移動式鉆井裝置的類型

移動式鉆井裝置的類型

0流動觀測裝置移動鉆井裝置是指漂浮在水中或水下的海上油氣勘探和生產設施，可以從一個井轉移到另一個井。移動式鉆井裝置按支承情況可分為著底型移動式鉆井裝置和浮動型移動式鉆井裝置兩類。自1949年以來,移動式鉆井裝置先后出現五種主要類型:坐底式平臺、半潛式平臺、自升式平臺、鉆井船和圓筒型平臺,有各自不同的特點和特定的作業(yè)功能,適應不同的工作環(huán)境和使用條件。針對不同海洋環(huán)境,不同類型的移動式鉆井裝置在現代海洋油氣資源開發(fā)活動中發(fā)揮著各自獨特的作用。1各種移動式鉆床的結構特征和工作特點1.1平臺及平臺方面坐底式平臺是一種由沉墊(下船體)、工作平臺(上船體、工作甲板)以及連接兩部分的立柱支撐結構(中間支撐結構)所組成的平臺,它適用于河口、海灣和內海等海岸以及沿海淺灘地帶等潮差帶淺水水域。上船體用于安置生活艙室和設備,通過平臺開口借助懸臂結構鉆井;沉墊主要是用作壓載艙以及起到平臺海底基座的作用。鉆井裝置的坐底式平臺在到達工作地點后往沉墊(壓載艙)內注水,使它坐落于海底;完成作業(yè)后則抽掉沉墊內的壓載水而使平臺重新浮于海上,以便拖航到新的工作地區(qū)?？紤]到拖航穩(wěn)性和平臺結構等方面,坐底式平臺的立柱支撐結構不能設計得太高,因此這類平臺最大作業(yè)水深約30m。坐底式平臺主要在潮差帶和海床平坦的淺海海域進行油氣勘探開發(fā)作業(yè),這些地區(qū)的作業(yè)特點要求在進行坐底式平臺設計時,平臺必須能自由進出淺海海域,在地質條件不佳的海底作業(yè)時不移位、作業(yè)完成后能浮起等基本操作功能;同時,對以下問題必須予以重點考慮:(1)防沖刷和淘空。沉墊坐落海底后,水流的長期作用會對沉墊基礎產生沖刷和淘空,嚴重時甚至造成平臺傾斜和滑移。如何采取措施防止沉墊基礎被沖刷和淘空已成坐底式平臺一個關鍵技術問題。(2)抗滑移。與自升式平臺或其他依靠錨泊系統(tǒng)定位的浮式鉆井裝置不同,坐底式平臺主要靠沉墊底面與海底產生的摩擦力和粘結力來平衡平臺在風、浪、流作用下所產生的水平載荷。這樣的摩擦力和粘結力往往不足以抵御極限環(huán)境條件下平臺所承受的水平載荷。為確保平臺具有足夠的抗滑移能力,設計人員常采取在平臺中填砂石、設置抗滑樁等措施。(3)平臺水平姿態(tài)的調整。海床傾斜、基礎沉降不均勻以及沖刷等都會造成平臺傾斜,坐底式平臺必須設置鉆井裝置的調平機構以保證井架和平臺保持正立的姿態(tài),這樣才能確保鉆井作業(yè)的安全。(4)平臺的起浮。坐底式平臺在一個海區(qū)作業(yè)較長時間后,沉墊與海底土壤產生很強的粘結力和吸附力,使平臺排水起浮發(fā)生困難。為解決這一問題,部分平臺會在沉墊底部設置水流沖刷裝置來破壞沉墊底部的粘結力和吸附力,使平臺容易起浮。雖然坐底式平臺出現時間較早且存在對海底地基要求高、適應水深能力差等缺陷,但由于它在淺海油氣資源開發(fā)中起著其他類型移動式鉆井裝置無法替代的特殊作用,因此其目前依然活躍在海洋油氣勘探領域。1.2樁腰長度有限自升式平臺又稱甲板升降式或樁腿式平臺。這種移動式平臺帶有能夠自由升降的樁腿,鉆井時樁腿或沉墊著底,利用樁腿托起船體平臺,并使船體平臺底部離開海面一定的距離。自升式平臺一般不能自航,平臺需要移位時只需收回樁腿,平臺就像駁船一樣處于漂浮狀態(tài),然后由拖輪把它拖移、或用半潛駁將其拖運到新的井位。船體平臺上裝鉆井機械、動力、器材、居住設備以及若干可升降樁腿。自升式平臺的優(yōu)點主要是結構簡單、所需鋼材少、造價低、定位能力強、作業(yè)穩(wěn)定性好、能適應大陸架各種不同的海況和不同的海底地質條件;其缺點是樁腿長度有限,使它的工作水深受到限制(大部分自升式平臺的工作水深在120m以內,現有的自升式平臺最大工作水深已經達到168m)。