海洋石油钻井设备与工艺

海洋石油钻井设备与工艺东北石油大学机械学院杨松山第一章海洋钻井概述•随着人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地转入海洋。因此，钻井工程作业也必须在灏翰的海洋中进行。在海上进行油气钻井施工时，几百吨重的钻机要有足够的支撑和放置的空间，同时还要有钻井人员生活居住的地方，海上石油钻井平台就担负起了这一重任。由于海上气候的多变、海上风浪和海底暗流的破坏，海上钻井装置的稳定性和安全性更显重要。第一节海洋钻井平台海洋钻井平台（drillingplatform）就是用于海洋钻井的一种大型海上结构物。平台上装有钻机及动力系统、通讯导航设备、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。海洋钻井平台主要分为移动式平台和固定式平台两大类：（1）移动式平台：坐底式平台、自升式平台、钻井船、半潜式平台、张力腿式平台、牵索塔式平台。（2）固定式平台：导管架式平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台等。•1）自升式钻井平台•自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，约占移动式钻井装置总数的1／2。我国自行制造的自升式钻井平台“渤海一号”平台的四根桩腿是由圆形的钢管做成的，桩腿的高度有七十多米，升降装置是插销式液压控制机构。该型钻井平台造价较低、运移性好、对海底地形的适应性强，因而，我国海上钻井多使用自升式钻井平台。•钻井平台桩腿的高度总是有限的，为解决在深海区的钻井问题，又出现了漂浮在海面上的钻井浮船。2）半潜式钻井平台半潜式钻井平台由坐底式平台发展而来，上部为工作甲板，下部为两个下船体，用支撑立柱连接。工作时下船体潜入水中，甲板处于水上安全高度，水线面积小，波浪影响小，稳定性好、自持力强、工作水深大，新发展的动力定位技术用于半潜式平台后，工作水深可达900-1200米。半潜式与自升式钻井平台相比，优点是工作水深大，移动灵活；缺点是投资大，维持费用高，需有一套复杂的水下器具，有效使用率低于自升式钻井平台。到目前为止，半潜式钻井平台已经经历了第一代到第六代的历程。3）钻井浮船钻井浮船是浮船式钻井平台，它通常是在机动船或驳船上布置钻井设备。平台是靠锚泊或动力定位系统定位。按其推进能力，分为自航式、非自航式；按船型分，有端部钻井、舷侧钻井、船中钻井和双体船钻井；按定位分，有一般锚泊式、中央转盘锚泊式和动力定位式。浮船式钻井装置船身浮于海面，易受波浪影口响，但是它可以用现有的船只进行改装，因而能以最快的速度投入使用。钻井船的排水量从几千吨到几万吨不等，它既有普通船舶的船型和自航能力，又可漂浮在海面上进行石油钻井。由于钻井船经常处于漂浮状态，当遇到海上的风、浪、潮时，必然会发生倾斜、摇摆、平移和升降现象，因此钻井船的稳定性是一个非常关键的问题。目前，海上钻井船的定位常用的是抛锚法，但该方法一般只适用于200m以内的水深，水再深时需用动力自动定位方法。钻井浮船半潜式钻井平台自升式钻井平台潜入式钻井平台陆地钻机DrillshipSemisubmersibleJackupSubmersibleLandrig第二节海洋石油钻机海上钻井因海水层中有海流方向的变化及潮汐的落差，因此，海上钻井设备必须特别设计制造，以克服在海上作业的困扰。•海上与陆地钻井的主要差异在于工作环境不同，在暴风雨、洋流、风力、化学腐蚀，寒冷环境下钢材的强度、水深及钻井成本等诸多问题，海洋钻机在设计时均需考虑。•陆地钻机伴随着陆地油气田向海洋的延伸而走进海洋石油开发领域，不断发展和更新，逐渐形成了一个独立的体系、独立的标准，并拥有自己的名称——海洋石油钻机在海洋油气开发中扮演着重要的角色。••海洋钻机相对于陆地钻机的特殊性:••平台上作业区域的局限性（紧凑）••平台对载荷的要求（载荷→冶炼、制造）••水深增加所提出的要求（相关设备的配套、效率）••抵御环境因素的不利影响（腐蚀、温度、距离）••适应浮式钻井的特殊要求（运动补偿）••满足相应法律、法规的强制性要求••满足用户的要求（实现远程操控）•海洋钻机的典型型式:••常规钻机••半自动化钻机••全自动化钻机••双区作业钻机•常规钻机•以机旁操控、人员协同作业为主，除标准钻井设备外（绞车、顶驱、转盘、泥浆泵、BOP（blowoutpreventer防喷器。），不含有辅助的机械化设备（钻杆连接、钻杆排放、钻杆运输等）和自动化仪表。•特点：••可靠性高••设备投资少、维护费用低••对操作人员的技能和素质要求相对较低••安全性差••劳动强度高••作业效率低••人工成本高（发达国家或高福利国家）•半自动化钻机•相对于常规钻机，在钻台上添加了部分机械设备和工具，如：•液压大钳•机械手•系统之间不能联动、不能实现远程综合控制•全自动化钻机•常规钻机的基本构架上，将所有人工操作的作业项目通过机械来完成，设备的动作由程序控制，操作员在司控房内实施远程操作和监控，实现作业区域无人化。•目前，部分新型钻井平台上已开始采用钻井自动化系统。该系统的特点是用机械替代人的双手，用程序控制机械的动作，进而实现钻井作业的自动化。钻井工程师在司钻房内通过手柄、触摸屏和显示屏进行钻井作业的监视和控制。•增加的主要设备和系统有：•＋关节吊（吊装甲板上的钻杆）•＋猫道机（水平运输钻杆）•＋鹰吊（将钻杆从水平位置变为垂直位置）•＋垂直排管系统（柱式、桥吊式、星型）•＋铁钻工（钻杆拆/接）、鼠洞、液压动力卡瓦•＋防碰撞系统•＋CCTV系统•＋司钻房和钻井视图双区作业钻机••钻井设备包，包括：•1.井架、绞车、天车、游车、顶驱（转盘）、泥浆泵、大钩、水龙头。•2.钻台设备•3.钻杆运输系统•4.司控房•5.钻井仪表、控制软件•6.其它相关设备和工具钻井包