海洋钻井海上钻井工艺技术.

1、海洋钻井工程海洋钻井工程1教师：赵万春教师：赵万春 专业：油气井工程专业：油气井工程 海洋钻井工程海洋钻井工程2海洋钻井工程海洋钻井工程3海洋钻井工程海洋钻井工程4海洋钻井工程海洋钻井工程5 海洋钻井工程海洋钻井工程6海洋钻井工程海洋钻井工程7海洋钻井工程海洋钻井工程8海洋钻井工程海洋钻井工程9固定钻井平台浮式钻井平台水上井口装置水上井口装置水下井口装置水下井口装置升沉平移摇摆海洋钻井工程海洋钻井工程10 水下井口装置通常水下井口装置通常是在地面上预制成三大是在地面上预制成三大组合组合导引系统，防喷导引系统，防喷器系统和隔水管系统器系统和隔水管系统。在海上作业时，用快速在海上作业时，用快速连接

2、器将两个组合连接连接器将两个组合连接起来。起来。 水下安装要水下安装要有一套有一套远程遥控操作系统远程遥控操作系统。必。必要时还要有潜水作业装要时还要有潜水作业装置或水下机器人操作。置或水下机器人操作。导引系统防喷器系统隔水管系统水下井口装置示意图水下井口装置示意图海洋钻井工程海洋钻井工程11(1)导引系统导引系统(2)防喷器系统防喷器系统(3)隔水管系统隔水管系统海洋钻井工程海洋钻井工程12(1)导引系统导引系统导引系统包括：导引系统包括： 井口盘、导引架、导引绳及其张紧装置。井口盘、导引架、导引绳及其张紧装置。导引系统是整个水下井口装置的基础。导引系统是整个水下井口装置的基础。海洋钻井工程

3、海洋钻井工程13 井口盘是第一个井口盘是第一个被安放在海底的圆饼被安放在海底的圆饼形部件。中心开孔，形部件。中心开孔，孔内有与送入钻具配孔内有与送入钻具配合的合的“J”槽。用于确槽。用于确定井位，并固定水下定井位，并固定水下井口。井口。海洋钻井工程海洋钻井工程14 井口盘上一般有两条临时井口盘上一般有两条临时导引绳。导引绳。 在平台上，将井口盘与其在平台上，将井口盘与其送入工具连接，送入工具上接送入工具连接，送入工具上接钻柱，不断接长钻柱就可将井钻柱，不断接长钻柱就可将井口盘下放到海底，倒转钻柱可口盘下放到海底，倒转钻柱可退出送入工具，并起出钻柱。退出送入工具，并起出钻柱。井口盘依靠巨大的重量

4、固定在井口盘依靠巨大的重量固定在海底，这就确定了海底井口的海底，这就确定了海底井口的位置。位置。井口盘及送入工具井口盘及送入工具海洋钻井工程海洋钻井工程15导引架安装过程导引架安装过程海洋钻井工程海洋钻井工程16 永久导引绳的一端固定在导引永久导引绳的一端固定在导引柱上，另一端固定在平台上。柱上，另一端固定在平台上。 由于平台随海水运动有上下升由于平台随海水运动有上下升沉运动，所以导引绳将忽紧忽松。沉运动，所以导引绳将忽紧忽松。松弛时显然起不到导引作用，张力松弛时显然起不到导引作用，张力太大，又有可能将张紧绳拉断。所太大，又有可能将张紧绳拉断。所以需要有恒张力装置来张紧导引绳。以需要有恒张力装

5、置来张紧导引绳。导引绳也是利用气液弹簧原理提供导引绳也是利用气液弹簧原理提供恒张力的。导引绳通过复滑轮系统恒张力的。导引绳通过复滑轮系统缩短气液弹簧的液缸活塞行程。缩短气液弹簧的液缸活塞行程。导引绳张紧系统导引绳张紧系统海洋钻井工程海洋钻井工程17 （2）防喷器系统）防喷器系统 防喷器系统是水下井口装置的核心部分防喷器系统是水下井口装置的核心部分。 包括：包括： 万能防喷器万能防喷器 剪切闸板防喷器剪切闸板防喷器 半封闸板防喷器半封闸板防喷器 全封闸板防喷器全封闸板防喷器 四通及压井防喷管线四通及压井防喷管线 防喷器控制操作系统等。防喷器控制操作系统等。 海洋钻井工程海洋钻井工程18海洋钻井工

