海洋环境及钻采工程 第十章

1、第十章第十章 海上钻井特殊工艺和装置海上钻井特殊工艺和装置第一节第一节 固定式平台钻井工艺与装备固定式平台钻井工艺与装备将将30导管通过水力喷射、打桩或钻井方式下入，从导管通过水力喷射、打桩或钻井方式下入，从而将平台和海底（地层）连接起来，钻井井口及开采时的而将平台和海底（地层）连接起来，钻井井口及开采时的采油树安装在平台上。其余钻井工艺与装备与陆地相同。采油树安装在平台上。其余钻井工艺与装备与陆地相同。过腿柱平台及其钻井工艺过腿柱平台及其钻井工艺 过腿柱井是指在海上平台的腿柱内所钻并完成的井。过腿柱井是指在海上平台的腿柱内所钻并完成的井。特点特点：免除了大直径单井导管；：免除了大直径单井导管

2、； 井不受特殊海况条件的影响；井不受特殊海况条件的影响； 有利于减轻平台重量和节省平台建造成本；有利于减轻平台重量和节省平台建造成本； 空间较小，可使用小井眼钻机，减小钻机的移动范围；空间较小，可使用小井眼钻机，减小钻机的移动范围； 多使用卡箍连接代替法兰连接。多使用卡箍连接代替法兰连接。直径直径120（3.048m）的腿柱内利用的腿柱内利用Grayloc紧紧固固连接器可安排连接器可安排12口井口井第二节第二节 座底式平台钻井工艺与装备座底式平台钻井工艺与装备一、泥线悬挂系统与井口回接一、泥线悬挂系统与井口回接泥线套管悬挂和套管支承系统是专门为座底式和自升式泥线套管悬挂和套管支承系统是专门为座

3、底式和自升式钻井平台而设计的一种装置，用于在泥线（即海底面）或在泥钻井平台而设计的一种装置，用于在泥线（即海底面）或在泥线以下为多层套管柱的安装、悬挂、拆卸和再次安装提供条件，线以下为多层套管柱的安装、悬挂、拆卸和再次安装提供条件，可允许钻井后的临时废弃。可允许钻井后的临时废弃。特点特点：套管柱重量支承在泥线处；：套管柱重量支承在泥线处；利用回接工具和同心套管柱从泥线伸到钻井平台；利用回接工具和同心套管柱从泥线伸到钻井平台；防喷器组安装在平台上；防喷器组安装在平台上；从泥线到平台间的管柱可以拆卸和重新安装。从泥线到平台间的管柱可以拆卸和重新安装。二、钻井施工二、钻井施工 1. 将外层导管柱（将

4、外层导管柱（30）用水力喷射、钻井或直接用气锤打）用水力喷射、钻井或直接用气锤打入就位，并根据海底条件将入就位，并根据海底条件将30导管头安装在相对于泥线适当导管头安装在相对于泥线适当的位置；的位置； 2. 利用回接管柱（利用回接管柱（ 30 ）将海底）将海底30导管与钻井平台相连，导管与钻井平台相连，并在平台上安装低压分流器；并在平台上安装低压分流器； 3. 下下26 钻头钻井，将钻头钻井，将20 套管柱用泥线悬挂器悬挂于套管柱用泥线悬挂器悬挂于20 导管的联顶环上，并进行固井；导管的联顶环上，并进行固井； (水泥返至平台，但水泥返至平台，但3020环空内的水泥必须冲洗干净环空内的水泥必须冲

5、洗干净) 4. 利用回接管柱（利用回接管柱（ 20 ）将海底）将海底20套管与钻井平台相连，套管与钻井平台相连，并在平台上安装水面井口和防喷器组；并在平台上安装水面井口和防喷器组； 5. 下下171/2钻头钻井、下钻头钻井、下133/8套管，注水泥、固井；套管，注水泥、固井； 下下121/4钻头钻井、下钻头钻井、下 9 5/8套管，注水泥、固井套管，注水泥、固井 下下 81/2钻头钻井、下钻头钻井、下 7套管，注水泥、固井套管，注水泥、固井分别将各层套管柱悬挂于泥线悬挂器上、固井，并根据分别将各层套管柱悬挂于泥线悬挂器上、固井，并根据具体需要利用回接管柱将泥线处套管与平台相连；具体需要利用回接

