第3章海洋钻井装置及工艺(3海洋钻井工艺)

1、第三节第三节 海洋钻井工艺海洋钻井工艺一、海洋钻井作业工艺（浮式钻井装置）一、海洋钻井作业工艺（浮式钻井装置）二、海洋钻井常规作业程序二、海洋钻井常规作业程序第三章第三章 海洋钻井装置及工艺海洋钻井装置及工艺一、海上浮动式钻井装置的建井程序一、海上浮动式钻井装置的建井程序 使用浮动式钻井装置使用浮动式钻井装置（半潜式钻井平台和钻井船）（半潜式钻井平台和钻井船）钻井时，由于海水引起的平台升沉、摇摆和平移，钻井时，由于海水引起的平台升沉、摇摆和平移，就不得不使井口建在海底，这样就大大地增加了就不得不使井口建在海底，这样就大大地增加了建井程序和井口装置的复杂性。建井程序和井口装置的复杂性。浮动浮动式

2、钻井装置进入井位式钻井装置进入井位海海区准备区准备工作就绪后就可以工作就绪后就可以开钻。开钻。首先首先，把一个临时导向基座，把一个临时导向基座下放至海底，这是海底井口的固下放至海底，这是海底井口的固定位置，定位置，是一口井的开钻基点。是一口井的开钻基点。临时导向基座是一个巨大的临时导向基座是一个巨大的钢制件。在下放前，先用加重材钢制件。在下放前，先用加重材料（重晶石或水泥料（重晶石或水泥)填入基座使其填入基座使其重量增大到重量增大到11.3-13.6吨，并吨，并将四将四根导引绳根导引绳接上接上。准备阶段准备阶段临时导向基座与永久导向架临时导向基座与永久导向架 引导钻头入井，基座是用钻杆下引导钻

3、头入井，基座是用钻杆下放到海底，并采取机械方式脱卸，放到海底，并采取机械方式脱卸，然后由系在导引绳上的导引臂将然后由系在导引绳上的导引臂将3636英寸开眼钻头下入到底盘的孔英寸开眼钻头下入到底盘的孔中，中，钻头进入基座口后，连结在钻头进入基座口后，连结在导引臂上的剪切销被切断，引导导引臂上的剪切销被切断，引导臂与钻头脱开臂与钻头脱开。 导引臂由连在其上的回收绳提到导引臂由连在其上的回收绳提到平台上回收。平台上回收。用剪切脱卸式引导臂将钻头脱开用剪切脱卸式引导臂将钻头脱开 第一步，钻导管井眼第一步，钻导管井眼 将直径将直径3636英寸井眼钻至泥线以下英寸井眼钻至泥线以下25-10025-100米

4、，米，以备下入直径以备下入直径3030英寸的英寸的导管导管。 直径直径3030英寸的英寸的导管不承受压力，仅用作结构导管不承受压力，仅用作结构支承支承。钻此导管井眼时，。钻此导管井眼时，用海水钻进，钻屑用海水钻进，钻屑直接返到海底直接返到海底。 导管下入后，固井，水泥浆返至海底泥线。导管下入后，固井，水泥浆返至海底泥线。 当海底地层较软时，可使用喷射法。 在导管的最下端接有喷射头。当导管的最下端接近海底时，即可开泵用海水进行喷射，冲出导管段的井眼。 3030英寸直径的导管头上带有一英寸直径的导管头上带有一个用来支承井口和防喷器的个用来支承井口和防喷器的永永久导向架久导向架。 永久导向架永久导向

5、架是一个用工字钢制是一个用工字钢制成的构件，其下部呈球面形，成的构件，其下部呈球面形，可坐于临时导向基座的孔口，可坐于临时导向基座的孔口，外部焊有四个支柱，每个支柱外部焊有四个支柱，每个支柱上固定有一根永久导引绳。上固定有一根永久导引绳。9 3030英寸直径导管头与导向架中心管上部联英寸直径导管头与导向架中心管上部联接，从而在导管固井固定后，永久导向架接，从而在导管固井固定后，永久导向架也就被固定在海底了。也就被固定在海底了。 永久导向架上的导引绳一端固定于导向架永久导向架上的导引绳一端固定于导向架上，另一端将在平台上被恒张力的导引绳上，另一端将在平台上被恒张力的导引绳张紧。不论平台如何升沉，

6、张紧。不论平台如何升沉，导引绳总是处导引绳总是处于张紧状态。于张紧状态。10第二步是钻第二步是钻2626英寸直径井眼英寸直径井眼 第二步是钻26英寸直径井眼，下20英寸直径套管。这层套管的作用是用来封隔海底胶结性很差的地层，通常下至泥线以下大约300米。 在钻20英寸直径套管的井眼时，要求使用隔水管和一套分离器。用钻井液或海水钻井，但钻井液或海水必须返到平台上，这样做的目的是防止万一碰到浅气层时，可以对其实施控制。11 如果表层段有浅气层，则较为复杂。由于此时还没有表层套管，所以无法安装防喷器系统，钻进浅气层是在没有防喷器情况下进行，具有一定的危险性。 所以必须要有隔水管系统，能够进行循环，将