6、程海洋钻井工程19 防喷器组一般防喷器组一般采用采用 35 个防喷器个防喷器，通过连接器与套，通过连接器与套管连在一起。整个管连在一起。整个防喷器组外面有框防喷器组外面有框架，框架的套管套架，框架的套管套在导向绳在导向绳 上上.水下井口防喷器组水下井口防喷器组海洋钻井工程海洋钻井工程20防喷器系统各组分部件防喷器系统各组分部件112344海洋钻井工程海洋钻井工程21防喷器系统各组分部件防喷器系统各组分部件112344海洋钻井工程海洋钻井工程22防喷器系统各组分部件防喷器系统各组分部件112344海洋钻井工程海洋钻井工程23防喷器系统各组分部件防喷器系统各组分部件112344海洋钻井工程海洋钻井

7、工程24112456防喷器系统各组分部件防喷器系统各组分部件海洋钻井工程海洋钻井工程25防喷器系统防喷器系统海洋钻井工程海洋钻井工程26海洋钻井工程海洋钻井工程27海洋钻井工程海洋钻井工程28一般一般长约长约 15 16m 。伸缩行。伸缩行程程10m 。根据我国沿海。根据我国沿海的潮差及波高情况，行的潮差及波高情况，行程以长程以长 14m 为宜。为宜。海洋钻井工程海洋钻井工程29海洋钻井工程海洋钻井工程30海洋钻井工程海洋钻井工程31 一般当工作水深超过一般当工作水深超过 3l m 时，应有张紧器使其承受时，应有张紧器使其承受拉力，还可以在管外加浮室以增加浮力。对于工作水深超拉力，还可以在管外

8、加浮室以增加浮力。对于工作水深超过过 250m 的隔水管柱必须另外进行设计。一般隔水管的临的隔水管柱必须另外进行设计。一般隔水管的临界压弯长度可按下式计算：界压弯长度可按下式计算：海洋钻井工程海洋钻井工程32海洋钻井工程海洋钻井工程33海洋钻井工程海洋钻井工程34 此接头装在隔水管柱的下部，允许弯成一定角此接头装在隔水管柱的下部，允许弯成一定角度，以使隔水管适应浮动钻井平台或船的摇摆、平度，以使隔水管适应浮动钻井平台或船的摇摆、平移等运动。目前常用的有以下几种结构形式：移等运动。目前常用的有以下几种结构形式： 球形挠性接头球形挠性接头l ）压力平衡式球形挠性接头）压力平衡式球形挠性接头 海洋钻

9、井工程海洋钻井工程35 通过球的转动来适应浮船的转动。一般允许转通过球的转动来适应浮船的转动。一般允许转动的角度是动的角度是10度度 ，许用载荷是，许用载荷是 370t ，可与直径，可与直径 406.4 609.6mm 直径的隔水管配合使用。压力平衡直径的隔水管配合使用。压力平衡式就是用海水压力或泥浆压力来平衡球接触面处所式就是用海水压力或泥浆压力来平衡球接触面处所承受的向下压力或向上拉力。海水或泥浆进人液缸承受的向下压力或向上拉力。海水或泥浆进人液缸推动活塞、加压油液，送入球接触面处，既可实现推动活塞、加压油液，送入球接触面处，既可实现平衡，还可进行润滑。平衡，还可进行润滑。海洋钻井工程海洋

10、钻井工程36 2）多球式挠性接头）多球式挠性接头 也是采用压力平衡原理只是将单球改成三个也是采用压力平衡原理只是将单球改成三个球。整个接头分成三段，每段一个球，允许转动角球。整个接头分成三段，每段一个球，允许转动角度为度为3度，相对于钻杆的曲率半径约度，相对于钻杆的曲率半径约11m 。由于采。由于采用多球，大大降低了每个球体的磨损。用多球，大大降低了每个球体的磨损。 海洋钻井工程海洋钻井工程37 上下各有一个轴承及转环上下各有一个轴承及转环 。隔水管柱的拉力通过上转环，由隔水管柱的拉力通过上转环，由上轴承承受，压力由下轴承承受，上轴承承受，压力由下轴承承受，中间为球体。泥浆压力通过球体中间为球