6、管柱将泥线处套管与平台相连； 6. 特殊情况下平台需撤离时，利用各套管柱的下入工具，特殊情况下平台需撤离时，利用各套管柱的下入工具，将每一层套管柱从各自的套管悬挂器上卸下并回收（从泥线到将每一层套管柱从各自的套管悬挂器上卸下并回收（从泥线到钻井平台），装上临时弃井帽或保护盖；重新安装时，当平台钻井平台），装上临时弃井帽或保护盖；重新安装时，当平台就位后，利用回接工具将平台与泥线悬挂器重新连接即可；就位后，利用回接工具将平台与泥线悬挂器重新连接即可；7 套管柱内需安装堵塞器；重新安装时，海底需要潜水员协套管柱内需安装堵塞器；重新安装时，海底需要潜水员协助！助！ 7. 完成钻井后，利用各套管柱的下

7、入工具，将每一层套管完成钻井后，利用各套管柱的下入工具，将每一层套管柱从各自的套管悬挂器上卸下并回收，将采油树安装在泥线悬柱从各自的套管悬挂器上卸下并回收，将采油树安装在泥线悬挂器上，成为水下采油井，也可利用回接工具将各层套管柱回挂器上，成为水下采油井，也可利用回接工具将各层套管柱回接到采油平台上，安装陆用采油树而成为常规采油井。接到采油平台上，安装陆用采油树而成为常规采油井。一、一、 升沉补偿装置升沉补偿装置F使用伸缩钻杆使用伸缩钻杆F钻柱升沉补偿装置钻柱升沉补偿装置F死绳恒张力补偿装置死绳恒张力补偿装置F天车恒张力补偿装置天车恒张力补偿装置第三节第三节 浮式钻井平台钻井工艺与装备浮式钻井平

8、台钻井工艺与装备1、使用伸缩钻杆、使用伸缩钻杆结构结构伸缩钻杆是一种套筒式钻杆。钻杆由内、外筒组成，内伸缩钻杆是一种套筒式钻杆。钻杆由内、外筒组成，内外筒之间有密封件，内筒可沿轴向做相对运动，内外筒接触面外筒之间有密封件，内筒可沿轴向做相对运动，内外筒接触面加工成棱柱面以便在钻进中传递扭矩。加工成棱柱面以便在钻进中传递扭矩。伸缩钻杆图安装位置安装位置安装于钻铤的上部安装于钻铤的上部工作原理工作原理钻井平台上下升沉时，由于内外筒可以做相对运动，因钻井平台上下升沉时，由于内外筒可以做相对运动，因此，在伸缩钻杆以下的钻铤柱可不受平台升沉的影响，使井底此，在伸缩钻杆以下的钻铤柱可不受平台升沉的影响，使

9、井底钻压基本保持稳定。钻压基本保持稳定。 使用伸缩钻杆的优缺点使用伸缩钻杆的优缺点 优优：结构简单，维修方便，价格便宜，能基本满足钻井的结构简单，维修方便，价格便宜，能基本满足钻井的要求要求 缺缺：钻压不能调节钻压不能调节 承载条件恶劣承载条件恶劣 增加防喷器的磨损增加防喷器的磨损 难以准确确定井深难以准确确定井深2、钻柱升沉补偿装置、钻柱升沉补偿装置19731973年研制成功年研制成功 结构组成结构组成液缸液缸两个液缸固定在上框架两侧，并通过两个液缸固定在上框架两侧，并通过上框架与上框架与游车相连游车相连，随船体作升沉运动；，随船体作升沉运动；活塞（杆）活塞（杆）通过液缸活塞杆顶部的链轮，将

