《海上钻井平台综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海上钻井平台综述.docx（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、在石油钻井领域中，目前国际上对深水的定义不尽相同：2002年在巴西召开的世界石油大会上提出将400 m作为划分深水的标志线口 ；Shell及BP公司规定水深超过500 m是深水；全球主要深水钻井承包商之一的Oceaneering公司认为水深超过910 m才属于深水；我国目前采用的深水标准是500 m。由于全球对原油的消耗量不断增长，陆上和浅水区域的原油产量已不能满足需求，因此深水油气勘探与开发引起各国的高度重视。而随着深水油气勘探开发受到重视，全球深水钻井装备、深水钻井高新技术研究与应用得到了快速发展，深水钻井关键技术不断取得突破。1 深水钻井技术的挑战与发展状况11 深水钻井技术的挑战水深带
2、来的挑战。随着水深的增加，钻具、钻井液、隔水管用量和海洋环境复杂性都相应增加，这对平台承载能力、钻机载荷、甲板空间等提出了更高的要求。随着工作水深的增加，作为深水油气开发的主要装备 浮式钻井平台已经开发出了六代产品。工作水深从几百米增加到超过3 000 m；载荷也从几千吨增加到上万吨。另外，随着水深的增加，隔水管需要具备更大的抗挤压能力，对钻井液、完井液的流变性也提 了新的要求，同时，海底的所有装备也要承受更低的温度和更高的压力。风浪流带来的挑战。深水环境的风浪流会引起钻井船的移位，导致隔水管发生变形和涡激振动，因此对其疲劳强度设计提出了更高的要求。环境载荷超出隔水管作业极限载荷时，需要断开隔
3、水管系统和水下防喷器的连接。悬挂隔水管的动态压缩也可能造成局部失稳，增大隔水管的弯曲应力和碰撞月池的可能性。强烈的海洋风暴对钻井平台具有灾难性的破坏作用，因此深水钻井对海洋风暴的预测及钻井平台快速撤离危险海域提出了更严格的要求。低温带来的挑战。海水温度随水深增加而降低，海底温度(即使在热带)一般为4左右，有些地区达 3，海水的低温可以影响到海底泥线以下约数百米的岩层。低温带来的问题主要包括：海水低温环境使隔水管中的钻井液流变性发生变化，可使钻井液的黏度和密度增大。钻井液的黏度增大可产生凝胶效应，在井筒流动中产生较高摩擦阻力，增大套管鞋处地层被 开的风险。钻井液流变性的变化给井筒压力计算和控制带
4、来了极大的冈难。此外，海底低温延长了水泥浆的凝固过程，使水泥浆长时间处于胶凝失重状态，发生流体窜流的机会大增，导致水泥浆机械性能变差，强度降低。海底附近的低温高压环境给井筒形成水合物提供了适宜的条件，如果钻井液或压井液中携有一定量的天然气，那么在海底泥线附近的井筒及防喷器中极易形成水合物，导致井控设备失效等。水合物带来的挑战。钻井过程中水合物的形成会带来以下影响：1)阻塞节流、压井管汇和钻井液(气)分离器，无法进行循环作业；2)在防喷器中部或下部造成阻塞，妨碍油井压力监测；3)阻塞物在井眼环空中形成，妨碍钻杆旋转和移动。深水固井过程中，水泥水化放热导致气体水合物分解，气体流动造成井壁不稳定或水
5、泥浆气窜，环空水合物分解释放出大量气体可能憋漏套管鞋处地层。深水井测试中，关井、诱喷或节流效应导致井内温度降低，低温生成的水合物会堵塞测试管柱，造成测试失败。水合物分解出的气体进入井筒使钻井液密度降低，诱发井涌和井喷。此外，如果在钻井过程中钻遇水合物层(藏)，由于钻井破坏了水合物藏的温度、压力环境，会导致水合物层中水合物的分解，影响井筒稳定性等。窄钻井液安全密度窗口带来的挑战。 深水造成的欠压实，使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄。窄密度窗口地区钻井事故频繁，容易发生井漏、井涌、井塌、卡钻、涌漏同层等井下故障，窄钻井液安全密度窗口导致套管层数增加，甚至无法钻至目的层。窄钻井液安全密