11、体。泥浆压力通过球体可部分导给转环。球体本身不承可部分导给转环。球体本身不承受轴向载荷，只起封严泥浆作用。受轴向载荷，只起封严泥浆作用。此种挠性接头许用载荷可达此种挠性接头许用载荷可达560t。专门用于工作水深达专门用于工作水深达 1800m 的深的深水中，允许转动角度水中，允许转动角度10度度 。 3 ）万能挠性接头）万能挠性接头海洋钻井工程海洋钻井工程38海洋钻井工程海洋钻井工程39 一般均用液压张紧器，装在钻台腿上。有导向绳一般均用液压张紧器，装在钻台腿上。有导向绳张紧器及隔水管张紧器两种，分别用以张紧导向绳及隔张紧器及隔水管张紧器两种，分别用以张紧导向绳及隔水管。利用高压气液储能器的液

12、压推动活塞，随平台的水管。利用高压气液储能器的液压推动活塞，随平台的升沉而放长或收短钢丝绳，以保持导向绳及隔水管的张升沉而放长或收短钢丝绳，以保持导向绳及隔水管的张力恒定。以下二图分别为导向绳张紧器及隔水管张紧器力恒定。以下二图分别为导向绳张紧器及隔水管张紧器的布置图。的布置图。 张紧器张紧器海洋钻井工程海洋钻井工程40海洋钻井工程海洋钻井工程41第二节第二节 海洋钻井过程升沉补偿装置海洋钻井过程升沉补偿装置一、钻柱升沉运动的补偿措一、钻柱升沉运动的补偿措施施 这种办法是在这种办法是在钻柱的钻铤上方钻柱的钻铤上方加一根可伸缩的钻杆。加一根可伸缩的钻杆。伸缩钻杆由内、外管组成，沿轴向可作相对运动

13、，行程一伸缩钻杆由内、外管组成，沿轴向可作相对运动，行程一般为般为 2m 。当平台上下升沉运动时，伸缩钻杆的内管随伸。当平台上下升沉运动时，伸缩钻杆的内管随伸缩钻杆以上的钻柱作轴向运动，而与伸缩钻杆外管相连的缩钻杆以上的钻柱作轴向运动，而与伸缩钻杆外管相连的钻艇则基本不作升沉运动因而可保持钻压恒定，同时还钻艇则基本不作升沉运动因而可保持钻压恒定，同时还可避免平台上升时提起钻艇，平台下沉时压弯钻柱。可避免平台上升时提起钻艇，平台下沉时压弯钻柱。 1、增加伸缩钻杆、增加伸缩钻杆海洋钻井工程海洋钻井工程42（1）钻压不能调节）钻压不能调节 增加伸缩钻杆后，钻压大小取决于伸缩钻杆以下的钻铤增加伸缩钻杆

14、后，钻压大小取决于伸缩钻杆以下的钻铤部分重量。因而不能随岩层的变化调节钻压。部分重量。因而不能随岩层的变化调节钻压。 （2）承载条件恶劣）承载条件恶劣 伸缩钻杆既承受泥浆的高压，传递钻柱的扭矩；又承受伸缩钻杆既承受泥浆的高压，传递钻柱的扭矩；又承受因内外管周期性轴向运动所引起的交变载荷，承载条件十分因内外管周期性轴向运动所引起的交变载荷，承载条件十分恶劣。恶劣。 （3）不利于特殊作业）不利于特殊作业 当不压井钻井时关防喷器后，由于伸缩钻杆以上的钻柱当不压井钻井时关防喷器后，由于伸缩钻杆以上的钻柱随船体升沉做周期性上下运动，使防喷器的芯子反复摩擦，随船体升沉做周期性上下运动，使防喷器的芯子反复摩

