1海上钻井发展状况及环境特点海洋钻井工程

1海洋钻井工程李玮博士、副教授Tel-mail:liwei@.cn1目录

海上钻井发展状况及环境特点海上钻井装置海上钻井主要系统海底岩石与钻头破岩井眼轨道设计与控制优选参数钻井海洋钻井压力预测与控制海上钻井工艺技术2本章主要内容一、世界及我国海洋石油储量二、海洋石油钻井的发展三、我国海洋石油的发展四、海上石油开发特殊性五、海洋钻井需要多学科知识六、我国海洋石油装备的发展历程七、海洋钻井的类型八、海洋环境及环境载荷九、海洋钻井开发中事故34海洋石油的绝大部分存在于大陆架上，海底蕴藏着丰富的石油和天然气资源。据1995年的估计世界近海已探明的石油资源储量为379亿吨，天然气的储量为39万亿立方米。据不完全统计，海底蕴藏的油气资源储量约占全球油气储量的1/3。目前，海底油气开发已从浅海大陆架延伸到千米水深的海区。全球石油资源可采储量为3000亿吨。海洋石油储量占45%，可采储量为1350亿吨。一、世界及我国海洋石油储量5一、世界及我国海洋石油储量56深水油气产量在海陆产量比例明显上升预测1990年涉足深海油气生产；2005年，海洋油气生产量几乎占海陆总和的50%；其中深海油气生产约占海洋油气生产的20%以上。一、世界及我国海洋石油储量世界海底石油主要富集的区域：

1、中美洲海域

2、北欧、北美大陆架

3、中东的波斯湾4、东亚、东南亚海域一、世界及我国海洋石油储量墨西哥湾，加勒比海，马拉开波湖，以及巴西海域北海，阿拉斯加，以及加拿大北部我国四海（东、南、黄、渤），印尼海域，以及澳大利亚的海域78目前全球作业的海上石油平台共计4万多个，仅美国墨西哥湾7000多个一、世界及我国海洋石油储量中东9中美洲海域10东亚、东南亚1112世界十大深水油藏发现国1桶＝158.97升132010年世界前七位深水生产油气国的产油当量我国海上油气勘探主要集中于渤海、黄海、东海及南海北部大陆架，预测石油资源量为275.3×108t，天然气资源量为10.6×1012m3（油当量106亿m3）合计油当量约375×108t，为2007年中国探明油当量储量46.19×108m3的8.5倍。目前原油的发现率仅为18.5％，天然气发现率仅为9.2％，极具勘探开发潜力。14我国海上油气总蕴藏量15

我国平均探明率为38.9％，海洋仅为12.3％，远远低于世界平均探明率73%和美国的探明率75％。我国天然气的平均探明率为23％，海洋为10.9％，而世界平均探明率在60.5％左右。因此我国油气资源的探明率(尤其是海洋)很低，整体上处于勘探的早中期阶段。我国石油资源本章主要内容一、世界及我国海洋石油储量二、海洋石油钻井的发展三、我国海洋石油的发展四、海上石油开发特殊性五、海洋钻井需要多学科知识六、我国海洋石油装备的发展历程七、海洋钻井的类型八、海洋环境及环境载荷九、海洋钻井开发中事故1617二、海洋石油钻井的发展国外：

1887年，世界上最早的海上石油勘探。20世纪40年代末，海上石油工程发生了巨大的变化和发展。

50年前，全世界只有3个国家进行海上石油开发；所有平台都是固定平台；可钻井的水深只有几十米。目前，已有100多个国家和地区进行海上石油工程作业；海上石油产量约占全世界总产量的50％左右；全世界有近700台移动式钻井平台在工作；已超过2000米。1897：第一次海上钻井。1932：第一艘坐底式钻井平台。1947：布勒道20号标志着现代海上钻井业的诞生。1954：第一条自升式钻井船。1956：第一条三腿式的自升式平台。1957：带有沉垫和4条圆柱形桩腿的平台。随着钻井技术的进步，固定式钻井平台也有发展。二、海洋石油钻井的发展18