超過一定水深后,樁腿質量增加很快,同時拖航時樁腿升得過高,對平臺拖航和漂浮穩(wěn)性以及樁腿的強度都產生不利的影響。這類平臺主要用于在大陸架進行海洋油氣資源勘探的鉆井裝置。目前世界上共有現役自升式平臺大約380座,占移動式鉆井裝置總量約60~70%,其中作業(yè)水深大于120m的有20多座。隨著海洋油氣田開發(fā)的重點向深水推移,最大作業(yè)水深超過100m的深水自升式鉆井平臺也已經逐漸成為新建造的自升式鉆井平臺的主要類型。獨立腿型自升式平臺是目前使用較多的一類自升式鉆井平臺。這類平臺由船體平臺和樁腿組成,各樁腿互相獨立,不相連接,整個平臺的質量由各樁腿分擔支承,樁腿底部常設有樁靴(因此有時也稱為樁靴型自升式平臺)。樁腿結構形式有柱體式和桁架式兩類,柱體式一般用于作業(yè)水深較淺(小于60m)的海域;而桁架式樁腿更適用于深水。一般來說,獨立腿型自升式平臺雖可在任何地方工作,但通常更適用于硬土區(qū)、珊瑚區(qū)或不平整的海底。由于樁腿數目越少、所受的波浪、海流等的環(huán)境載荷也小,所需升降裝置數目也可相應減少,目前用于深水作業(yè)的自升式平臺多采用桁架式三樁腿形式。2006年建造的“海洋石油941”號自升式鉆井平臺是目前國內較先進的自升式鉆井平臺。由美國F&G公司設計、大連船舶重工集團有限公司建造,平臺最大作業(yè)水深為122m,采用三根長度為167m的桁架式樁腿。2010年,由南通中遠船務工程有限公司為美國RemedialOffshore公司建造的“瑞美蒂”號自升式海洋平臺是世界首艘具有自航能力的自升式海洋平臺。1.3結構形式及平臺特點半潛式平臺是一種大部分浮體沉沒在水下的小水線面移動式鉆井裝置,它由坐底式鉆井平臺演變而成。半潛式平臺由上層平臺、立柱和下體或浮箱組成。此外,早期的半潛式平臺在下體與下體、立柱與立柱、立柱與平臺本體之間還有若干支撐與斜撐連接。平臺上設有鉆井機械設備、器材和生活艙等,供鉆井作業(yè)用。上層平臺高出水面一定高度,以避免波浪的砰擊;下體或浮箱提供主要浮力,它沉沒于水下以減少波浪的擾動力;上層平臺與下體之間的立柱具有小水線的剖面,立柱與立柱之間、立柱與中心線的距離都設計得比較大,從而保證平臺具有足夠的漂浮穩(wěn)性,因此這類平臺又稱為穩(wěn)定式立柱平臺。半潛式平臺的類型有多種,其主要差別在于水下浮體的式樣與數目。按下體的式樣一般可分為下體式和沉箱式兩類。半潛式平臺最大的特點是在波浪中的運動響應小、鉆井作業(yè)穩(wěn)定性好、移動靈活、適應性強、能夠在不同水深的海域工作;其缺點是造價高、不能自航或自航速度低。在現代科學技術進步的推動下,在海洋油氣資源開發(fā)的重點逐步向深海推進的背景下,半潛式平臺的鉆探能力與作業(yè)功能自從其第一艘這一類型的平臺出現至今的50年時間有了巨大的提升。半潛式平臺已經從第一代發(fā)展到了第六代,最大作業(yè)水深也由原來的100m發(fā)展到現在超過3000m。近年來出現的第五代、第六代半潛式平臺的技術水平已經完全不是當年的“藍水1號”所能比擬的。(1)第一代是20世紀60年代初,以“藍水1號”為代表的半潛式平臺,這一代平臺的結構特征是穩(wěn)定立柱和撐桿數量很多。沉箱型平臺的每根立柱下方設一個下體,作業(yè)水深為90~180m,采用懸鏈線形式的錨泊系統(tǒng)來定位。(2)第二代半潛式平臺出現在1969~1974年間,其結構特征、鉆井工藝與定位方式與第一代相似,平臺最大鉆探深度為7620m(25000ft),最大作業(yè)水深大約在300m(1000ft)左右。