海上钻井井口装置及各次开钻和井口安装

上次课回忆1、回忆浮动平台的六种运动〔三摇两漂一升降〕；2、钻进过程的升沉补偿方式：伸缩钻杆、死绳恒张力、天车恒张力补偿、大钩恒张力补偿；3、井深测量、井下缆线作业的升沉补偿〔大钩恒张力、辅助的滑轮〕。海上钻井井口装置、钻井施工及井口安装本次课的内容1、海上钻井井口装置〔水上井口装置、水下井口装置〕；2、各次开钻施工及井口安装〔导管井段、表层套管、其余各层套管〕。海上钻井井口装置、钻井施工及井口安装海上钻井井口装置海上钻井井口装置描述：井口装置就是保证我们油气开发活动的正常进行而在地面、在油气井井口安装的一系列设备〔德阳生产实习的采气树就是生产阶段的井口装置〕。海上钻井井口装置是指在海洋油气钻井阶段以预防井喷而安装的防喷器系统和其它辅助设备〔隔离海水设备和防止浮动的设备〕。海陆钻井井口装置比照陆上井口装置海上井口装置〔水上井口〕海上井口装置〔水下井口〕与陆上井口装置相比，海上井口结构复杂，多了隔离海水和防止升降运动的设备防喷器组防喷器组1海上钻井井口装置海上钻井井口装置的主要功用：1、安装防喷器，控制井口，实现防喷、放喷和压井〔与陆上井口相同的功能〕；2、连接平台井口和海底井口，引导钻具进入井眼，并隔绝海水，在钻柱外形成环形空间，利于钻井液循环。适用范围所有底撑式的钻井平台均适用：固定式平台、坐底式平台和桩脚式平台等1.1水上井口装置用隔水管将陆上井口装置的防喷器组支撑到水面以上〔钻井平台上〕，方便各种操作。下部平台防喷器组与陆上钻井平台相似之处水上井口装置与陆上井口的异同〔1〕水上井口装置有一个长长的隔水管，穿过整个海水层，隔离海水、引导钻具；〔2〕水上井口装的隔水导管上有一个泥线支撑器或泥线悬挂器、而陆上没有。水上井口装置与陆上井口装置的区别泥线支撑器“泥线〞的定义：就是海水与海底交界之处，即海底的表层处。此处乃是一层淤泥，所以称为泥线。泥线支撑器的作用：悬挂各层套管、减轻平台承重。特点：泥线支撑器以上的套管延长到平台上。泥线悬挂器

泥线悬挂器的作用：悬挂各层套管柱的重量。泥线悬挂器的特点：利用下一层套管的套管挂悬挂在上一层套管的座环上而不断加深。泥线悬挂器之上没有套管，是通过一个下入工具与钻柱连接，钻柱延长到平台上，在注水泥固井之后，将钻柱倒开并起出来，这样在是。钻完井后，平台可以移走，泥线以上的海水中没有套管。建立采油平台是从泥线悬挂器上将套管回接到采油平台上。泥线支撑器与泥线悬挂器的区别：泥线支撑器用于固定式平台，泥线悬挂器用于移动式平台。泥线支撑器是坐在井底，泥线悬挂器是连接在上部钻柱上，泥线支撑器永久留在海底井口，泥线悬挂器在完钻后随移动平台搬走。泥线支撑器的套管挂之间仅存在悬挂关系，即内层套管悬挂于外层套管的座环上。两层套管之间的密封在平台上的套管头处。而泥线悬挂器的套管挂之间不仅存在悬挂关系，而且两层套管之间的密封也在悬挂器处〔与承重能力相关〕。水下井口装置的特征：水下井口装置有补偿升沉运动的伸缩部件。伸缩部件和弯曲部件存在密封问题，只能承受低压。水下井口装置防喷器靠近海底。防喷器系统必须放置在伸缩部件的下面，因为防喷器关闭时防喷器以下将是高压。1.2水下井口装置水下井口装置的组成和控制：在地面上预制成三大整块组合——导引系统，防喷器系统和隔水管系统。在海上作业时，用快速连接器将各个连接起来。由于防喷器系统和快速连接器都在水下，用远程遥控操作系统进行操作控制〔压力和位移传感器、继电器〕，有时候也用机器人和潜水员直接处理。1.2水下井口装置〔1〕水下井口装置的导引系统导引系统包括井口盘，导引架，导引绳及其张紧装置〔平台上〕。导引系统是整个水下井口装置的根底。

