海洋石油钻采装备与结构前言、第一章

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1、前言 海上石油平台 海上平台按使用功能分类，可划分为：海上钻探、海上油和气开采、海上油和气集输和海上服务四类。 （一）海上钻探 钻探平台主要用来安装钻探设备，进行钻探活动，故必须有相应的甲板面积和载重量。 这类平台在钻探工作时尽可能减少其位移，以限制平台的钻探设备（如钻管等）的受力和变形，保证正常的钻探工作。根据操作情况，这种位移在垂向应不大于 1.5m，水平方向应不大于水深的 6%，平台的纵横倾角应不大于 3 度。 因为一口油井约需钻 1 4 个月，所以这类平台，在早期油田开 发中，以移动式较为有利，可以便于经常迁移。这类平台有半潜式、自升式和船舶式等。但在大规模油田的开发中，也有用固定式平

2、台作为多井钻井平台，随之作为开采平台使用的。 （二）海上油气开采平台 开采平台主要用来开采油、气和对油、气进行初步处理（如油气、油水分离）的，它必须成为多口生产井和油气处理设施的基础。故必须有相应的甲板面积和载重量，但对位移限制则没有钻探平台那么严格。 由于这类平台固定在一个定位点的使用时间较长，一般多使用固定式的，如导管架平台或重力式平台，在浅水区，固定式平台也较经济 。但在深水区，或在早期生产中，则以使用移动式平台较为经济。 （三）海上油、气集输平台 开采平台生产的油、气，可以自己储存一部分，大量的则需另用储油平台贮存，并由此平台通过固定的管线或穿梭油轮向陆上输送。这在同一地区同时有若干个

3、开采平台时显得尤其必要。从安全的观点看，开采平台和贮存平台分开更有好处。 （四）海上服务平台 海上服务可包括多方面的内容，如海上居住平台，海上起重平台，以及打桩、铺管作业等。 工作人员长期生活在海上，条件恶劣，工作紧张，故居住条件应能保证船员的充 分休息，例如能保证摇晃小，振动小，振动频率低等，还应能保证船员的充分安全，对防火，救生等应符合有关规范的要求。对浅水和多井的作业区，居住平台可用固定式的，但在深水区，则多用半潜式的。 其他如起重、打桩、铺管等作业平台，对海洋环境的运动响应也都有一定的要求必须给予满足。 图 1 水深和钻井平台的形式选择 图 2 水深和采油平台的形式选择 第一章 海洋石

4、油钻井装备与结构 第一节 海上钻井平台 海上钻井平台是指在海上钻井时的工作场所。就其作业特点来说，可分为固定式与浮动式两种。前者作业时固定于海底；后者作业 时漂浮于海面，随海水浮动。本节拟逐次介绍海上钻井平台的类型及选择，以及平台上钻井设备的组成和特点。 一、海上钻井平台的类型、性能及选择 （一）海上钻井平台的类型、性能 海上钻井平台按照能否移动来划分，可分为两大类。 1.固定式：固定钻井平台。固定于海底后，即不能再移动。 2.移动式：包括自升式钻井平台、坐底式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井浮船。作业完成后，它们可以通过拖航或自航，移运至其它地点。 在表 1 1 中列出了移动式钻井平台的性能参

5、数，各类钻井平台的结构及其对比情 况如图 1 3 所示。 图 1 3 各类钻井平台对比图 表 1 1 各类移动式钻井平台的性能 （二）各类钻井平台的结构及特点 1固定钻井平台 固定平台是借助导管架固定在海底的一个高出水面的建筑物，上面铺设甲板，作为平台，用以放置钻井机械及设备。其类型有： （ 1）按导管架的结构型式分，有直桩式、直桩斜桩式、联结式三种，如图 1 4 所示。 图 1 4 固定平台的结构型式 （ 2）按桩柱制造材料分，有木桩、钢桩、混凝土桩三种。混凝土桩一般预制好后，再在海上打桩。目前多用钢 管桩即在空心钢管中浇注混凝土的结构。 （ 3）按打桩用的设施分，有带桩架、不带桩架两种，如

