[海上钻井装置]海洋钻井工程

1、1海海 洋洋 石石 油油 工工 程程李玮李玮 博士、副教授博士、副教授Telel-mail:E-mail: p海上钻井发展状况及环境特点海上钻井发展状况及环境特点p海上钻井装置海上钻井装置p海上钻井主要系统海上钻井主要系统p海底岩石与钻头破岩海底岩石与钻头破岩p井眼轨道设计与控制井眼轨道设计与控制p优选参数钻井优选参数钻井p海洋钻井压力预测与控制海洋钻井压力预测与控制 1.1.海上钻井工艺技术海上钻井工艺技术3本章主要内容本章主要内容一、钻井平台及分类勘探投资勘探开发总投资钻井费用占59.9%钻井费用占48.8%钻井

2、费用占51.5%2010年钻井占勘探开发投资比例一、一、钻井过程中包括的程序钻井过程中包括的程序陆地、海洋钻井陆地、海洋钻井p一口井的综合设计p井场及设备基础准备p复杂情况处理p破岩钻进p复杂情况处理p固井p复杂情况处理p完井p复杂情况处理56陆地钻井陆地钻井海洋钻井海洋钻井7泥浆池泥浆泵顶驱井下钻具钻井绞车转盘转盘一、一、ABCDEF各种钻头各种钻头地层岩石地层岩石裂缝油层叠加 海上多层系油层辐射型多个断层井眼轨迹设计井眼轨迹设计固井与完井工艺固井与完井工艺陆地钻井陆地钻井p一口井的综合设计 程序接近，但内容不同p井场及设备基础准备 本质区别p复杂情况处理 本质区别p破岩钻进 p复杂情况处理

3、p固井p复杂情况处理p完井p复杂情况处理海洋钻井海洋钻井12相同与不同相同与不同相同接近但不同接近但不同接近但不同相同相同13本章主要内容本章主要内容一、钻井平台及分类14 海洋钻井分为：海上钻井、海底钻井和深海科研钻井三类（主要是海上钻井）。 海上钻井是在追踪陆地油田在海底延伸的过程中开始的。 海上钻井平台海上钻井平台：从事海上油气勘探开发的各种海上建筑物的：从事海上油气勘探开发的各种海上建筑物的统称，统称，一般是一种高出海面或海底的顶部平坦结构物，是进行近海作业的施工场所，目前使用的平台型式主要取决于平台用途。 海上钻井平台应满足下面三个条件海上钻井平台应满足下面三个条件: : 适应海洋钻

4、井区域环境且安全适应海洋钻井区域环境且安全; ; 成本较低成本较低; ; 满足钻井、采油、测试等各项作业的要求。满足钻井、采油、测试等各项作业的要求。二、钻井平台及分类二、钻井平台及分类15海上石油平台海上石油平台16海洋石油平台海洋石油平台17海上石油平台海上石油平台18 海上石油平台是海上石油开采的主要装置，它的分类方法有很多，其中按照用途大体可以为四类：钻井/勘探平台：主要用于勘探石油资源、钻探石油。采油平台：主要用于石油生产。中心平台：用于石油初步加工和石油输送。储存式平台：主要用于石油采集后海上储存，并且还有预处理功能。 以上四种平台又可以细分为很多类，下面我们主要讲述一下海洋钻井平

5、台的分类及其特点。海上石油平台海上石油平台19 海洋钻井平台上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及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。 开发海洋石油，首先从浅水海域开始，然后逐渐向深海发展。海洋钻井平台经历了由浅海到深海、由简单到复杂的发展过程。海洋钻井平台海洋钻井平台20海洋钻井平台海洋钻井平台21海洋钻井平台海洋钻井平台22不同立柱支撑的半潜钻井平台不同立柱支撑的半潜钻井平台23海洋钻井平台海洋钻井平台24海洋石油钻井平台分类海洋石油钻井平台分类25滩海：沿海高与低潮位间的潮差浸带和平均水深小于5m的 近海海域；浅水：水深等于5m小于500m的海域； 可采用常规固定的