井口盘结构：井口盘是一个直径3m圆饼形部件，中心开孔〔孔直径1m〕；井口盘与其送入工具连接，送入工具上接钻柱，不断接长钻柱将井口盘下到海底，完钻后退出送入工具、起出钻柱；井口盘依靠巨大的重量〔10－20吨〕固定在海底，这就确定了海底井口的位置。

导引架结构：有四个导引柱，每根柱上有一根永久导引绳。有的导引架上还固定有水下摄影或水下电视系统。导引架固定在导管上，并随导管一起下入。下入时，依靠井口盘上的临时导引绳，准确进入井口盘的内孔，将导引架坐在井口盘上。导引绳张紧系统：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。所以需要有恒张力装置来张紧导引绳。临时导引绳和永久导引绳都需要张紧。导引绳是利用气液弹簧原理提供恒张力的。导引绳的一端固定在导引柱上，另一端固定在平台上。

〔2〕防喷器系统防喷器系统是水下井口装置的核心局部。防喷器系统包括：万能防喷器剪切闸板防喷器半封闸板防喷器全封闸板防喷器四通及压井防喷管线防喷器控制操作系统防喷器系统的导引架等。1〕万能防喷器外形象南瓜形的多瓣橡胶芯子，橡胶芯子内置具有弹性的金属加强筋，外面是带内斜面的活塞。在液压作用下，可推动橡胶芯子变形，从而改变芯子中孔直径。当活塞下行时，橡胶芯子依靠弹性恢复原状。环空压力优点：万能防喷器可以抱紧任何尺寸的钻柱，可抱紧钻铤，钻杆本体或接头，套管，电缆，钢丝绳，甚至可以全封。缺点：万能防喷器承受压力的能力有限〔平安压力60MPa〕，不能承受很高的压力。所以，万能防喷器仅仅在闸板防喷器不能起作用的时候使用。万能防喷器的优缺点：2〕半封闸板防喷器在出现井喷溢流时，它可以抱紧钻杆本体，封闭钻杆外环形空间。通过上下两个半封闸板防喷器的配合，可以在井喷溢流情况下，强行起钻。承压能力有限〔40MPa左右〕。3〕全封闸板防喷器正在钻进来不及起钻时遇到台风或其他紧急情况，需要立即撤离，就使用剪切闸板迅速将井内钻柱剪断。发生井喷事故，防喷器只能封闭环形空间，井喷流体从钻柱内孔喷出，使用剪切闸板迅速将钻杆挤扁，封住内孔，制止井喷。控制压力能力高。4〕压井和放喷管线自四通接出，一直延伸到平台上。压井放喷管线也应该具有补偿平台运动的功能，所以要有伸缩管或高压软管局部。为起下方便，在地面上将防喷器系统的各局部组合成一个整体。一般有两套控制系统，即电动和气动控制系统。电动控制简单、迅速，优先使用。在发生井喷的情况下，就要使用气动控制系统。防喷器系统的使用〔3〕隔水管系统也较隔水导管、隔水管系统处在防喷器系统的上面。主要作用：1)引导钻具入井，隔绝海水，形成泥浆循环的回路。2)隔水管系统还要承受浮动平台的升沉和平移运动。隔水管系统包括：隔水管，伸缩隔水管，弯曲接头，张紧装置等。伸缩隔水管：处在井口装置的最顶端，由内管和外管组成。内管可在外管内轴向滑动，从而补偿钻井平台的升沉运动。弯曲接头：有两种，一种是挠性接头，一种是球接头。弯曲接头处在隔水管系统的最下端。弯曲接头的作用：补偿钻井平台的平移和摇摆运动。隔水管也叫隔水导管、隔水管系统处在防喷器系统的上面，是直径16～24英寸的钢管，单根长度一般为15～16米。隔水管系统包括：隔水管，伸缩隔水管，弯曲接头，张紧装置等，主要作用：1)引导钻具入井，隔绝海水，形成泥浆循环的回路。2)隔水管系统还要承受浮动平台的升沉和平移运动。