浮船钻井存在的问题漂移摇晃上下升沉1953：第一条钻井浮船。1962：第一艘半潜式钻井船。1971：第一条动力定位船

“赛柯船445”钻井船。二、海洋石油钻井的发展19海面海底二、海洋石油钻井的发展20海面海底二、海洋石油钻井的发展21海面海底二、海洋石油钻井的发展22海面海底二、海洋石油钻井的发展23国内：

二、海洋石油钻井的发展2420世纪50年代末，中国的海洋石油工业开始起步。1967年到1979年，我国海洋石油十年的累计产油量也才63万余吨70年代末期，中国海洋石油首先开始对外开放2000年底时，对外合作累计探明的石油地质储量8.5亿吨，自营探明石油地质储量5.7亿吨，年产原油近2000万吨，天然气近43亿立方米。我国海洋石油从60年代初开始勘探。1966年：建造了第一座固定式钻井平台；1972年：制造第一座自升式钻井平台“渤海一号”；1974年：我国第一条钻井船“勘探一号”在南黄海试验成功；1978年：第一艘浅海坐底式钻井船“胜利一号”在莱州湾投入使用，第一座半潜式钻井平台“勘探三号”于1984年建成交付使用；1980年后开始了真正的海洋石油装备工业的大发展。二、海洋石油钻井的发展25262728二、海洋石油钻井的发展28本章主要内容一、世界及我国海洋石油储量二、海洋石油钻井的发展三、我国海洋石油的发展四、海上石油开发特殊性五、海洋钻井需要多学科知识六、我国海洋石油装备的发展历程七、海洋钻井的类型八、海洋环境及环境载荷九、海洋钻井开发中事故291.早期自营阶段(1960～1978)

第一口海上钻井，1960年在渤海进行海上地震和莺歌海近岸钻英冲1井。2.对外开放勘探开发阶段(1979～至今)

(1)对外合作勘探为主的时期(1979～1984)(2)合作勘探和自营并举时期(1985～至今)三、我国海洋石油的发展30

(1)以塘沽为基地的渤海石油公司；

(2)以胜利油田为基地的浅海石油公司；

(3)以上海为基地的东海石油公司；

(4)以广州和深圳为基地的南海东部石油公司；

(5)以湛江和三亚为基地的南海西部石油公司。31五大海上石油基地及海洋石油公司1、中国海洋石油总公司

“八五”期间，中海油的总体技术能力已达到国际水平。中海油“九五”期间油气储量增长的目标是：探明原油地质储量4.6亿吨、天然气地质储量3000亿立方米左右。2005年原油年产量将实现南海海域稳产1000万吨、渤海海域达到1000万吨、以南海西部海域为主的全海域天然气产能折合油当量1000万吨，即"三个一千万吨"的奋斗目标。三、我国海洋石油的发展322、中国石油天然气集团公司

中石油投入开发了最大对外合作项目-中石油大港赵东油田，于2001年3月开始开发建设，2003年8月4日投入生产。赵东合作区发现并探明了6000万吨规模的整装高产油田。该油田具有丰度高、埋藏浅、油层物性好、产量高等特点。2004年实现生产原油96.5万吨，2005年头3个月原油日产量始终保持在3000吨的高线运行，踏上了年产百万吨的道路，表现出高效发展的态势。三、我国海洋石油的发展33本章主要内容一、世界及我国海洋石油储量二、海洋石油钻井的发展三、我国海洋石油的发展

四、海上石油开发特殊性五、海洋钻井需要多学科知识六、我国海洋石油装备的发展历程七、海洋钻井的类型八、海洋环境及环境载荷九、海洋钻井开发中事故34四、海上石油开发特殊性

由于海洋环境的特殊性，决定了海上油气田开发与陆上油气田开发有相当大的差异，对专业技术的要求有很大的不同，这主要是由客观环境的截然不同所决定的。主要有以下十个显著的特点：

