海洋石油装备概论-第1章综述

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1、贾光政贾光政 第一章 概述 东北石油大学东北石油大学 机械科学与工程学院机械科学与工程学院 2013年09月 海洋石油装备概论 1.1 海洋石油开发环境 1.2 海洋石油开发的特点 1.3 海洋石油平台简介 1.4 水下石油装备简介 1.5 海洋石油装备发展简介 主 要 内 容 地球表面积为 5.11亿平方公里，其中海洋面 积约占地球表面积的70.9%，大约是3.62亿平 方公里。 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 2002年在巴西召开的世界石油大会上，为了 对海洋油气勘探开发以水深来进行划分，将水 深在400m以内界定为常规水深，将水深 4001500m界定为深水，将水深超过1500m

2、界 定为超深水。 全球海洋平均深度3730m，水深在200m以内 的近海大陆架水域面积占海洋总面积的7.5%， 水深在30006000m的占海洋总面积的73.8%。 中国海岸线长约18000km，按联合国公约， 属中国管辖的海域约有488万平方公里。南海 面积约为200万平方公里，是世界上四大海洋 油气聚集中心之一。南海石油储量估计约有 230300亿吨；天然气储量约有338万亿立方米 ，70%在深水。 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 形势表明：深海油气资源勘探开发，必将成 为中国未来的海洋石油、天然气的主战场。 海洋中蕴藏丰富的石油天然气资源，100多 个国家和地区在海洋开展了石油钻

3、采业务，已 在海上发现1600多个油气田。 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 1. 海洋石油工程环境 海洋石油开发环境总体上比较恶劣，工程建 设期间可能遇到的自然环境条件有：海风、海 浪、海流、潮汐、海冰、地震、海啸等。 还包括：雨雪、雾、霜、温度、地基土壤、 海水腐蚀以及海生物附着等。 （1）自然环境条件 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 1. 海洋石油工程环境 工作环境条件：是指海洋石油工程在建设期 间以及建成投产运行期间，所经常出现的自然 环境条件。 工作环境条件的选定应以工程的正常施工作 业和正常生产运行为标准。 （2）设计环境条件 极端环境条件：是指海洋石油工程在建成投

4、产后使用年限内，极少出现的极端恶劣的自然 环境条件。 极端环境条件的选定应以保证工程的安全为 标准。 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 1. 海洋石油工程环境 是指极端环境条件再次重新出现的时间的长 短。 对于海洋石油工程来说，一般以不小于50年 为宜。 对于海洋石油工程中的一些小型结构物，其 重视期可以取为结构物的设计使用期限的23 倍，但不宜小于30年。 （3）重视期 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 2. 海洋环境载荷 海洋环境载荷是指海洋自然环境所施加给海洋 石油工程的载荷。 分为：环境载荷、使用载荷、施工载荷。 环境载荷：主要由海风、海浪、海流、海冰、 地震等自然环境条件

5、所引起的载荷。 使用载荷：是指海洋石油工程在服役期间所受 到的除环境载荷以外的其他载荷。包括：固定 载荷、活载荷、动力载荷。 施工载荷：是指海洋石油工程施工作业期间所 受到载荷。常常是特殊的临时性载荷。 海水 盐度高，导电率高对金属腐蚀比较强 ，特别是海水飞溅区，腐蚀最为严重。需要耐 腐蚀强的材料和设备。 海风 是指气压在水平方向上分布不均匀而 产生的空气从高压区向低压区的运动。主要用 风向和风速表示风的特征。台风。 我国南海台风较多，东海次之，黄海较少， 渤海很少。 海洋石油钻采装备与结构常以30年一遇或50 年一遇的台风为设计标准。 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 海洋石油开发环境

6、总体上比较恶劣，海水、 风、海浪、海流、潮汐、海冰、海啸等 海浪 是大风掀起的，随着风的持续，海浪 持续拍打海上平台等钻采设施，会产生持续载 荷，因此需要高强度的材料来抵御海浪。 海流 是海水大规模相对稳定的沿着一定方 向、路线连续不断的流动。 海面上的风所引起的影响深度仅仅几百米， 是表层流，它的流动随深度而减弱。 海水温度与盐度变化导致海水密度分布变化 ，并决定海洋压力场的海水流动。 海流不仅使平台桩柱或基础周围的海底发生 冲刷和淤积，还会对桩柱本身产生一定的冲击 力，会影响水下的结构和设施。 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 潮汐 是由于太阳和月球引力引发的海水周 期性的涨落。 包