6、站立式生产平台的海域。深水：水深等于500m至小于1500m的海域； 不能采用常规的固定的站立式生产平台的海域。超深水：指水深等于1500m至小于3000m的海域； 不能用锚泊方式而只能采用DP定位的作业海域。极深水：水深大于3000米的海域； 不能使用常规隔水管作业的海域。海水钻井深度分类海水钻井深度分类26不同水深的海洋钻井平台不同水深的海洋钻井平台27不同水深的海洋钻井平台不同水深的海洋钻井平台28本章主要内容本章主要内容一、钻井平台及分类29 固定式钻井平台，固定于海底，在整个使用寿命期内位置固定不变，不能再移动。主要用于有工业油流的油田，一般工作水深在20m左右（如渤海早期的埕北A/

7、B钻井平台）。某些钻采综合固定平台的工作水深超过90m，但平台建造费用较高。固定式平台的结构特点是通过管架结构在海底将平台固定。三、固定式钻井平台三、固定式钻井平台30按照按照自给程度自给程度不同，分为：不同，分为：自容型海洋型钻井平自容型海洋型钻井平台台和和带辅助船的小型钻井平台带辅助船的小型钻井平台两类。两类。 ：型体尺寸较大；能容纳全部钻井设备及一切队、附属设施，包括各种仓库及生活设施。 因此，需要平台的面积大，建设费用高。为了缩减这类平台的面积，多做成双层平台的型式。 固定式钻井平台分类固定式钻井平台分类31将部分设备和材料放在辅助船上，以减小平台的尺寸。 这种小型平台建筑面积可以达到

8、最小限度。一般只将井架、绞车、动力联动机及其附属设备放在平台上，而其它设施及食宿等都设置在辅助船上。 优点：平台的投资少，体积小，便于施工，而且当钻完一口油井后，辅助船可以很快转移到另一井位，钻井平台可转化为采油平台使用。 固定式钻井平台分类固定式钻井平台分类32按导管架结构分：直桩式、直桩-斜桩式、联结式。按桩柱结构分：木桩、钢桩、混凝土。混凝土桩要先预制好，再在海上打桩。现在的钢管桩都要在管中加注混凝土。按打桩的设施分：带桩架、不带桩架。按设备布置分：带浮船、不带浮船。按照结构特点分：按照结构特点分：导管架式钻井平台导管架式钻井平台、重力式钻井重力式钻井平台平台、张力式钻井平台张力式钻井平

9、台、绷绳塔式钻井平台绷绳塔式钻井平台。 下面主要介绍一下最后一种分类方法。固定式钻井平台分类固定式钻井平台分类33 七十年代初出现，它完全借助于其本身的重量直接稳定地座在海底，从而与海底牢固联结。一般用混凝土制造，少数也有钢质的。 1 1、重力式平台、重力式平台康迪普型平台康迪普型平台塞尔默型平台塞尔默型平台34结构：结构： 平台平台由由沉垫、立柱、甲板沉垫、立柱、甲板三部分组成三部分组成沉垫有多种形式：圆形、六角形、沉垫有多种形式：圆形、六角形、 正方形正方形立柱有三腿、四腿、独腿等几种立柱有三腿、四腿、独腿等几种甲板有甲板有混凝土混凝土和钢质两种：和钢质两种：混凝土重混凝土重 力式平台、钢

10、质重力式平台力式平台、钢质重力式平台 重力式平台的基础和腿柱中都分为许多舱室，这些舱室本身就是非常好的大型储油罐，在平台安装阶段的拖航和下沉时可作为压载舱。1 1、重力式平台、重力式平台35混凝土重力式平台混凝土重力式平台v优点： 不需打桩； 具有相当的贮油能力； 节省钢材，防火、抗暴、防腐性； 抵御风浪的能力较好； 制造、维修费用低，寿命长。v缺点： 对地质条件要求高 出现缺陷后修复较困难36钢质重力式平台钢质重力式平台 重量比混凝土轻预制过程中对水载要求不高拖船马力小对地基承载力要求不高 贮油量 用钢多，易腐蚀 1971年意大利首造，水深90米，称洛安高平台。整个平台由沉箱、支承框架、甲板