1、自然环境恶劣；

2、平台工作空间有限；

3、油气田建设装备工具复杂、科技含量高；

4、投资大、牵涉面广、管理难度大及未知领域多；

5、采用低成本和技术创新的策略带来高风险；

35四、海上石油开发特殊性

6、人员素质要求高；

7、油气田寿命周期短；

8、对交通运输的要求与陆地完全不同；

9、陆地基地的支持保障及海上应急救助的特殊需求；

10、海上生产设施安全管理和环境保护比陆上要求高。36

1、石油已经成为现代工业经济的命脉；

2、陆地石油储量和产量迅速递减；

3、海洋面积辽阔，石油资源丰富。37海上钻井的必要性本章主要内容一、世界及我国海洋石油储量二、海洋石油钻井的发展三、我国海洋石油的发展

四、海上石油开发特殊性

五、海洋钻井需要多学科知识

六、我国海洋石油装备的发展历程七、海洋钻井的类型八、海洋环境及环境载荷九、海洋钻井开发中事故381.必须深入地研究海水深度、海底地形、海底坡度及地质分布和承载能力等因素。

2.要对海底的各种因素、海洋气象、水文条件等进行深入调查研究，确保海上钻井装置能在一定的风、浪、潮、流、冰等外界自然荷载作用下安全作业。

3.必须配备升沉补偿装置、锚泊系统、定位系统。五、海洋钻井需要多学科知识39本章主要内容一、世界及我国海洋石油储量二、海洋石油钻井的发展三、我国海洋石油的发展

四、海上石油开发特殊性

五、海洋钻井需要多学科知识六、我国海洋石油装备的发展历程

七、海洋钻井的类型八、海洋环境及环境载荷九、海洋钻井开发中事故40

我国海洋石油从60年代初开始勘探。

1966年：建造了第一座固定式钻井平台；

1972年：制造第一座自升式钻井平台“渤海一号”；

1974年：我国第一条钻井船“勘探一号”在南黄海试验成功；

1978年：第一艘浅海坐底式钻井船“胜利一号”在莱州湾投入使用，第一座半潜式钻井平台“勘探三号”于1984年建成交付使用；

1980年后开始了真正的海洋石油装置工业的大发展。六、我国海洋石油装备的发展历程41“渤海一号”自升式钻井平台42“勘探一号”钻井船43“勘探三号”半潜式钻井平台44本章主要内容一、世界及我国海洋石油储量二、海洋石油钻井的发展三、我国海洋石油的发展

四、海上石油开发特殊性

五、海洋钻井需要多学科知识六、我国海洋石油装备的发展历程七、海洋钻井的类型八、海洋环境及环境载荷九、海洋钻井开发中事故45七、海洋钻井的类型

海上钻井、海底钻井和深海科研钻井三类。

海底钻井:机械设备直接降到海底，进行钻井作业；

深海科研钻井:获取岩芯；海上钻井:通过海上钻井平台实现原油开采。4647海底钻井平台48海上钻井平台49深海科研钻井平台海洋钻井的特点1．要有坚不可摧的井场。2．要有隔水管、引导系统、防喷系统、套管头。3．要有定位系统和升沉补偿装置。4．先进的交通、通讯及良好的生活保障。5．有一套防腐措施和设备。6．普遍采用丛式井(定向井)技术。7．井身结构复杂，套管尺寸大，层次多。8．注意安全。9．遵守海洋法、环境法。50本章主要内容一、世界及我国海洋石油储量二、海洋石油钻井的发展三、我国海洋石油的发展

四、海上石油开发特殊性

五、海洋钻井需要多学科知识六、我国海洋石油装备的发展历程七、海洋钻井的类型八、海洋环境及环境载荷九、海洋钻井开发中事故51八、海洋环境及环境载荷除了与陆地一样承受天气的影响外，还要承受海洋这一特殊环境的影响。海浪、海冰与台风、季风的综合作用对油气田生产设施将产生巨大的破坏力，以致影响海上正常作业和油气井的正常生产。

1、海水

2、风

3、波浪

4、潮流

5、海流

6、海冰

7、海雾

8、海底地盘的承压力52由于海洋自然环境与陆地完全不同，所以掌握海况条件对海洋石油开发尤其重要。根据国际通用的分类方式我们一般将海况划分为：海冰、海浪、潮汐、海流、热带气旋这几个海洋特殊环境状况。这几个都是可能导致海洋石油开发失败或不安全事故发生的自然主导因素，比如：海况介绍53海水（1）温度（2）含盐量（3）密度与比重（4）溶解气八、海洋环境及环境载荷542.风及风载