10、连接在通过液缸活塞杆顶部的链轮，将连接在链条两端的上下框架联系起来。链条两端的上下框架联系起来。下框架与大钩相连；下框架与大钩相连；锁紧装置锁紧装置用以将上下框架锁紧为一体，从而将游车用以将上下框架锁紧为一体，从而将游车与大钩连为一体，进行起下钻等工作。与大钩连为一体，进行起下钻等工作。储能器储能器空气动力储罐空气动力储罐使液缸内活塞上下保持恒定的压力使液缸内活塞上下保持恒定的压力 工作原理工作原理钻井过程中，当平台随波浪作升沉运动时，游车及补偿钻井过程中，当平台随波浪作升沉运动时，游车及补偿装置的液缸随之作上下运动，而大钩经运动补偿后基本保持不装置的液缸随之作上下运动，而大钩经运动补偿后基本

11、保持不动动当平台上升时，游车带动液缸上行，链条因液缸上行而当平台上升时，游车带动液缸上行，链条因液缸上行而放松，链条放松后，来自链轮及活塞杆的载荷减小，失去平衡放松，链条放松后，来自链轮及活塞杆的载荷减小，失去平衡，因而活塞下端液体压力大于活塞杆上外载荷，于是，液体压，因而活塞下端液体压力大于活塞杆上外载荷，于是，液体压力推动活塞上行，固定在活塞杆上的链轮也随之上升，这样就力推动活塞上行，固定在活塞杆上的链轮也随之上升，这样就可使链条继续保持张紧状态，大钩处于基本无运动。从而不影可使链条继续保持张紧状态，大钩处于基本无运动。从而不影响钻压变化，保持正常钻井。平台下沉时，正与上述相反，原响钻压变

12、化，保持正常钻井。平台下沉时，正与上述相反，原理相同。理相同。安装位置安装位置在游车与大钩之间在游车与大钩之间 钻压的调节钻压的调节 正常钻井时，大钩负荷等于钻柱总重量减钻压。即正常钻井时，大钩负荷等于钻柱总重量减钻压。即 P P液缸中的压力液缸中的压力 W WP P钻柱总重量钻柱总重量A A液缸中活塞面积液缸中活塞面积 P Pb b钻压钻压钻压可通过调节储能器中进气压力即改变液缸中液体压钻压可通过调节储能器中进气压力即改变液缸中液体压力力P P来实现；来实现；只要调节液缸中压力只要调节液缸中压力P P，使使 2 2PAPA略小于整个钻柱的悬重，略小于整个钻柱的悬重，并使液缸中活塞行程大于升沉

13、位移，即能实现自动送进。并使液缸中活塞行程大于升沉位移，即能实现自动送进。bPPWPA2存在的问题存在的问题大钩还有少许位移大钩还有少许位移 原因原因：工作液缸中液体的摩擦影响工作液缸中液体的摩擦影响机械摩擦影响机械摩擦影响活塞下端液体压缩气罐中气体，使之压缩膨胀对压力的影活塞下端液体压缩气罐中气体，使之压缩膨胀对压力的影响响绳索作业时的升沉补偿绳索作业时的升沉补偿利用传感绳利用传感绳悬挂于大钩滑轮上，一端固定在隔水导悬挂于大钩滑轮上，一端固定在隔水导管上，另一端固定在钻台上，给大钩增加一个附加载荷。管上，另一端固定在钻台上，给大钩增加一个附加载荷。3、死绳恒张力装置、死绳恒张力装置7272年

14、研制成功年研制成功结构结构主要由定滑轮组、动滑轮组、液缸、高低压储能器、控主要由定滑轮组、动滑轮组、液缸、高低压储能器、控制台等组成制台等组成原理原理 死绳自天车引出后，先经过一个传感滑轮，将拉力大小死绳自天车引出后，先经过一个传感滑轮，将拉力大小变成电信号，输送到电控系统和指重表。当平台下沉时，死绳变成电信号，输送到电控系统和指重表。当平台下沉时，死绳上拉力减少，于是传感滑轮发出讯号，指令阀动作，使液缸活上拉力减少，于是传感滑轮发出讯号，指令阀动作，使液缸活塞右端压力增加，推动活塞向左移动，将滑轮组上的钢丝绳拉塞右端压力增加，推动活塞向左移动，将滑轮组上的钢丝绳拉紧，活塞左端液体流回低压储能