7、括两种运动：一种是垂直性涨落，另一种 是水平方向的流动。 由于潮汐的运动，平台会上下浮动，左右摆 动，对于钻井定位和钻进深度有较大影响。 海冰 是在高纬度地区特有的水文现象。海 冰是由于海水温度过低而形成的。 海冰破坏力极大，海冰可以推移油轮，挤压 船体，搁浅船只，推倒平台。 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 海啸 是由海底地震、海底火山喷发、海底 崩塌、海岸的岸坡塌方及滑坡引起的。 海啸从中心开始，波高很小，一般几十厘米 ，波长却极大，移动速度可高达800 km/h。对 近海钻井采油装备影响是致命的。 1.1 海 洋 石 油 开 发 环 境 1.2 海 洋 石 油 开 发 特 点 海上

8、油田开发工程涉及了海上物探工程技术 、海上油藏工程技术、海上钻井工程技术、海 上采油工程技术、海上油气集输工程技术、海 上建筑工程技术、海上施工技术、海上定位导 航技术、海上搜救技术，海场保护技术、海上 通信遥控技术、海上安全保障技术、海上运输 、海洋气象、海上工程地质以及现代工程技术 管理等诸多技术领域。 海洋石油工程开发是一个知识、资金、技术 密集而又具有风险的系统工程。 （1）技术复杂、难度大 1.2 海 洋 石 油 开 发 特 点 开发海上油田，要在恶劣的海洋环境中建造 平台、铺设海底管道，确保海上油气生产作业 的安全，这不仅技术复杂，而且所需的设备质 量高，使得海上油田投资巨大。 据

9、统计，海上油田投资额将随海区环境以及 水深的不同而比陆地上高出 310 倍。 （2）投资巨大 1.2 海 洋 石 油 开 发 特 点 由于恶劣的海洋环境会给海洋石油开发带来 灾害，所以开发海洋石油具有一定的风险。 尤其是海洋环境具有很强的区域特性，人们 难以沿用其他海区的开发经验，同时在开发过 程中会出现一些难以预料的问题， 因此风险 大。 （3）风险大 1.2 海 洋 石 油 开 发 特 点 海上油田从勘探到开发一般需3到5年，从开 发到投产需3到4年，总建设期长达 610 年（ 陆上油田建设周期一般在2年以内）。 在油田投入开发后，考虑到在恶劣的海洋环 境中作业，存在海上平台的腐蚀及结构的

10、疲劳 问题，以及昂贵的海上操作费用，一般采用加 快开采速率的办法，尽可能缩短在风险环境中 的作业时间。因此，海上油田开发寿命比较短 ，中、小油田一般都在 810 年左右。 （4）开发建设周期长，油田寿命短 1.2 海 洋 石 油 开 发 特 点 由于海上石油平台的空间有限，在发生事故 后逃生的途径相对较少，救援工作也非常困难 ，只能依靠守护船舶和直升机，离较远的平台 直升机从陆地起飞到平台需要几个小时，还要 受到天气和海况的限制。 1979年11月25日凌晨3时30分左右，石油部海 洋石油勘探局的渤海二号钻井船，在渤海湾迁 往新井位的拖航中翻沉。因为风浪大、天气寒 冷，当时船上74人，72人死

11、亡，直接经济损失 3700万元。 。 （5）救援工作难度大 海上石油装备主要包括：海上钻井设备系统 ，海上油气开采设备系统，海上油气集输设备 系统，海上修井设备系统等。 1.3 海 洋 石 油 装 备 简 介 海上钻井设备系统主要是钻井平台，钻井平 台分为移动式钻井平台和固定式钻井平台。 海上油气开采设备系统包括固定平台开采系 统，浮式开采系统和水下开采系统。 海上油气集输系统主要包括生产管汇，测试 管汇，油气汇集系统，油气处理系统，注水系 统，储运系统等。 海上修井设备主要包括固定平台修井装置， 自带支持系统修井装置，修井辅助装置、泵送 工具等。 1.3 海 洋 石 油 平 台 简 介 海洋