(3)第三代半潛式平臺出現在20世紀80年代初,平臺的穩(wěn)定立柱和撐桿數量比前兩代減少、立柱直徑增大。這一代平臺的最大作業(yè)水深大約在500m(1500ft)左右,最大鉆探深度為7620m(25000ft),采用錨泊系統(tǒng)定位。(4)第四代半潛式平臺出現在20世紀90年代,環(huán)形浮體在這一代平臺中開始采用,平臺的最大作業(yè)水深大約在1000m(3000ft)左右,最大鉆探深度為9144m(30000ft),采用錨泊系統(tǒng)為主進行平臺定位,推進器輔助定位。(5)第五代半潛式平臺出現在1998~2004年,這一代平臺多采用少節(jié)點、無斜撐的簡單外形結構,平臺的最大作業(yè)水深大約在2500m(7500ft)左右,最大鉆探深度為10668m(35000ft),采用動力定位系統(tǒng)為主、錨泊系統(tǒng)為輔的方式進行平臺定位。(6)作為目前世界上最先進的第六代半潛式平臺出現在2005年以后,這一代平臺幾乎完全取消了撐桿和節(jié)點,立柱數量減少而增大立柱截面積,以此來提高平臺的漂浮穩(wěn)性。其下浮體大多采用口形等形式的環(huán)形浮體或大尺度的雙浮體的簡單箱形結構,以此手段簡化建造工藝、提高平臺在深海作業(yè)的強度和平臺的裝載量。第六代平臺的最大作業(yè)水深大約在3000m(10000ft)左右,最大鉆探深度為15240m(50000ft),平臺采用“錨泊定位系統(tǒng)+動力定位系統(tǒng)”相結合的優(yōu)化節(jié)能定位模式來進行定位。由中國船舶及海洋工程設計研究院和上海外高橋造船有限公司聯合設計、由上海外高橋造船有限公司建造的第六代深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”號的投入使用,標志著我國在超深水半潛式平臺設計和建造領域已取得重大突破。1.4動力系統(tǒng)在淡水動力環(huán)境下的應用鉆井船是以浮在水面的狀態(tài)進行作業(yè)的移動式鉆井裝置。鉆井船可以采用錨泊系統(tǒng)或動力定位系統(tǒng)定位。由于鉆井船是浮于海面作業(yè),易受波浪影響,它的耐波性能就不如半潛式平臺,即使遇到較小的波浪也會產生一定的搖蕩運動,因此對其鉆井作業(yè)效率有一定的影響。為了提高鉆井船的定位能力,工程技術人員此后又相繼設計了雙體式、中央轉盤錨泊式和舷外浮體式等形式的鉆井船,以改善鉆井船在風浪中的穩(wěn)定性能。但是這些措施都只能在某種程度上提升鉆井船的穩(wěn)定性能,無法從根本上解決鉆井船在環(huán)境條件比較惡劣的深海海域鉆井作業(yè)時維持鉆井船持久穩(wěn)定定位的問題。20世紀60年代后期,動力定位系統(tǒng)在鉆井船上的應用,較好地解決了鉆井船在惡劣海洋環(huán)境條件下長時間的穩(wěn)定定位問題。經過幾十年的發(fā)展,目前鉆井船動力定位系統(tǒng)的技術已經日趨成熟,其能確保鉆井船無論是在淺水還是深水都可以保持良好的穩(wěn)定狀態(tài),從而也保證鉆井船在不同海況下都能從事正常的鉆井作業(yè)。2010年8月,世界上最大深水鉆井船“大連開拓者”號在大連中遠船務工程有限公司開工建造。該船的建造打破了韓國壟斷全球深水鉆井船市場的局面。目前全世界共有約40條現役鉆井船。1.5主船平臺的設計和實現2009年11月,中遠船務工程集團有限公司建造的“希望1號”正式交付使用,它是全球第一艘圓筒型海洋鉆井平臺。