15、擦，对于作业不利。对于作业不利。伸缩钻杆存在的问题伸缩钻杆存在的问题 海洋钻井工程海洋钻井工程432、增设升沉补偿装置、增设升沉补偿装置海洋钻井工程海洋钻井工程44 升沉补偿装置一般采用液压传动。如在游动滑车与升沉补偿装置一般采用液压传动。如在游动滑车与大钩间装设双液缸，缸体与游动滑车相连。当平台升沉大钩间装设双液缸，缸体与游动滑车相连。当平台升沉时，游动滑车带动液缸的缸体作周期性上下运动；而活时，游动滑车带动液缸的缸体作周期性上下运动；而活塞与大钩则基本保持不动。这时、整个钻柱的重量由活塞与大钩则基本保持不动。这时、整个钻柱的重量由活塞下面的液压所支承。液体压力可保持恒定，也可根据塞下面的液

16、压所支承。液体压力可保持恒定，也可根据需要调节，以控制钻柱的拉力，随时调节井底钻压。需要调节，以控制钻柱的拉力，随时调节井底钻压。 海洋钻井工程海洋钻井工程45二、升沉补偿装置的结构类型与工作原理二、升沉补偿装置的结构类型与工作原理 （1） 结构结构 l）液缸液缸 两个液缸用上框架与游动滑车相连，随平台升沉而上两个液缸用上框架与游动滑车相连，随平台升沉而上下运动。下运动。 2）活塞活塞 两个液缸中的活塞通过活塞杆与固定在大钩上的下框两个液缸中的活塞通过活塞杆与固定在大钩上的下框架连接，大钩载荷由架连接，大钩载荷由 活塞下面的液压所支承。活塞下面的液压所支承。 1、 游动滑车与大钩间装设的升沉补

17、偿装置游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置海洋钻井工程海洋钻井工程463 ）储能器）储能器 储能器与液缸相通。储能器中有活塞，其下端的液储能器与液缸相通。储能器中有活塞，其下端的液体通过软管与液缸相通；其上端的气体通过管线与储气罐体通过软管与液缸相通；其上端的气体通过管线与储气罐相通。这样，液缸中液体压力由储能器中气体压力所决定。相通。这样，液缸中液体压力由储能器中气体压力所决定。调节气体压力即可以改变液体压力。调节气体压力即可以改变液体压力。4）锁紧装置）锁紧装置 用以将上下两个框架锁紧成一体，从而使游动滑车与用以将上下两个框架锁紧成一体，从而使游动滑车与大钩连接在一起，进行起下钻工作。大钩连

18、接在一起，进行起下钻工作。 海洋钻井工程海洋钻井工程47（2）工作原理）工作原理 1 ）正常钻井时：大钩悬挂的钻柱总重量）正常钻井时：大钩悬挂的钻柱总重量 Q ，井底钻压，井底钻压W和补偿装置的液缸中的液压和补偿装置的液缸中的液压 PL 间的平衡关系式如下：间的平衡关系式如下： 0)(2QWAPpL 将将 Q q L 代入式（代入式（ l 一一 I ）中，则可得）中，则可得 式中式中 q每米钻柱的重量，每米钻柱的重量， N / m ; L钻柱的全长，钻柱的全长， m ; Ap补偿装置的液缸中的活塞面积，补偿装置的液缸中的活塞面积，m2 pLAWqLP2海洋钻井工程海洋钻井工程48上式说明：上式

19、说明： （1）为了保持钻压，只要保）为了保持钻压，只要保持液缸中的液体压力持液缸中的液体压力 PL为一定位为一定位值即可；而为了调节钻压，只要值即可；而为了调节钻压，只要调节储能器中进气压力即可。调节储能器中进气压力即可。 （2）为了实现自动送进，只）为了实现自动送进，只要调节液缸中液体压力要调节液缸中液体压力 PL，使，使2PLAp 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位并使液缸中活塞行程大于升沉位移即可。移即可。 海洋钻井工程海洋钻井工程492、天车上装设的升沉补偿装置、天车上装设的升沉补偿装置 （1） 结构结构（1）浮动天车浮动天车 （2）主气缸主气缸