12、平台是在海洋上进行石油钻探与生产作 业所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两 大类。在钻井平台上设钻井设备，在生产平台 上设采油设备。平台与海底井口有立管相通。 1.3 海 洋 石 油 平 台 简 介 导管架海洋平台(Jacket) 钢桩穿过导管打 入海底，并由若 干根导管组合成 导管架。 适用于浅近海。 1.3 海 洋 石 油 平 台 简 介 坐底式海洋平台 平台分本体与下体（即浮箱），由若干立柱连接平台 本体与下体，平台上设置钻井设备、工作场所、储藏与 生活舱室等。 坐底式钻 井平台是早期 在浅水区域作 业的一种移动 式钻井平台。 1.3 海 洋 石 油 平 台 简 介 自升式海洋平台(J

13、ack-up) 由一个上层平台和数个 能够升降的可接地的桩腿 所组成的海上平台。 平台既要满足拖航移位 时的浮性、稳性方面的要 求，又要满足作业时着底 稳性和强度的要求，以及 升降平台和升降桩腿的要 求。 适用于不同海底土壤条件和较大的水深范围。 1.3 海 洋 石 油 平 台 简 介 半潜式海洋平台（Semi） 大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式 平台，由平台本体、立柱和下体或浮箱组成 。 平台上设有钻井机 械设备、器材和生活 舱室等，供钻井工作 用。 平台本体与下体之 间连接的立柱，具有 小水线面的剖面，主 柱与主柱之间相隔适 当距离，以保证平台 的稳性，所以又有立 柱稳定式之称。

14、 1.3 海 洋 石 油 平 台 简 介 张力腿海洋平台（TLP） 张力腿式平台利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力 与平台的剩余浮力相平衡。 张力腿式平台的重力小 于浮力，所相差的力可依 靠锚索向下的拉力来补偿 ，且此拉力应大于波浪产 生的力，使锚索上经常有 向下的拉力，起着绷紧平 台的作用。 1.3 海 洋 石 油 平 台 简 介 Spar海洋平台 主体是单圆柱结构，垂直悬浮于水中，特别适宜于深 水作业，在深水环境中运动稳定、安全性良好。 1.3 海 洋 石 油 平 台 简 介 左到右依次是导管架平台，自升式平台，半 潜式平台，钻井船，张力腿平台。 钻井隔水管系统从钻井平台一直延伸到水下 防喷

15、器，形成了钻井液的循环通道。其主要作 用是隔离海水，支撑各种控制管线（主要包括 节流和压井管线、钻井液补充管线、液压传输 管线等），吊装水下防喷器，为钻杆、钻具顺 利下入井口提供导向。 1.4 水 下 石 油 装 备 简 介 国外主要生产商有 Vet-Co、Cameron、 AkerKvaerner等公司。 （1）钻井隔水管系统 水下防喷器是海洋石油钻井过程中的重要设 备，它能够有效防止井喷事故发生，是石油勘 探钻井过程中的安全保障。 水下防喷器组一般由46部单双闸板防喷器 和1部环形防喷器组成，上部连接隔水管装置 ，下部连接海底井口装置。 与陆地防喷器相比，水下防喷器具有通径大 、耐高压、防

16、腐蚀、耐冲击、自动化控制程度 高、安全性好、可靠性高等特点。 1.4 水 下 石 油 装 备 简 介 国外主要生产商有Cameron、Shaffer、 Hydril等公司。 （2）水下防喷器 水下采油树的使用始于1967年。至今已有l 200多套水下采油树应用在250多个采油项目中 。它需要满足海水压力、腐蚀、风浪、暗流等 复杂环境的使用要求，工作压力较高，采用电 、液控制。 1.4 水 下 石 油 装 备 简 介 国外主要生产商有FMC、Vetco、 AkerKvaemer、Cameron、Dill-Quip等公司。 （3）水下采油树 水下集输系统是指在钻完井后，用于油气集 输的生产管线、出油管、井口之间的连接设备 。其主要功能是：提供生产管线、出油管线和 钻井的交互界面；注入气体和化学物质，控制 流体；分配电力和液力控制系统；支撑管汇、 出油管线以及缆线；保护管线和阀门正常工作 ；在水下机器人操作过程中提供支撑平台。 1.4 水 下 石 油 装 备 简 介 （4）水下集输系统 国外主要生产商有FMC、Vetco、 AkerKvaemer、Cameron、Dill