〔3〕隔水管系统伸缩隔水管在自重作用下，隔水管可能被压弯；另外，隔水管在海水中受到海水运动的作用，要承受很大的横向力，也会使隔水管弯曲。所以隔水管系统需要张紧。隔水管系统的张紧装置，原理上与导引绳的张紧相同，但需要的张紧力更大。海水越深，隔水管越重，那么需要的张紧力越大。此张紧力最终要施加到浮动钻井平台上，增大平台的吃水量。为了减小张紧力，可在隔水管管外面贴上一层厚厚的泡沫塑料，或隔水管外系以铝制浮筒(筒内充以高压气体)，以便增大在海水中的浮力，减轻隔水管系统的重量。〔4〕快速连接器快速连接器是连接水下井口装置各大系统之间的重要工具。如连接导引系统和防喷器系统，防喷器系统和隔水管系统，万能防喷器与闸板防喷器等。由于这种连接是在水下，距离遥远，所以要求结构简单，动作迅速，连接可靠。2各次开钻的施工及井口安装

使用底撑式钻井平台钻井，导管井段的施工一般有两种方法。一种是用打桩机将导管打入海底。这种方法适用于海水较浅，导管较短的情况。另一种，在海水较深时，可以先下钻用钻头钻出导管井段的井眼，然后下入导管，并注水泥封固。钻进时采用海水作为洗井液，钻屑随海水返至海底。2.1导管井段的施工

使用浮动钻井平台钻井时，导管井段的施工要复杂得多，也有两种做法。第一种方法是分步法，按如下施工步骤进行：

第一步，下井口盘，建立海底井口。将井口盘接上送入工具，然后接钻柱下放，钻柱上套有导向臂。井口盘上有四根临时导引绳，并穿过导向臂的导引孔，也随着下钻而下放。下钻到海底后，坐牢井口盘后，退出送入工具，起钻。

第二步，钻导管井段的井眼。通过临时导引绳，下入带有钻头的钻柱，准确进入井口盘的内孔，并向海底钻进。钻进时采用海水作洗井液，有进无出，打进的海水带着钻屑返回到海底，钻达预定深度即可起钻。

第三步，下导管并注水泥。通过临时导引绳，将导管下入，导管的上面接导管头，并装上导引架，导管头内接上送入工具，再接钻杆，用钻杆将导管及导引架送入到海底，导管进入井眼，导引架坐在井口盘上。在钻台上通过钻柱向井内打入泥浆并循环洗井，然后即可注水泥固井，不仅封固导管，而且多余的水泥浆返至海底，将井口盘和导引架牢牢地固定于海底。退出送入工具并起钻，并割断临时导引绳。

第四步，下入隔水管系统。通过永久导引绳，将隔水管系统下入，并利用快速连接器与导管头连接。另一种方法称为一步法。将分步法中的前三步合成一步。在平台上先将导管下入水中，上部接导管头与导引架连接，导管头内接送入工具，再接钻柱。如果海底地层较硬，那么要使用钻入法。可以在钻柱下接钻头，并下入穿过导管，送入工具仍然接在导管头处。通过下钻即可将导管和导引架下入海底。当钻头接近海底时，用钻头钻出导管井段的井眼。当导引架接触海底时停止钻进。然后即可进行注水泥固井，将导管外注水泥封固，多余的水泥浆返至海底，将导引架与海底牢牢固定在一起。然后退出送入工具并起钻。下一步就是下入隔水管系统，与分步法的第四步相同。一步法施工可以省去井口盘。当海底地层较软时，可是用喷射法。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，冲出导管井段的井眼。对底撑式平台，导管井段施工之后，导管延长到平台上并起到隔水管的作用，以后各次开钻的施工根本上与陆上钻井相同。对浮动平台钻井，表层井段的施工具有很大的特点，可分为两种情况：一种是在表层地层中没有浅气层；一种是有浅气层。2.2表层套管井段的施工〔1〕如果在表层地层中没有浅气层，那么导管井段施工之后，可以不下隔水管系统，按如下步骤进行：通过永久导引绳下钻，带26英寸的钻头，进入导管内进行钻进，然后起钻；下入20英寸的套管。套管顶部接套管头，上接送入工具，再接钻杆，将套管送入到预定深度，套管头坐在导管头上；通过钻杆进行注水泥固井，然后退出送入工具，循环泥浆将多余的水泥浆冲走；起钻后，在表层套管头上安装防喷器系统和隔水管系统；进入下一次开钻。〔2〕如果表层地层中有浅气层，那么较为复杂。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