7、地层流体有控制地引导到平台上进行处理。在隔水管的顶部要安装“旋转防喷器”，实际上是一个可进行边喷边转的防喷器。12钻井工艺问题及作业技术措施钻井工艺问题及作业技术措施 问题在于问题在于：隔水管的直径为隔水管的直径为406.4-609.6mm406.4-609.6mm（16-24in16-24in），一），一般多使用般多使用508mm508mm（20in20in）隔水管。而钻表层套管井段的钻头）隔水管。而钻表层套管井段的钻头直径为直径为660.4mm660.4mm（26in26in），），不可能从隔水管内通过。不可能从隔水管内通过。 为了解决此问题，就使用为了解决此问题，就使用可张钻头可张钻头。

8、此类钻头有三个可张牙。此类钻头有三个可张牙轮，在张开之前直径较小，可以通过轮，在张开之前直径较小，可以通过508mm508mm（20in20in）隔水管，）隔水管，张开之后直径可达张开之后直径可达660.4mm660.4mm（26in26in）。）。 在等待水泥凝固期间，在等待水泥凝固期间，组装并连组装并连接好水下防喷器组（接好水下防喷器组（BOPBOP）和隔）和隔水导管下入水导管下入并连接到套管头上。并连接到套管头上。 下入过程中，切记将连接在隔水下入过程中，切记将连接在隔水管柱上的管柱上的防喷器不应该关闭防喷器不应该关闭，这，这与常规下套管（陆上）时向套管与常规下套管（陆上）时向套管柱里灌

9、泥浆的原理相似。柱里灌泥浆的原理相似。 海底第三步，钻第三步，钻l7 l7 1 1/ /2 2英寸直径的井眼英寸直径的井眼 为下入为下入13 13 3 3/ /8 8英寸直径的套管作准备。该层套管英寸直径的套管作准备。该层套管用来封闭上部浅地层，这和陆上的表层套管作用用来封闭上部浅地层，这和陆上的表层套管作用一致，一般根据井下地层条件下至一致，一般根据井下地层条件下至10001000米左右。米左右。 自钻该层套管井眼起，才开始正常的钻井作业，自钻该层套管井眼起，才开始正常的钻井作业，即开始使用常规钻井作业的程序和技术，进行水即开始使用常规钻井作业的程序和技术，进行水力参数设计、泥浆性能优选、优

10、化钻井参数等。力参数设计、泥浆性能优选、优化钻井参数等。 该层套管井段钻完后，洗井，用钻杆柱与套管头相连，送至泥线处，将其座挂在表层套管头上。 然后用海上特殊固井工艺进行注水泥固井。上返高度一般在上层套管鞋以上50-100米，上返高度过高容易造成水泥浆返至防喷器组和隔水导管内而造成严重事故。 套管头套管头 在水泥凝固后，再次开钻前，先用专用下入工具下入抗磨补心。抗磨补心是用来保护套管头内部锥面免受钻进时钻头、钻柱的碰撞而造成损坏。 抗磨补心抗磨补心第四步，钻下一层技术套管井眼第四步，钻下一层技术套管井眼 技术套管的层数也是根据地层压力和地层破裂压力技术套管的层数也是根据地层压力和地层破裂压力梯

11、度来决定，只是在各层套管结构和尺寸上，梯度来决定，只是在各层套管结构和尺寸上，要精要精心设计心设计。 因为井身结构一旦选定，各层套管的附属设备（如因为井身结构一旦选定，各层套管的附属设备（如套管头、抗磨补心、密封总成等）和下入工具都是套管头、抗磨补心、密封总成等）和下入工具都是配套使用，配套使用，各尺寸间不能减少和超越。各尺寸间不能减少和超越。19p目前我国深水地区的浮式钻井系统采用目前我国深水地区的浮式钻井系统采用标准的海底井口标准的海底井口，通，通常包括常包括762mm（ 30in）导管头、高压井口头临时导向基座、）导管头、高压井口头临时导向基座、永久导向基座和井口防腐帽等。永久导向基座和

12、井口防腐帽等。p各层各层套管悬挂器套管悬挂器下端下端与相应的套管连接，上部内螺纹则连接与相应的套管连接，上部内螺纹则连接下入工具，固水泥后用密封组件将套管环空封隔。下入工具，固水泥后用密封组件将套管环空封隔。p钻井时高压井口头与海底防喷器下部的液压连接器相接。钻井时高压井口头与海底防喷器下部的液压连接器相接。临临时弃井时弃井时卸掉防喷器，接上井口防腐帽，时卸掉防喷器，接上井口防腐帽，挤入防腐挤入防腐液保护好液保护好井口。井口。 典型水下井口结构典型水下井口结构20寸套管头7寸悬挂器9 5/8寸悬挂器13 3/8寸悬挂器井口载荷问题井口载荷问题 当水下井口设置后，当水下井口设置后，井口对载荷的要