11、三部分组成，沉箱可作贮油罐。优点缺点37重力式平台的特点重力式平台的特点 由于整个结构比较大，一般先在岸边开挖的泥坞中建造基座，再拖往有掩护的深水区接高，然后浮运至现场，加载下沉。目前这种平台一般是作为海底贮油罐或用于钻采海底石油。 其主要特点是抵御风暴及波浪袭击的能力强，结构耐久和维护费用低，但需开挖岸边坞坑，并要有近岸深水施工水域，结构高度因此受到限制。38优点：p受力合理、用钢少、成本低、适用于深水、对海洋环境适应性大；p张力腿平台可以用于水深超过600m的海区，但通常认为最经济的作业水深范围是450600m之间。 张力腿式平台主要由张力腿式平台主要由甲板甲板、立立柱柱（大浮体）、（大浮

12、体）、缆索缆索及及系缆桩系缆桩组成，组成，它是今后它是今后深水深水用主要平台。用主要平台。2 2、张力腿式平台、张力腿式平台TLPTLP39张力腿式张力腿式钻井平台钻井平台40 张力腿式平台本身是一个浮动平台，平台的贮备远远平台的，靠的张力将平台与事先固定在海底的上拉紧，平衡一部分浮力，并使平台较好地固定在海面上。 这种地连接，不仅可平台的，而且由海底地震引起的，也在到达平台之前被大大减弱了。张力腿式平台的特点张力腿式平台的特点41 绷绳塔式平台亦称牵索塔平台，是将一个预制的钢质塔身安放在海底基础块上，四周用钢索锚定拉紧而成。它适用于水深较大的海域。优点： 节省钢材（成本低） 井口装置可设置于

13、水面上3 3、绷绳塔式平台（牵索塔式平台）、绷绳塔式平台（牵索塔式平台）42特点： 结构简单构件尺寸小，能抵抗周围环境所产生的各种作用力；从工作水深上比较，在深水区，这种平台的建造总费用比桩基导管架式平台低，反映在钢材费用、建造和安装时间上，绷绳塔式平台在成本上占有优势。它适应深水钻采作业的需要，工作水深在300600m。有的资料表明，绷绳塔式平台最经济的工作水深范围在240480m之间。绷绳塔式平台的特点绷绳塔式平台的特点43桩：用于承受平台的垂直重量及水平 环境推力。目前国内外应用最多的是钢桩平台。 (1)可事先做成导管架型式，在岸上预制好，然后到海上进行打桩； (2)平台的整体性好，施工

14、快。抗海水腐蚀性能差。 所以，有的地方，曾采用过抗海水腐蚀性能好的铝制平台，但因造价昂贵，未能普遍应用。基础部分基础部分和和上层建筑。上层建筑。 4 4、导管架导管架式式钻井钻井平台平台44基础部分是由导管架和桩管组成。导管可事先在岸上预制好。然后，用驳船运至目的地，或依靠中空的浮力拖至目的地，下沉并坐在海底上。再将桩管由导管内插入，并用打桩机打入海底一定深度。 上层建筑上层平台：用作安放井架、绞车、钻具堆放场地及宿舍等下层平台：安放泥浆泵、泥浆池、防喷器、发电房、固井设备、仓库等导管架式平台的结构导管架式平台的结构45导管架式平台的结构导管架式平台的结构46支承上部结构作为打桩定位和导向的工

15、具将平台上面的负荷比较均匀地传递到桩上可安装系靠船的设备可作为安装上部结构时的临时工作平台导管架的作用导管架的作用47安装完毕后平台状态安装完毕后平台状态48各类各类固定固定式钻井平台性能对比表式钻井平台性能对比表49 固定式钻井平台的优点是稳定，海面气象条件对它的影响较小，而且完井后可作为采油平台，使用时间大大增加。但是，它的灵活性差，不能及时运移，而且造价高，不能在较深的水域工作。 固定式钻井平台的面积和平台上的设备都要合理，而且结构强度要满足要求。固定式钻井平台的优缺点固定式钻井平台的优缺点50本章主要内容本章主要内容一、钻井平台及分类51 移动式钻井平台，作业完成后，可拖航或自航到其他

16、地点。包括坐底式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台以及浮式钻井船。可随意移动，特别适用于钻勘探井或纵式生产井。 钻井模块既可以放到固定式平台上，也可以采用移动式平台，但是上部模块价格比较贵，一套要好几亿美元以上，所以一般都放到移动式平台上面，一般是打一枪换一个地方。四、移动式钻井平台四、移动式钻井平台52单立柱坐底式钻井平台单立柱坐底式钻井平台坐底式钻井平台坐底式钻井平台 坐底式钻井平台又叫钻驳或插桩钻驳，适用于河流和海湾等30m以下的浅水域。 1 1、坐底式钻井平台、坐底式钻井平台53浮筒型，钢瓶型和浮垫型。 1 1、坐底式钻井平台、坐底式钻井平台54海面海底 1 1、坐底式钻井平台、