风是空气从高压区域向低压区域流动而形成的。风向是以地理方位来表示的。一般分为16个方位，每个方位范围是22.5。热带气旋/台风

热带气旋是指发生在热带海洋上的一种强烈风暴；热带气旋/台风对我国南部海域海洋石油开发的影响很大，是影响海上各类石油作业的一种主要灾害性气候。八、海洋环境及环境载荷5556台风云图袭击我国近海的台风云图八、海洋环境及环境载荷56被飓风吹到的平台海上飓风57八、海洋环境及环境载荷海上飓风被称为海上气象恶魔，严重威胁着海上平台的安全。1979年11月25日“渤海2号”钻井平台在井位迁移时倾覆，1983年12月25日美国阿科公司租用的“爪哇海”号钻井船在南海受台风袭击翻沉，两次事故均造成严重人员伤亡的惨痛结果。经过多年实践的经验积累，人们认识到海上飓风至今还无法抗拒，只能要求加强气象预报的准确性，做好防范工作。八、海洋环境及环境载荷58592006年8月1日06号台风派比安（Prapiroon）对南海LW3-1-1井的影响；导致了52根隔水管及防喷器组落海，打捞近1个月时间。八、海洋环境及环境载荷593.波浪

海洋波浪主要由风引起的，热带气旋、台风、海啸可掀起巨大的海浪；海浪的高低与风速和风持续的时间等因素有密切的关系；其能量与波高的平方成正比；在海浪作用的强烈部位，会加速金属腐蚀。波浪以某一轨迹交替作上升和下降运动，形成了波峰和波谷;波峰到波谷的斜坡叫波坡；通过相邻的波峰（或波谷）所需的时间，称为波浪周期；两个波峰间（或波谷间）的距离，称为波长；波谷与波峰间的垂直距离，称为波高；八、海洋环境及环境载荷6061单位时间内波浪前进的速度，称为波速；波高与波长的比值，称为波陡。八、海洋环境及环境载荷61从设计的角度，海浪的影响还要考虑其往复作用力加剧了构建物的疲劳，影响了构建物的使用寿命。62八、海洋环境及环境载荷八、海洋环境及环境载荷634.潮流潮汐是由月球以及太阳对地球的相对移动引起的，表现为海水周期性涨落，海水在白天上涨称为潮，晚上上涨称为汐。海水的周期性流动为潮流。在潮高较大的海域，潮汐发生的时间一般迟于正常发生的时间，以致海水一涌而来，称之为涌潮。64潮差大小受引潮力、地形和其他条件的影响，随时间及地点而不同。在人工岛建设、海上原油运输等作业对于潮汐的影响要充分考虑，避免出现冲灌、搁浅事故的发生。八、海洋环境及环境载荷655.海流海流是具有相对稳定速度的海水运动。按其温度特性可分为：暖流和寒流。按其成因可分成：地转流，风海流，补偿流。按运动特征分为：风漂流、定常流、深层环流。按其所处的深度部位分成：表层流和底层流。八、海洋环境及环境载荷6.海冰严格地说，海水冻结成的冰，称为海冰。河流、湖泊水陈结成的冰，称为陆冰。只在冬季出现的冰，称为冬冰。漂流在海上的海冰，称为流冰。漂流在海上的形状如山的巨大冰块，称为冰山。八、海洋环境及环境载荷66海冰对海上设施的影响主要表现在冰增加了设施所需要承受的荷载，主要有以下几种形式：在风及潮流的作用下，大面积冰层移动对钻采装置产生挤压力；流冰期间，大小冰块撞击钻采装置的冲击力,冰覆盖层对钻采装置的磨损作用；潮汐涨落时，如果超过平台底层甲板高度，将会产生上拔力；冰覆盖层形成时和冬季气温剧烈变化使冰层膨胀引起的静压力。八、海洋环境及环境载荷6768直观上看就是冰成为一种具有巨大动能的固体与设施发生强大力的作用，渤海历史上由于海水结冰而造成灾难性事故是发生过的，其中最典型的是海2井和海4井烽火台于1969年和1977年分别被海冰推倒，造成两起重大的海洋结构物破坏事故。下面简要介绍一下海2井倒塌重大事故的相关情况。八、海洋环境及环境载荷69海2井事故海2井是我国自行设计、制造和安装的海洋石油钻采平台，是一座钢质桩基固定平台；1969年立春后形成渤海历史上罕有的大冰封，海冰在平台导管架下和平台周围堆积，部分构件因强度不够而被冰挤破开裂，从预报到第一个桩腿破坏到平台倒塌仅十几个小时。70一、设计时没有考虑冰载荷，仅以波浪为设计控制载荷；二、平台整体结构设计不合理桩长壁薄(桩长41m，外径650-836mm，壁厚12-18mm)整体稳定性差、平台震动严重、产生自激振动；三、平台整体布局不合理，以面积最大迎接来冰；四、施工粗糙、焊接质量不高；五、只用材料力学进行静强度计算。通过详细的事故原因分析，主要有以下5条因素：事故原因分析717.海雾一般情况下按雾的生成区域把雾分为：由于海洋条件影响而生成的雾，称为海雾。陆雾山地雾海雾八、海洋环境及环境载荷72八、海洋环境及环境载荷海底砂质地盘对桩的承压力计算式为：式中：R——极限承压力；