15、器。反之，平台上升，动作与紧，活塞左端液体流回低压储能器。反之，平台上升，动作与上述相反。上述相反。4、天车恒张力补偿装置、天车恒张力补偿装置F位置位置：安装于天车上安装于天车上F结构组成结构组成：主要由浮动天车、主气缸、液缸、储能器等组主要由浮动天车、主气缸、液缸、储能器等组成成F工作原理工作原理：当钻井船上升时，天车相对于井架沿轨道向下当钻井船上升时，天车相对于井架沿轨道向下运动，压缩主气缸中的气体，使气体流到储能器中，从而保运动，压缩主气缸中的气体，使气体流到储能器中，从而保持天车在空间的位置不变来达到补偿目的。当钻井船下降时持天车在空间的位置不变来达到补偿目的。当钻井船下降时，与上述相

16、反，原理相同。，与上述相反，原理相同。各升沉补偿装置的优缺点各升沉补偿装置的优缺点 死绳恒张力装置机械结构简单，但电控系统较复杂，死绳恒张力装置机械结构简单，但电控系统较复杂，应用较少。应用较少。 天车恒张力补偿装置占用甲板面积及空间均少，而且天车恒张力补偿装置占用甲板面积及空间均少，而且管线短，密封少，不需用高压胶管等优点，但需特制大井管线短，密封少，不需用高压胶管等优点，但需特制大井架以及天车，故应用不广泛。架以及天车，故应用不广泛。 目前应用较多的是钻柱升沉补偿装置，其不需特制井目前应用较多的是钻柱升沉补偿装置，其不需特制井架；天车，游车及大钩也是通用的，但其缺点是液缸密封架；天车，游车

17、及大钩也是通用的，但其缺点是液缸密封多，液压油漏失严重，管线长，摩擦损失大，有待进一步多，液压油漏失严重，管线长，摩擦损失大，有待进一步改进。改进。F功用功用 隔绝海水、引入钻具、导出泥浆隔绝海水、引入钻具、导出泥浆 适应升沉、漂移和摇摆的工作环境适应升沉、漂移和摇摆的工作环境 控制井口控制井口F组成组成 导向装置导向装置 套管头组套管头组 防喷器组防喷器组 隔水管柱隔水管柱 连接器连接器 其它其它二、二、 水下井口装置水下井口装置水下井口图水下井口图水下井口装置各部的水下井口装置各部的作用作用F临时导向基座临时导向基座：其作用是其作用是固定海底井口位置，确定一固定海底井口位置，确定一个开钻基

18、点，引导其它水下个开钻基点，引导其它水下工具就位，并承受井口的重工具就位，并承受井口的重量量水下井口装置各部的水下井口装置各部的作用作用F永久导向架永久导向架：用工字钢构成。用工字钢构成。下部呈球面，可坐于临时导向基下部呈球面，可坐于临时导向基座的孔口；外部焊有四个支柱，座的孔口；外部焊有四个支柱，每个支柱上固定一根永久导引绳每个支柱上固定一根永久导引绳，其上部被固定在平台上的导引，其上部被固定在平台上的导引绳张紧器张紧；绳张紧器张紧；30导管头与永导管头与永久导向架中心孔相连。久导向架中心孔相连。水下井口装置各部的作用水下井口装置各部的作用F导引绳张紧器导引绳张紧器：其作用是保持导其作用是保

19、持导引绳的张力恒定，使其不受平台升引绳的张力恒定，使其不受平台升沉的影响沉的影响F套管头组套管头组：其作用是悬持套管其作用是悬持套管F连接器连接器：其作用是便于某些水下其作用是便于某些水下器具间的快速连接与拆卸器具间的快速连接与拆卸水下井口装置各部的作用水下井口装置各部的作用防喷器组防喷器组：其作用在于开启和封闭井口，以便处理和控制：其作用在于开启和封闭井口，以便处理和控制井内复杂情况，防止井喷井内复杂情况，防止井喷水下防喷器组的特点（与陆上防喷器的区别）：水下防喷器组的特点（与陆上防喷器的区别）：1）防喷器组采用两套或多套组合，以确保安全；）防喷器组采用两套或多套组合，以确保安全；2）采用多