該平臺總高135m、圓筒直徑84m、鉆臺高度44.5m、空船質量28180t、設計吃水12.5~15m、設計最大作業(yè)水深3800m、鉆井深度12000m,平臺配置DP-3動力定位系統(tǒng)并通過8臺推進器為其提供作業(yè)過程中的定位能力,實時定位誤差為厘米(cm)量級。該平臺可以適應北海-20℃的惡劣海況,甲板可變載荷為15000t,生活區(qū)可容納150人居住。該平臺兼具鉆探和儲油的功能,擁有15萬桶原油的存儲能力?！跋Ｍ?號”主船體采用可抵抗巨大風浪能力的圓筒型整體結構設計。在船體外形方面,其水下部分除了圓筒體之外,還作了一個外展設計,既降低了船身的重心高度,又增加平臺的穩(wěn)性,使其在極端惡劣海況下仍具有很強的穩(wěn)定性能。2鉆井裝置的多樣性坐底式平臺、半潛式平臺、自升式平臺、鉆井船和圓筒型平臺是目前移動式鉆井裝置五種主要類型,不同類型的鉆井裝置有各自不同的特點和特定的作業(yè)功能、適應于不同的工作環(huán)境和使用條件,在各自發(fā)展過程中也體現著它們之間的傳承和演變。對于特定的海上油氣田勘探工程,設計使用者可以根據油氣田特定的工作環(huán)境以及不同類型平臺的結構特點來選擇合適的移動式鉆井裝置。2.1特海底作業(yè)平臺由于結構形式的限制,坐底式平臺多工作于水深小于20m左右的近海海域或封閉海域。盡管它發(fā)展較早、對海底地基要求較高、現役平臺數量不多,但是由于它在海洋油氣資源開發(fā)活動中具有其他類型移動式鉆井裝置所不具備的特淺海作業(yè)能力,因此這類平臺目前還有其特定的生存環(huán)境與空間。如在我國渤海的淺海和在海陸過渡地帶的海域油氣資源勘探中,坐底式平臺正發(fā)揮著其他類型的移動式鉆井裝置所不可替代的作用,如我國近年來研發(fā)和應用的“勝利二號”極淺海步行坐底式鉆井平臺、“中油海3”和“中油海33”號,就是很好的例證。2.2自升式平臺的作業(yè)深度進展自升式平臺是目前勘探水深小于100m大陸架油氣田所使用的主流鉆井裝置,由于它具有結構簡單、造價和作業(yè)費用低、作業(yè)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢,在現有的移動式鉆井裝置中自升式平臺的數量所占的比例最大。這類平臺絕大部分不具備自航能力,需要以拖航或半潛駁浮運的方式來移位。較半潛式平臺而言,自升式平臺在近二三十年的發(fā)展中,其結構特征、作業(yè)方式并未發(fā)生本質變化。但是,隨著市場對自升式平臺向深水海域推進要求呼聲的增加,設計研究人員通過采用高強度鋼等以降低平臺自重,研發(fā)出齒條鎖定系統(tǒng)或齒輪齒條升降裝置固樁技術以平衡樁腿所受的環(huán)境載荷彎距,運用三角形桁架三樁腿結構以降低作用在樁腿的水動力載荷,配備移動范圍更大懸臂梁系統(tǒng)以提高其就位后的鉆井能力等措施,使自升式平臺的深水作業(yè)能力取得一定突破,自升式平臺的最大作業(yè)水深有逐步增大的趨勢。近年來新建的自升式平臺大部分是能在106.7m(350ft)或更深處工作的深水自升式平臺,最大作業(yè)水深已達到168m,而且還有繼續(xù)提高的傾向。2.3平臺采用錨泊系統(tǒng)及動力系統(tǒng)相結合的優(yōu)化節(jié)能系統(tǒng)在世界各國將海洋油氣開發(fā)重點逐步向深海推進的大背景下,半潛式平臺由于在開闊的海洋環(huán)境中運動響應小、穩(wěn)定性好的特點而備受石油公司青睞,是近年來五類移動式鉆井裝置中技術更新最快、演變類型最多、勘探鉆井能力提高最顯著的一類平臺。半潛式平臺迄今已經演變成第六代,第七代半潛式平臺目前也在研發(fā)設計中。