13、求是很苛刻的井口对载荷的要求是很苛刻的。各层套。各层套管都是通过套管悬挂器悬挂在井口，各层套管之间都用密封管都是通过套管悬挂器悬挂在井口，各层套管之间都用密封总成将其环形空间密封，套管柱与密封总成之间均通过机械总成将其环形空间密封，套管柱与密封总成之间均通过机械连接相互配合，对井口过大的正负载荷（拉伸和压缩）都会连接相互配合，对井口过大的正负载荷（拉伸和压缩）都会造成井口损坏。造成井口损坏。 在套管柱强度设计时，井口载荷必须是一个认真考虑的因素。在套管柱强度设计时，井口载荷必须是一个认真考虑的因素。 一般在设计管柱时，均考虑给套管柱施加一个一般在设计管柱时，均考虑给套管柱施加一个预拉力预拉力，

14、其大，其大小应和套管柱可能产生的弯曲、套管柱的伸长和强度、上层小应和套管柱可能产生的弯曲、套管柱的伸长和强度、上层套管柱的强度，井口可承受的载荷能力一起来考虑。套管柱的强度，井口可承受的载荷能力一起来考虑。 22用半潜式钻井平台或钻井船用半潜式钻井平台或钻井船钻海底基盘的钻井（开发井）钻海底基盘的钻井（开发井） 用半潜式钻井平台或钻井船钻海底基盘的钻井，在下放钻井水下设备和钻井工艺方面，与海洋勘探钻井基本一样，所不同的是要预先下放安装预钻井的海底基盘和进行丛式井或水平井的钻井。第一步，下放安装钻井的海底基盘第一步，下放安装钻井的海底基盘 首先下放安装钻井的海底基盘。通过对准海底基盘四个桩柱导向

15、孔（孔径一般为40in）的任一导向孔，分别钻孔（钻深80-120m）； 下入专用导向柱、用水泥固井的方法将海底基盘导向孔中的专用导向柱与海底固定（海底基盘导向孔与专用导向柱也同时用水泥固牢）。 24第二步，钻井作业（丛式集束钻井）第二步，钻井作业（丛式集束钻井）其次进行钻井作业 半潜式平台或钻井船进行海底基盘的钻井作业，大多采用丛式集束钻井的方法（即对全部需要钻井的井孔，采用同一工艺和钻具，逐一钻同一井段的孔），钻定向井或水平井。 当钻集束井在移动井位时，需用无人有缆遥控水下作业船（简称ROV），进行水下井口的观察、监视、摘取并安装新的井口头与液压联结器之间的密封钢圈后，进行另一口井的集束钻井

16、作业。（二）泥线悬挂系统（二）泥线悬挂系统泥线悬挂系统是专门为泥线悬挂系统是专门为座底式和座底式和自升式平台自升式平台钻井设计的钻井设计的种装置，种装置，在泥线（即海底面）或在泥线以在泥线（即海底面）或在泥线以下为多层套管柱的悬挂和拆卸提下为多层套管柱的悬挂和拆卸提供了一种便利条件。供了一种便利条件。使用泥线悬挂系统后，各层套管使用泥线悬挂系统后，各层套管在泥线附近处就易于安装、拆卸在泥线附近处就易于安装、拆卸和再次安装。座底式或自升式钻和再次安装。座底式或自升式钻井平台钻成井后可自行撤离。井平台钻成井后可自行撤离。在钻井过程，这种方法使得套管在钻井过程，这种方法使得套管柱重量支承在泥线处，从

17、而柱重量支承在泥线处，从而减轻减轻了钻井平台承受的负荷了钻井平台承受的负荷。 自升式平台对具有海底基盘的钻井方法自升式平台对具有海底基盘的钻井方法自升式平台对具有海底基盘的钻井方法，类似于半潜式钻井平台具有海底基盘的钻井。不同的是： 自升式平台是利用钻台底座上的液压爬行机构来移动井位； 下入的是泥线悬挂井口头； 自升式平台类似固定平台钻井，而不同于浮式钻井（浮式钻井必须采用钻柱升沉补偿器）。钻井工艺特点钻井工艺特点 当表层套管从泥线处回接到钻井平台上后。即可用当表层套管从泥线处回接到钻井平台上后。即可用常规陆用防喷器组安装在表层套管头上，常规陆用防喷器组安装在表层套管头上，实现对井实现对井的压

18、力控制，从而使得各项钻井工艺也和陆上完全的压力控制，从而使得各项钻井工艺也和陆上完全相同。相同。 通常在使用泥线悬挂装置时，均采用夺通常在使用泥线悬挂装置时，均采用夺30”30”20”20” 13 3/8”13 3/8”9 5/8”9 5/8”7”7”的的标准海上套管程序标准海上套管程序（井身结构）（井身结构）。 第一步第一步开始时是将开始时是将3030英寸的导管用英寸的导管用水力喷射水力喷射、或者钻、或者钻井、或者直接用气锤打入就位，并根据海底条件将井、或者直接用气锤打入就位，并根据海底条件将3030英寸英寸导管头导管头安装于相对泥线适当的位置。安装于相对泥线适当的位置。将这层导管柱延伸到平台上。在钻井平台将将这层导管柱延伸到平台上。在钻井平