20、路控制方式，以便使用；）采用多路控制方式，以便使用；3）防喷器组与其配合部件间的连接是自动的，以适应海）防喷器组与其配合部件间的连接是自动的，以适应海上钻井的要求。上钻井的要求。防喷器控制图防喷器控制图 防喷器组的防喷器组的构成构成：1）防喷器组下部的液压井口连接器；）防喷器组下部的液压井口连接器；2）防喷器：）防喷器：钻杆闸板防喷器、全闭式剪切闸板防喷器、钻杆闸板防喷器、全闭式剪切闸板防喷器、多效能环形防喷器多效能环形防喷器；3）压井阀与节流阀）压井阀与节流阀4）带有储能装置的液压控制系统）带有储能装置的液压控制系统水下井口装置各部的作用水下井口装置各部的作用 防喷器图防喷器图水下井口装置各

21、部的作用水下井口装置各部的作用隔水导管系统隔水导管系统作用：隔绝海水、导引钻具，形成泥浆的回路作用：隔绝海水、导引钻具，形成泥浆的回路结构组成：结构组成： 1）球形（挠性）接头：其作用是使隔水管适应浮式钻井装）球形（挠性）接头：其作用是使隔水管适应浮式钻井装置的摇摆、漂移运动，防止隔水管弯曲置的摇摆、漂移运动，防止隔水管弯曲 2）隔水导管）隔水导管 3）伸缩短节：其作用是适应钻井船的升沉运动，使水下器）伸缩短节：其作用是适应钻井船的升沉运动，使水下器具不受钻井船上下升沉的影响具不受钻井船上下升沉的影响由两个同心圆筒组成，安装于隔水管柱的顶部，外筒下由两个同心圆筒组成，安装于隔水管柱的顶部，外筒

22、下部与隔水导管连接，上部与张紧器的钢丝绳相连，以使隔水管部与隔水导管连接，上部与张紧器的钢丝绳相连，以使隔水管柱保持张紧状态柱保持张紧状态水下井口装置各部的作用水下井口装置各部的作用 4）张紧装置）张紧装置防止隔水管因自重压弯的四种方法：防止隔水管因自重压弯的四种方法：平衡锤法平衡锤法用漂浮材料用漂浮材料装同心充气筒装同心充气筒隔水管张紧器隔水管张紧器三、三、 浮式钻井平台的建井程序浮式钻井平台的建井程序浮式钻井装置的就位后浮式钻井装置的就位后 1、将临时导向基座用钻杆下放到海底，通过导引绳上的将临时导向基座用钻杆下放到海底，通过导引绳上的导引臂将导引臂将36 开眼钻头下到基座孔内，开钻、并下

23、开眼钻头下到基座孔内，开钻、并下30 导管、导管、固井，连接隔水导管；固井，连接隔水导管；(30 导管头上带有一个用来支承井口和防喷器的永久导向架导管头上带有一个用来支承井口和防喷器的永久导向架)2、用用26 钻头钻井（要求泥浆或海水必须返到平台上），钻头钻井（要求泥浆或海水必须返到平台上），重泥浆替换井筒内原浆，起出隔水管，下重泥浆替换井筒内原浆，起出隔水管，下20 套管、固井，水套管、固井，水泥返至井底；泥返至井底； 组装并连接好水下防喷器组和隔水管，下入并连接到套管组装并连接好水下防喷器组和隔水管，下入并连接到套管头上；头上； 3、钻钻17 1/2 井眼，下井眼，下133/8 套管、固井

24、（水泥返高一般套管、固井（水泥返高一般在上层套管鞋以上在上层套管鞋以上50100m）；）；在水泥凝固、再次开钻前，需在水泥凝固、再次开钻前，需先用专用工具下入抗磨补心以保护套管头内部锥面；先用专用工具下入抗磨补心以保护套管头内部锥面；4、钻技术套管井眼、起出抗磨补心，下技术套管、固井，钻技术套管井眼、起出抗磨补心，下技术套管、固井，直至最终完井。直至最终完井。用用121/4“钻头钻钻头钻 井井，下下95/8技术套管技术套管用用81/2“钻头钻井，下入钻头钻井，下入 7”套管（或尾管）套管（或尾管）第四节第四节 水下固井工艺水下固井工艺浮式钻井装置上的固井工艺主要有两个不同的施工方法：浮式钻井装