17、坐底式钻井平台55v优点：优点：钻井时固定牢靠不受海洋环境的影响完井后移动灵活v缺点：缺点：工作高度恒定，不能调节对海底地基要求高工作水深较浅拖航时阻力大，当海底冲刷严重时，钻井易移位，需要采取防滑移、防冲刷及防掏空等措施坐底式钻井平台的优缺点坐底式钻井平台的优缺点56 自升式钻井平台又称甲板升降式或桩腿式平台,是目前国内外应用最为广泛的钻井平台。 结构：结构：船体、桩脚船体、桩脚和和升降机构升降机构三大部分。三大部分。2 2、自升式平台、自升式平台57海面海底2 2、自升式平台、自升式平台582 2、自升式平台、自升式平台59渤海4号各种自升式平台各种自升式平台 海上钻井作业大多数也是使用自

18、升式平台，如：“渤海四号”、“渤海五号”、 “渤海七号”、 “渤海八号”、 “渤海十号”、“南海三号”、“南海四号”、“勘探二号”、“胜利五号”和“胜利六号”等自升式钻井平台。其中“渤海五号”和 “渤海七号”是我国自行设计建造的自升式钻井平台。60总长：总长： 64.90 64.90 米米船体型宽船体型宽: 64.62 : 64.62 米米船体型深：船体型深： 8.23 8.23 米米桩腿总长：桩腿总长： 127.20 127.20 米米桩腿数量：桩腿数量： 3 3桩腿结构：桩腿结构： 三角桁架式三角桁架式 Truss triangular with Spud canTruss triangu

19、lar with Spud can直升机直径：直升机直径：22.5 22.5 米米22.5 22.5 米米最大作业水深：最大作业水深： 91.44 91.44 米米最大钻井深度：最大钻井深度： 6096 6096 米米(5DP)(5DP)最大风速：最大风速： 55.9 m/s55.9 m/s桩腿入泥深度：桩腿入泥深度： 10 10 米米主要尺寸渤海渤海4 4号号自升式平台自升式平台设计标准61v对水深适应性强v无桩脚底垫时，用钢量少，造价较低v在出现意外的高海浪时，平台可增大离水面的距离v桩脚插入海底时，有良好的靠侧向移动性v平台离开水面后，可维修整个船体v桩腿下部有底垫时，容易造成整个装置的

20、飘浮v不适于更深海域v拖航时，易遭风暴的袭击优点优点缺点缺点自升式平台的优缺点自升式平台的优缺点62其工作水深主要取决于钻井船的定位方法：用锚泊定位工作水深200300m；采用动力定位，工作水深可达6000m。3 3、浮式钻井船浮式钻井船63优点：优点：适用于较深的海域移动性能好造价较低，易维护船速高缺点：缺点：对风浪极为敏感、稳定性差被迫停工率高浮式钻井船浮式钻井船的优缺点的优缺点64 半潜式钻井平台（SEMI）又称立柱稳定式钻井平台，是目前应用最多的浮式钻井装置。 。4 4、半潜式平台、半潜式平台65海面海底4 4、半潜式平台、半潜式平台66我国自己设计建造的具有自航能力的“勘探三号”半潜

21、式钻井平台67“海洋石油981”68“海洋石油981” “海洋石油海洋石油981981” 是是中国中国首次自主设计、建造的第六代首次自主设计、建造的第六代30003000米深水米深水半潜式钻井平台半潜式钻井平台，代表了当今世界海洋石油钻，代表了当今世界海洋石油钻井平台技术的最高水平。该平台设计自重井平台技术的最高水平。该平台设计自重3067030670吨，长度吨，长度为为114114米，宽度为米，宽度为7979米，面积比一个标准足球场还大；从米，面积比一个标准足球场还大；从船底到钻井架顶高度为船底到钻井架顶高度为130130米，相当于米，相当于4040多层的高楼；电多层的高楼；电缆总长度缆总长