20、它是支持浮动天车用的，相它是支持浮动天车用的，相当于大型弹簧，共四个。当于大型弹簧，共四个。（3）液缸液缸 共两个。共两个。 （4）储能器）储能器 它安装在井架上，有管路与它安装在井架上，有管路与四个主气缸相通，用以调节主气四个主气缸相通，用以调节主气缸中的气体压力。缸中的气体压力。海洋钻井工程海洋钻井工程50（2）工作原理）工作原理 l）补偿升沉由浮动天车来实现补偿补偿升沉由浮动天车来实现补偿 当浮动平台上升或下当浮动平台上升或下降时井架沿轨道上下运动，主气缸中气体压缩或膨胀，降时井架沿轨道上下运动，主气缸中气体压缩或膨胀，相当于一个大弹簧，而天车及大钩基本保持不动，于是相当于一个大弹簧，而

21、天车及大钩基本保持不动，于是升沉运动得以补偿。升沉运动得以补偿。2）控制钻压控制钻压 司钻利用甲板上的调压阀，控制自空气罐司钻利用甲板上的调压阀，控制自空气罐至主气缸系统的空气压力，使井底钻压调至合适值至主气缸系统的空气压力，使井底钻压调至合适值 3）自动送进自动送进 正常钻井时，将气缸中气压调节到略低于正常钻井时，将气缸中气压调节到略低于大钩上载荷，于是，浮动天车在大钩载荷带动下，沿轨大钩上载荷，于是，浮动天车在大钩载荷带动下，沿轨道下行，实现自动进尺。当浮动天车下行至最低点时，道下行，实现自动进尺。当浮动天车下行至最低点时，司钻即放松绞车滚筒上钢趁绳使浮动天车上行司钻即放松绞车滚筒上钢趁绳

22、使浮动天车上行至最高点，然后再继续自动进尺。至最高点，然后再继续自动进尺。海洋钻井工程海洋钻井工程514）防止事故防止事故 当大钩载荷突然减少或主气缸严重漏气时，当大钩载荷突然减少或主气缸严重漏气时，可借助液缸支持着钻柱重量，并使其减速，以防止事故，可借助液缸支持着钻柱重量，并使其减速，以防止事故，保证安全。保证安全。 5）绳索作业绳索作业 绳索作业时，可另加一根传感绳，使其一端绳索作业时，可另加一根传感绳，使其一端固定在隔水导管上，另一端自井架外边引至浮动天车上，固定在隔水导管上，另一端自井架外边引至浮动天车上，经滑轮后，再连到钻台的滚筒上。这样，传感绳随钻台运经滑轮后，再连到钻台的滚筒上。

23、这样，传感绳随钻台运动而放松或缠紧。浮动天车在恒定气压下随之相应地补偿动而放松或缠紧。浮动天车在恒定气压下随之相应地补偿运动，即可实现绳索作业时的升沉补偿。运动，即可实现绳索作业时的升沉补偿。6）起下钻作业起下钻作业 起下钻时，用锁紧装置将浮动天车锁住，起下钻时，用锁紧装置将浮动天车锁住，使浮动天车不随起下钻柱而上下滑行。使浮动天车不随起下钻柱而上下滑行。海洋钻井工程海洋钻井工程523、死绳上装设的升沉补偿装置、死绳上装设的升沉补偿装置（1） 结构结构 1）定滑轮组）定滑轮组 2 ）动滑轮组）动滑轮组 3 ）液缸）液缸 4 ）高压储能器）高压储能器 5 ）低压储能器）低压储能器 6 ）控制台）

24、控制台 海洋钻井工程海洋钻井工程53（2）工作原理）工作原理 借助调节储能器中气压来改变死绳拉力。借助调节储能器中气压来改变死绳拉力。再通过死绳上拉力的改变来调节及保持井底钻再通过死绳上拉力的改变来调节及保持井底钻压。此外，还可通过液压推动活塞移动来调节压。此外，还可通过液压推动活塞移动来调节钢丝绳的有效长度。钢丝绳的有效长度。海洋钻井工程海洋钻井工程54海洋钻井工程海洋钻井工程55第三节第三节 海上钻井设备的特殊问题海上钻井设备的特殊问题v一、保持定位一、保持定位问题问题 （1）锚泊定位）锚泊定位 （ 2）动力定位。）动力定位。 v二、升沉二、升沉运动补偿问题运动补偿问题 在海上进行浮动钻井