由于新型半潛式平臺主要面向遠離陸地的開闊海域的深海工作,鉆井周期較長,需要在天氣和海況惡劣的條件下進行作業(yè),為適應這些要求,最新型的第六代半潛式平臺主要有以下特點:(1)采用甚高強度鋼以降低平臺自重比例,提高平臺承載可變載荷在平臺總排水量的比重。部分平臺的甲板可變載荷已經接近10000t。(2)采用少節(jié)點、無斜撐、圓立柱或者圓角方立柱的簡單外形結構,立柱數量適當減少而增大立柱截面積,從而達到減少波浪載荷、提高漂浮穩(wěn)性、增強平臺安全性、增大惡劣天氣條件下的作業(yè)能力和自持能力、降低建造費用的目的。這些結構特點也為平臺設置大的甲板空間以適應其需要在遠海長期工作的需求提供了基礎條件。(3)由于與在水深小于300~400m水域工作的第一代半潛式平臺采用“錨鏈+拋設錨”組成的懸鏈線形式的錨泊系統(tǒng)有很大的差異,第六代半潛式平臺采用錨泊定位系統(tǒng)+動力定位系統(tǒng)相結合的優(yōu)化節(jié)能定位模式:在深海作業(yè)時,采用錨泊定位系統(tǒng)+動力定位系統(tǒng)相結合的模式;在超深海作業(yè)時,則采用完全動力定位模式。第六代半潛式平臺的錨泊定位系統(tǒng)多為“樁錨+錨鏈-鋼絲繩組合”的張緊式系泊方式。由于動力定位系統(tǒng)具有耗能多、精度高,而錨泊定位系統(tǒng)具有耗能少、可靠性高、精度低的特點,在開闊深海鉆井周期較長、天氣比較惡劣的條件下進行作業(yè),第六代半潛式平臺采用錨泊定位系統(tǒng)+動力定位系統(tǒng)相結合的優(yōu)化節(jié)能定位模式,可以充分發(fā)揮兩種定位系統(tǒng)的各自優(yōu)勢,使平臺在保證其定位精度的前提下大幅度降低作業(yè)成本。(4)為適應半潛式平臺需要在深遠海作業(yè)的特定需要,為提高鉆井作業(yè)效率,裝備了新一代的先進鉆井設備,采取雙聯井架主輔井口鉆井作業(yè)方式。(5)第六代半潛式平臺具有很強的高科技特征,它所面對的是要求在深海域的惡劣海況下接近具有全天候的工作能力。其投資成本和作業(yè)費用巨大。據報道,作業(yè)水深約為2300~3000m的半潛式鉆井平臺平均日租費用大致為30萬~100萬美元之間,而在墨西哥灣作業(yè)的自升式平臺日費率約為5萬~6萬美元。因此,在勘探性鉆井階段前期,通過地質調查、地球物理勘探等手段對油田的評估與可行性分析以提高半潛式平臺鉆井的成功率顯得尤為重要。2.4海底作業(yè)的鉆井船鉆井船的優(yōu)點是:它所受阻力較其他型式的浮式鉆井裝置(移位狀態(tài)的坐底式平臺、自升式平臺和半潛式平臺等)小、航行速度快、有利于快速移位,對可變載荷的變化沒有半潛式平臺敏感等。同時,它的排水量和船內空間大,能裝載較多的鉆井機械設備和作業(yè)器材,它可比半潛式平臺承載更多的作業(yè)工具和物資。此外,在深海作業(yè)時,鉆井船還具備了半潛式平臺所沒有的優(yōu)勢:鉆井船船體本身還可以提供很大容量的儲油能力。例如,“大連開拓者”號就具備100萬桶的儲油能力。這些特點讓鉆井船在深海作業(yè)時可大大減少對海洋工程輔助船舶的依賴。與第六代半潛式平臺一樣,部分深海作業(yè)的鉆井船也開始采用雙聯井架主輔井口鉆井作業(yè)方式。鉆井船的主要缺點是:甲板使用面積相對較小,對風浪等海洋環(huán)境因素的動態(tài)響應比較敏感,整體穩(wěn)性差,在惡劣環(huán)境條件下停工率高,結構設計與操作不當容易引起事故等。此外,鉆井船作業(yè)費用高昂也成為業(yè)主進行深海油氣鉆井勘探選型中必須考慮的一個重要方面。據有關方面統(tǒng)計,目前工作水深在1200m以下的鉆井船日均租金約為26萬美元,工作水深超過1200m的日均租金約為38