6、度窗口也给深水井控带来了很大的难题。深水钻井地质灾害。深水地质灾害包括海底表层疏松、浅层流动等引起的灾害，其中浅层流动危害是重要的危害之一。海底浅层流包括浅层气流和浅层水流。浅层流冲刷可能造成水下井口、防喷器组和导管塌陷。浅层气流中的气体进入海水后，海水密度降低，钻井平台所受浮力减小，容易造成平台倾覆、火灾等事故。海床泥水分界面以下的地层大部分是易坍塌的疏松泥岩和页岩，易发生井壁坍塌，导致钻井故障或事故。12 国外深水钻井技术发展现状121 深水双梯度钻井技术在深水、超深水钻井叶中，由于破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄，如果采用常规钻井技术易出现井漏、井涌、井塌、卡钻和涌漏同层等井
7、下故障，采用双梯度钻井技术可以从根本上解决这些问题。双梯度钻井技术大体以海底泥线为分界线，在井筒和隔水管之间使用不同的压力梯度，从而扩宽井底压力和破裂压力之间的钻井液密度窗口，因此可以减少套管层次，进而有效实施钻进作业，节约材料，并大幅度缩短建井周期。目前主要通过两种方式实现双梯度钻井：一种是钻井液通过安置在海底的钻井泵和小直径返回管线回到钻井平台，在这种设计中，如果使用隔水管，则在隔水管内充满海水；另一种方式是钻井液通过隔水管返回平台，此时为了降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水相当，需在隔水管中注入低密度介质(空心微球、低密度流体、气体)。双梯度钻井能够用较大的井眼钻至目的层，从而可
8、以采用更有效的完井方式完井，同时可以有效控制井眼环空压力、井底压力，克服深水钻井中遇到的窄安全密度窗口问题，满足深水钻井快速、安全、经济的要求。122 深水浅层钻井技术为了避免钻井过程中井内钻井液压力不足以平衡高压含水地层的压力、发生浅层流导致的各种问题，常规做法是先预钻小井眼释放地层压力，然后再进入正常钻进程序。即使如此，钻进中也可能发生浅层流导致的井涌或井喷。为此，国外开发出一种动态压井钻井技术，该技术是利用大排量钻井液循环产生的流动压耗和混配的加重钻井液两者产生的压力来平衡浅层高压，实现浅层窄安全密度窗口地层的正常钻进。该技术节省了加重钻井液的时间，真正实现了边钻进边加重的动态压井钻井作
9、业，提高了钻井效率，缩短了钻井周期。123 深水钻井水合物预测及抑制技术深水钻井海底为低温高压环境，极易促使天然气水合物在井筒、井口管线和防喷器内形成气体水合物，将造成堵塞，同时对钻井液的流变性产生直接影响，给正常钻进和井控工作带来严重隐患。因此在深水钻井过程中要预防天然气水合物的形成，在预防之前还要预测水合物生成的量和生成位置，以便为采取水合物抑制措施提供依据。目前对井筒中水合物生成量的预测方法受井下复杂条件的限制，还不能做到十分精确，但可以通过建立井筒的温度压力场，并结合天然气水合物生成的温度压力条件，来判断水合物是否形成及其形成的具体范围，达到预测水合物生成区域的目的。水合物抑制技术就是
10、通过破坏水合物生成条件达到防止水合物生成的目的。目前预防和抑制水合物生成的措施有：除水法、加热法、降压控制法、添加热力学抑制剂法、添加动力学抑制剂法。而添加热力学抑制剂法是目前应用最广的水合物抑制方法。124 深水钻井液及固井水泥浆技术深井钻井液应具有的特性包括：1）良好的页岩抑制性；2)在低温下有良好的流动性；3)良好的悬浮和携岩能力，对于大位移井、大直径井眼更为重要； 4)良好的水合物抑制能力；5)滤失量低，与地层配伍性好。除了以上特性，深水钻井液还要满足保护油气层和海洋环境的要求，因此油基钻井液在深水钻井中的应用受到限制。目前深水钻井中最常用的钻井液体系有高盐PHPA(部分水解聚丙烯酰胺
11、)聚合物+聚合醇水基钻井液体系和合成基钻井液体系。水基钻井液由于其优良的性能和较低的成本，已被广泛用于深水钻井作业中。但由于典型水基钻井液体系的塑性黏度、热膨胀性和压缩性均比合成基钻井液体系低，因此合成基钻井液也是国外深水区域常用的钻井液体系之一。表层套管固井是深水固井的难点和关键点。海底的低温是最主要的影响因素；破裂压力梯度常常要求使用低密度水泥浆；深水钻井设备费用高又要求水泥浆能在较短的时间内具有较高的强度。因此，深水水泥浆应具有以下基本性能：密度低；在低温下过渡时间较短，抗压性能优良；失水低；与套管、地层密封和胶结的长期性能好；顶替效率高。目前国外深水固井水泥浆体系有低密度填料水泥浆体系