22、度800800多公里，相当于围绕多公里，相当于围绕北京四环路北京四环路跑跑1010圈。平圈。平台总造价近台总造价近6060亿元。亿元。 海洋石油海洋石油98198169海洋石油海洋石油981981“海洋石油981”的6个世界首次：1、首次采用南海200年一遇的环境参数作为设计条件，大大提高了平台抵御环境灾害的能力； 2、首次采用3000米水深范围DP3动力定位、1500米水深范围锚泊定位的组合定位系统，这是优化的节能模式； 3、首次突破半潜式平台可变载荷9000吨，为世界半潜式平台之最，大大提高了远海作业能力； 4、中国国内首次成功研发世界顶级超高强度R5级锚链，引领国际规范的制定。同时为项目

23、节约大量的费用，也为中国国内供货商走向世界提供了条件； 5、首次在船体的关键部位系统地安装了传感器监测系统，为研究半潜式平台的运动性能、关键结构应力分布、锚泊张力范围等建立了系统的海上科研平台，为中国在半潜式平台应用于深海的开发提供了更宝贵和更科学的设计依据； 6、首次采用了最先进的本质安全型水下防喷器系统，在紧急情况下可自动关闭井口，能有效防止类似墨西哥湾事故的发生。70 在钻井过程中抵抗风浪的能力大，稳定性好。 平台结构复杂，造价高，自持能力稍差，机动性也稍差，自航速度低，有的甚至不能自航而需要拖航。 钻井浮船的优缺点正好与半潜式平台相反，在钻井作业中整个船体都处在风浪影响最大的海面处，稳

24、定性不如半潜式。但它结构简单，造价低廉，机动性很好，自航速度最高，自持力也比半潜式大得多。 半潜式平台适用于所有海域，特别是海况条件恶劣的深海海域。在海况条件不是很恶劣的情况下，选用钻井浮船比半潜式更经济。半潜式平台的优缺点半潜式平台的优缺点及选择原则及选择原则71各类移动式钻井平台性能对比表各类移动式钻井平台性能对比表72优点：优点： 稳定性好； 海面气象条件对钻井工作影响小； 如有工业性油气可很快转换成采油平台。缺点：缺点： 不能够移动和重复使用； 造价较高； 其成本随水深增加而急剧增加。固定式与移动式平台比较情况固定式与移动式平台比较情况73本章主要内容本章主要内容一、钻井平台及分类五、

25、钻井平台的选择五、钻井平台的选择75 各个钻井平台适合于不同的水深。 重力式平台适用的水深较浅，桩基式平台适用的水深稍深，张力式和绷绳塔式平台则可在较深的水域使用。 坐底式钻井平台一般作业在0-10米，自升式钻井平台一般作业在10-120米，半潜式钻井平台一般作业在70-1000米，浮船式钻井船一般作业在1000米（现在已有能在2900米水深的海域作业的钻井船）。现在使用范围最广的还是自升式钻井平台。五、钻井平台的选择五、钻井平台的选择76 海上钻井平台的选择是一个涉及面很广的问题，需要综合考虑各种因素：（1）钻井类型。是钻勘探井还是生产井、是直井还是丛式井以及完井方式等。（2）作业海区的海洋

26、环境条件。包括水深、风、波、潮流等海况，海底地质条件及离岸距离等。（3）经济因素。主要是各种装置的建造成本、租金及操作费用。（4）可供选择的钻井平台及其技术性能、使用条件。五、钻井平台的选择五、钻井平台的选择77 根据作业海域水深、海床地质情况及钻井目标，综合考虑上述各种情况，可对钻井装置作出最优的选择。 （1）在浅水区，当油田已探明或已进入开发阶段，宜选用固定式钻井平台。 （2）水深在2030m以内，风浪不大，海底平坦柔软且无冲刷海流，可选用坐底式钻井平台。 五、钻井平台的选择五、钻井平台的选择78（3）水深在2030m以内，浪高大于3m的海况仅占1年的1/10以下时：对勘探井，宜选用自升式平台加辅助船或自给式的自升式平台；对生产井，可选用固定式平台（钻完井后改为采油平台）加辅助船，或选用带辅助船的自升式平台或完全自给式自升式平台。五、钻井平台的选择五、钻井平台的选择79（4）水深在3060m