25、在海上进行浮动钻井 时，钻井船除时，钻井船除 前后左右发生摇摆前后左右发生摇摆外，还将产生上下升沉运动，导致井架及大钩外，还将产生上下升沉运动，导致井架及大钩 悬吊着的整悬吊着的整个钻柱周期性地上下运动。不利个钻柱周期性地上下运动。不利 于于 钻进因此，必须解决钻进因此，必须解决钻柱上下运动的补偿问题。钻柱上下运动的补偿问题。 海洋钻井工程海洋钻井工程56 海上钻井采用水下井口时，井口在海底，需要在海底海上钻井采用水下井口时，井口在海底，需要在海底井口与水井口与水 上上 甲板间装设套隔绝海水、适应摇摆、控制井口甲板间装设套隔绝海水、适应摇摆、控制井口的装置，这套装置统称为钻井用水下井口设备。的

26、装置，这套装置统称为钻井用水下井口设备。v三、装三、装设钻设钻井用水下井口井用水下井口设备问题设备问题 海洋钻井设备处于海上腐蚀性强的大气中，还有一海洋钻井设备处于海上腐蚀性强的大气中，还有一部分构件浸人海水中，由于海水对它产生强烈电化学和部分构件浸人海水中，由于海水对它产生强烈电化学和化学腐蚀，因此浸入海水中的构件的寿命显著降低。化学腐蚀，因此浸入海水中的构件的寿命显著降低。v四、防止海水腐四、防止海水腐蚀问题蚀问题海洋钻井工程海洋钻井工程57我国常用的耐海水腐蚀的金属材料是：我国常用的耐海水腐蚀的金属材料是： （1 1）高合金钢）高合金钢 （2 2）低合金钢）低合金钢 （3 3）复合合金钢

27、）复合合金钢目前主要防腐措施有：目前主要防腐措施有：1 选择耐腐蚀的材料选择耐腐蚀的材料2 设计合理的结构设计合理的结构 如将外形设计成流线形，易腐蚀处适当如将外形设计成流线形，易腐蚀处适当加厚；尽量采用等强度设计；采用不同材料加厚；尽量采用等强度设计；采用不同材料的铆接件及焊接件，以消除有害的阴极接触的铆接件及焊接件，以消除有害的阴极接触等。等。 海洋钻井工程海洋钻井工程58 （1 1）外加金属镀层的保护层。）外加金属镀层的保护层。 （2 2）外加非金属涂层作为保护层。）外加非金属涂层作为保护层。 （3 3）电化学防腐。常用阴极保护法。）电化学防腐。常用阴极保护法。3 采用先进的防腐工艺采用

28、先进的防腐工艺我国常用的防腐工艺是：我国常用的防腐工艺是： 海洋钻井装备与结构承受严重的波浪力，风力、海洋钻井装备与结构承受严重的波浪力，风力、海流力和冰力等海洋环境载荷的作用，因此在强度设海流力和冰力等海洋环境载荷的作用，因此在强度设计，设备选择，估算寿命时，均需考虑这些承载特点。计，设备选择，估算寿命时，均需考虑这些承载特点。 v五、抵抗海洋五、抵抗海洋环环境境载载荷荷问题问题海洋钻井工程海洋钻井工程59 前两种是导航定位，后一种是防止平台漂移采取的前两种是导航定位，后一种是防止平台漂移采取的方法是锚泊定位或自动动力定位。方法是锚泊定位或自动动力定位。 海洋钻井工程海洋钻井工程60。在工作期间，必须做到在工作期间，必须做到5，最好做到，最好做到10%时，钻井平台必须与隔水管、井口装置脱开，处时，钻井平台必须与隔水管、井口装置脱开，处在撤离状态在撤离状态。 浮动平台定位的方法有两种：锚泊定位，自动动力浮动平台定位的方法有两种：锚泊定位，自动动力 定位定位。海洋钻井工程海洋钻井工程61 （1） 海上钻井平台必须采用海上钻井平台必须采用不不同方向扩展同方向扩展。这种系泊方法。这种系泊方法。 常见的扩展锚系型式：常见的扩展锚系型式：