12、、低温快凝水泥浆体系、泡沫水泥浆体系、最优粒径分布水泥浆体系和超低密度水泥浆体系等。2 深水钻井关键装备发展现状21 钻井船、半潜式钻井平台 深水钻井中，钻井装备应能承受风浪流的反复冲击、特殊海区海冰的作用、强热带风暴的作用及海洋环境对设备的腐蚀破坏，因此，深水钻井装置面临的最大挑战是保证平台在恶劣海况下的安全性和可靠性。目前发展出了两种比较成熟的适合于深水钻井的设备：一类是深水钻井船；一类是深水半潜式钻井平台。211 深水钻井船深水钻井船主要包括船体、锚泊或自动力定位系统和自航行系统。它具有良好的机动性，自航能力强，移动灵活，停泊简单，适用水深范围大。其中，自航行是浮式钻井船的一个显著特点，
13、因为有此特点，且运移性能好，所以浮式钻井船可在水深3 657 m的深水区作业。以上是深水钻井船的优点，其缺点是夹板使用面积小，工作受海洋环境因素影响大。212半潜式钻井平台半潜式钻井平台由坐底式钻井平台发展而来，有上层工作甲板、下层浮体结构、中间立柱或桁架3部分组成。半潜式钻井平台具有抗风浪能力强、运动性能优良、甲板面积和装载容量巨大及作业效率高等特点，在深海能源开采中具有其他型式平台无法比拟的优势。浮体提供半潜式钻井平台的大部分浮力；立柱用于连接工作平台和浮体，支撑工作平台；工作甲板用于布置钻井设备、钻井器材、起吊设备及安全救生、人员生活设施和动力、通讯、导航等设备。钻井作业时在浮体中注入压
14、载水，使平台大部分沉没于水面以下(半潜状态)，以减小波浪的扰动力。作业结束时，排出浮体内的水，上浮至拖航吃水线，即可收锚移位。半潜式钻井平台自20世纪60年代出现，已经历了从1代到6代的发展历程。第6代半潜式钻井平台出现于2l世纪初，采用动力定位，船体结构更为优化，质量减小，配备了自动控制系统，可变载荷更大，作业水深达到3 O483 812 m，最大钻井深度12 000 m，其井架承载能力达到11 340 kN，钻井绞车功率达到5 292 kW ，钻井、顶驱和钻井泵的驱动方式为交流变频驱动或静液驱动。第6代平台比以前平台更先进的设计在于采用了双井口作业方式，即该平台钻机具有双井架、双井口和双提
15、升系统。213 超深水钻井平台发展趋势超深水钻井平台采用高强度钢，经过优化设计，可变载荷与总排水量的比值可超过0.18，总排水量与自身质量的比值可超过4.0；甲板可变载荷大(90104 kN)，甲板空间大；平台大多为正方形或矩形，多为46立柱、矩形截面、无斜撑、少节点的简单外形结构，可减少建造费用，降低整体结构产生的意外事故；具有良好的安全性，抗风暴能力强，全球全天候的工作能力和长的自持能力。钻井船将排水量与船总用钢量的比值进一步提高，主尺度 250 m(长)38 m(宽)18 m(型深)，不但具有超深水钻井平台的各种优点，而且甲板可变载荷20x 10jkN，船主机功率37107 w。不管是平
16、台还是钻井船，丁作水深都将更深，装备也更先进，动力定位系统的精度也更高。如装备交流变频驱动或静液驱动的大功率UDD钻机，单套钻机主绞车功率(373537)106 W 乃至更大；钻深 10 66812 200 m，乃至更深。预计在未来2O年内，钻深将突破l 5 000 m。22 深水钻机系统Ea3-3s为了适应深水超深水钻井的需要，传统石油钻机在向大功率交流变频方向发展。美国NationalOilwel公司生产的交流变频钻机，其绞车最大功率可达到5.37105W ；CEmsco公司生产的交流变频钻机绞车最大功率可达到3.73106W；Varco公司和德国Wirth公司生产的交流变频钻机其绞车最大功率可达到4.47106w。除了向大功率发展，带有主动钻柱运动补偿功能的数控变频驱动钻机绞车也逐渐得到发展，如美国NationalOilwel公司生产的AHD型钻机，其数控变频驱动钻机