A——桩端断面积；

L——桩插入长；

φ——桩周长；

N1——桩端接触地盘的N值；

N2——桩周围接触地盘的N值。8.海底地盘的承压力

地基承载力是指地基承担荷载的能力。在荷载作用下，地基要产生变形。随着荷载的增大，地基变形逐渐增大，初始阶段地基土中应力处在弹性平衡状态，具有安全承载能力。73海上石油天然气的钻采工艺与陆上基本相同，所不同的是工作环境不同。陆上钻采设备不受场地限制，可以分散布置，而海上钻采设备必须集中布置在狭小的海洋平台上，受暴风雨、洋流、风力、化学腐蚀，寒冷环境下钢料强度、水深及钻井成本等问题的影响，自然条件恶劣，操作工况十分复杂。海洋钻井平台投资大，作业风险高。此外，海洋钻井远离陆地，运输十分困难。海洋环境条件对钻井装备的影响74

海洋环境的特殊条件对钻井装备的影响很大，故海上平台及钻井设备除必须达到陆上设备的要求外，还要具备适合海上油气开发特点（经受得起风、浪、潮、流、冰、涌等海洋环境因素的冲击）的结构，以克服在海上作业的困扰。海洋环境条件对钻井装备的影响本章主要内容一、世界及我国海洋石油储量二、海洋石油钻井的发展三、我国海洋石油的发展

四、海上石油开发特殊性

五、海洋钻井需要多学科知识六、我国海洋石油装备的发展历程七、海洋钻井的类型八、海洋环境及环境载荷九、海洋钻井开发中事故76九、海洋钻井开发中的事故海上波浪对海上平台的影响很大。1980年8月，狂风巨浪摧毁了墨西哥湾的4座钻井平台，1989年11月，美国的“海浪峰”号钻井船被巨大海浪掀翻。据1989年的统计，全球的海洋钻井船已经有50多座被海浪吞没。直到现在，海浪同样不可抗拒，只能加强预测和防范。我们将重点介绍海洋自然环境条件中的风、波、流和海冰对于海洋石油开发的影响。77

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1988年7月6日，北海PiperAlpha平台爆炸震惊了世海洋石油界，这是世界海洋石油工业最悲惨的一次事故，造成167人死亡。九、海洋钻井开发中的事故78

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2001年3月15日,在巴西P-36海上半潜式采油平台发生爆炸，造成11人死亡，虽然经过5天的紧张救助，仍最终于3月20日10点30分沉没。该平台价值4亿5千万美元，投产仅一年零2个月，就葬身于深海之中。★1979年渤海2号