的排水量從幾千噸到幾萬噸不等，它既有普通船舶的船型和自航能力，又可漂浮在海面上進(jìn)行石油鉆井。由于鉆井船經(jīng)常處于漂浮狀態(tài)，當(dāng)遇到海上的風(fēng)、浪、潮時(shí)，必然會(huì)發(fā)生傾斜、搖擺、平移和升降現(xiàn)象，因此鉆井船的穩(wěn)定性是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。目前，海上鉆井船的定位常用的

6、是拋錨法，但該方法一般只適用于200m以內(nèi)的水深，水再深時(shí)需用動(dòng)力自動(dòng)定位方法。 鉆井浮船 半潛式鉆井平臺(tái) 自升式鉆井平臺(tái) 潛入式鉆井平臺(tái) 陸地鉆機(jī)Drillship Semisubmersible Jackup Submersible Land rig 第二節(jié)第二節(jié) 海洋石油鉆機(jī)海洋石油鉆機(jī) 海上鉆井因海水層中有海流方向的變化及潮汐的落差，因此，海上鉆井設(shè)備必須 特別設(shè)計(jì)制造，以克服在海上作業(yè)的困擾。 海上與陸地鉆井的主要差異在于工作環(huán)境不同，在暴風(fēng)雨、洋流、風(fēng)力、化學(xué)腐 蝕，寒冷環(huán)境下鋼材的強(qiáng)度、水深及鉆井成本等諸多問題，海洋鉆機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)均需考慮。 陸地鉆機(jī)伴隨著陸地油氣田向海洋的延伸而走

7、進(jìn)海洋石油開發(fā)領(lǐng) 域，不斷發(fā)展和更新，逐漸形成了一個(gè)獨(dú)立的體系、獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，并擁有自 己的名稱海洋石油鉆機(jī)在海洋油氣開發(fā)中扮演著重要的角色。 海洋鉆機(jī)相對(duì)于陸地鉆機(jī)的特殊性海洋鉆機(jī)相對(duì)于陸地鉆機(jī)的特殊性: 平臺(tái)上作業(yè)區(qū)域的局限性（緊湊） 平臺(tái)對(duì)載荷的要求（載荷冶煉、制造） 水深增加所提出的要求（相關(guān)設(shè)備的配套、效率） 抵御環(huán)境因素的不利影響（腐蝕、溫度、距離） 適應(yīng)浮式鉆井的特殊要求（運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償） 滿足相應(yīng)法律、法規(guī)的強(qiáng)制性要求 滿足用戶的要求（實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控） 海洋鉆機(jī)的典型型式: 常規(guī)鉆機(jī) 半自動(dòng)化鉆機(jī) 全自動(dòng)化鉆機(jī) 雙區(qū)作業(yè)鉆機(jī) 常規(guī)鉆機(jī)常規(guī)鉆機(jī) 以機(jī)旁操控、人員協(xié)同作業(yè)為主，除標(biāo)準(zhǔn)鉆井設(shè)備

8、外（絞車、 頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、BOP（blowout preventer 防噴器。），不含有輔助的機(jī)械化設(shè)備（鉆桿連接、鉆桿排放、鉆桿運(yùn)輸?shù)龋┖妥詣?dòng)化儀表。 特點(diǎn)： 可靠性高 設(shè)備投資少、維護(hù)費(fèi)用低 對(duì)操作人員的技能和素質(zhì)要求相對(duì)較低 安全性差 勞動(dòng)強(qiáng)度高 作業(yè)效率低 人工成本高（發(fā)達(dá)國(guó)家或高福利國(guó)家）半自動(dòng)化鉆機(jī) 相對(duì)于常規(guī)鉆機(jī)，在鉆臺(tái)上添加了部分機(jī)械設(shè)備和工具，如： 液壓大鉗 機(jī)械手 系統(tǒng)之間不能聯(lián)動(dòng)、不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程綜合控制 全自動(dòng)化鉆機(jī) 常規(guī)鉆機(jī)的基本構(gòu)架上，將所有人工操作的作業(yè)項(xiàng)目通過機(jī)械來完 成，設(shè)備的動(dòng)作由程序控制，操作員在司控房?jī)?nèi)實(shí)施遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn) 作業(yè)區(qū)域無人化。 目前，部分新型鉆井平臺(tái)上已開始采用鉆井自動(dòng)化系統(tǒng)。 該系統(tǒng)的特點(diǎn)是用機(jī)械替代人的雙手，用程序控制機(jī)械的動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的自動(dòng)化。鉆井工程師在司鉆房?jī)?nèi)通過手柄、觸摸屏和顯示屏進(jìn)行鉆井作業(yè)的監(jiān)視和控制。 增加的主要設(shè)備和系統(tǒng)有： 關(guān)節(jié)吊（吊裝甲板上的鉆桿） 貓道機(jī)（水平運(yùn)輸鉆桿） 鷹吊（將鉆桿從水平位置變?yōu)榇怪蔽恢茫?垂直排管系統(tǒng)（柱式、橋吊式、星型） 鐵鉆工（鉆桿拆/接）、鼠