25、置上的固井工艺主要有两个不同的施工方法：1、管内注水泥法、管内注水泥法 30 直径和直径和20 直径的导管，是用钻杆柱送到海底井眼中直径的导管，是用钻杆柱送到海底井眼中. 固井时将钻杆柱（或油管柱）延伸到导管内。其延伸长度固井时将钻杆柱（或油管柱）延伸到导管内。其延伸长度一般为导管柱长度的一般为导管柱长度的 7 08 0，然后将钻杆柱与导管柱一起，然后将钻杆柱与导管柱一起下入。这时下入。这时导管柱导管柱内下部装有引鞋、浮箍和回压凡尔，导管柱内下部装有引鞋、浮箍和回压凡尔，导管柱内灌满海水，导管柱顶部用下入工具将导管柱封堵。开始固井内灌满海水，导管柱顶部用下入工具将导管柱封堵。开始固井时，按常规

26、注水泥方法将配制好的水泥浆直接沿钻杆向井下注时，按常规注水泥方法将配制好的水泥浆直接沿钻杆向井下注入即可。水泥浆顶替完毕后，不用投胶塞，直接旋开下入工具入即可。水泥浆顶替完毕后，不用投胶塞，直接旋开下入工具起出钻杆，固井作业至此全部结束。起出钻杆，固井作业至此全部结束。2、水下释放胶塞注水泥方法、水下释放胶塞注水泥方法 由于各层套管柱都是用钻杆送到井下，套管头设置在泥由于各层套管柱都是用钻杆送到井下，套管头设置在泥线处。因此，陆上常规的释放胶塞方法已不能使用，只能采用线处。因此，陆上常规的释放胶塞方法已不能使用，只能采用水下释放胶塞的方法进行注水泥作业。水下释放胶塞的方法进行注水泥作业。 具体

27、作法具体作法是：按陆上常规的套管串连接方法将套管串的是：按陆上常规的套管串连接方法将套管串的下部组合连接好（包括引鞋、浮箍、旋流短节等部件）。在下下部组合连接好（包括引鞋、浮箍、旋流短节等部件）。在下入最后一根套管上接套管头和与钻杆相接的套管头下入工具，入最后一根套管上接套管头和与钻杆相接的套管头下入工具，并在下入工具下部接头上接转换接头并在下入工具下部接头上接转换接头压力平衡短节，用钻压力平衡短节，用钻杆将套管柱送下井口。杆将套管柱送下井口。由于水泥头坐在钻盘后要经受平台的升由于水泥头坐在钻盘后要经受平台的升沉运动，可根据海况条件在钻柱下部接上几根伸缩钻杆沉运动，可根据海况条件在钻柱下部接上

28、几根伸缩钻杆。 下入完毕后，将钻杆卡在吊卡上，连接上水泥头并连以下入完毕后，将钻杆卡在吊卡上，连接上水泥头并连以注水泥管线，做好注水泥前的准备工作。注水泥管线，做好注水泥前的准备工作。开始注水泥时，先从水泥头投球处将重塑料球投下。当开始注水泥时，先从水泥头投球处将重塑料球投下。当球落到了胶塞中心轴顶部的张力座上时。加大泵压，以剪断悬球落到了胶塞中心轴顶部的张力座上时。加大泵压，以剪断悬挂下胶塞的销钉，下胶塞脱落并和重塑球一起被水泥浆顶着下挂下胶塞的销钉，下胶塞脱落并和重塑球一起被水泥浆顶着下行，直到下胶塞心轴的底部同浮箍的顶面相遇。此时，再增加行，直到下胶塞心轴的底部同浮箍的顶面相遇。此时，再增加泵压泵压 ，下塞体和心轴间的销钉被剪断、胶塞体在水泥浆