6、图 1 5 所示。前者通过打桩架打桩，打桩后，打桩架即作为导管架的组成部分。后者需在驳船运送来的甲板上打桩，打桩后留下甲板固定好，驳船即离开，此法应用广泛。 图 1 5 带桩架与不带桩架的固定平台 （ 4）按钻井设备布置分，有带辅助船、不带辅助船两种。前者将钻杆、套管、泥浆材料库、水泥库等器材存放在辅助船上，因而平台面积可缩小至 1530m2。后者需加大平台面积至 16 40m2，或采用多层式结构，分层布置设 备，但因高度增加，稳定性差。 固定平台的优点是： 1）稳定性好。 2）海面气象条件对钻井工作影响小。 其缺点是： l）不能移运。 2）造价高，适用水深有限，它的成本随水深而急剧增加。 固

7、定钻井平台一般应用于有价值的油田，且适用水深在 20m 以内。完井后可做采油平台用。 2坐底式钻井平台 坐底式钻井平台是一种具有沉垫（浮箱），并借助沉垫可坐于海底，漂浮海面则可拖航的移动式平台。如图 1 6 所示，其上为工作台，下为沉垫（浮箱），中连支撑管柱，总高度大 于工作水深。我国自行设计与建造的“胜利一号”坐底式钻井平台如图 1 7 所示。 图 1 6 坐底式钻井平台 图 1 7 坐底式钻井平台 其结构组成有： （ 1）沉垫（浮箱）利用充水排气及排水充气的沉浮原理来控制沉垫沉降或上升。钻井时，沉垫中注水，因而可坐于海底。完井后，沉垫排水充气，构成浮箱，因而平台升起，即可拖航。沉垫（浮箱）

8、有船舱型及浮筒型两种。 （ 2）工作平台 用于安放机械设备。有正方形、长方形。三角形三种型式，与中间支柱焊接相连。一边有开口，以便于完井后移运；另一边安置吊梯 或起重机，以便从辅助船上搬运器材。 （ 3）支柱一般采用金属桁架结构，与平台及沉垫相连接，它的高度随工作水深而定，约为 20 30m。若在四个角柱处增添大直径的钢瓶或浮筒，则其适用水深可略增，稳定性也可提高，升降速度也可加快。 坐底式（沉垫式）钻井平台的优点是：钻井时固定牢靠；完井后移运灵活。其缺点是：工作平台高度恒定，不能调节；工作平台面积不宜过大，否则不易拖运；工作水深较浅。 3自升式（桩腿式）钻井平台 自升式（桩腿式）钻井平台是一

9、种具有自行升降的数根桩腿，并借助桩腿稳定于海底的移动 式平台。如图 1 8 所示。 图 1 8 自升式钻井平台 其结构组成有： （ 1）桩腿 按其结构来分，有圆柱及桁架两种。按其升降方式来分，又有气动、液压、齿轮齿条传动三种。管柱桩腿采用气动或液压方式升降，而桁架桩腿则采用齿轮齿条传动方式。桩腿长度视水深而定，一般为 75 125m。 （ 2）工作平台 本身就是一个驳船甲板，用以安放机械设备。钻井时，桩腿下降，支在海底，平台高出海面，以便进行作业。完井后，先将平台降至海面，再拔起桩腿，于是驳船漂浮于海面，以便拖运。 自升式钻井平台的优 点是：对水深适应性强，稳定性好；但缺点是不适于在更深的海域

10、工作。 4钻井浮船 钻井浮船是利用改装的普通轮船或专门设计的船作为工作平台，如图 1 9所示。它的船体可以是一个或者两个。前者必须在海底完井，否则船移动时会撞坏井口装置，后者则可在海面上完井。 图 1 9 钻井浮船 钻井浮船的船体一般用钢材制成，也可用钢筋混凝土制成。后者节约金属且耐腐蚀，但需用预应力钢筋混凝土构件，以保证其强度、抗冲击和抗震能力。 钻井浮船到达井位后，要抛锚固定。作业时特别是遇到风浪时，钻井浮船船身产生上下升沉及前 后左右摇摆，因此，在钻井浮船上，应合理布置机械设备，增设升沉补偿装置、减摇罐，及采用自动动力定位系统等多种措施来保持船体稳定。 钻井浮船的优点是：移运灵活，停泊简

11、单；适用水深大，最大可达 5000m。其缺点是：稳定性差；受海上气象条件的影响大。 5半潜式钻井平台 半潜式钻井平台与坐底式钻井平台相似。在浅水区，沉垫坐于海底，可作为坐底式钻井平台使用，而在 30 200m 深水区，平台处于漂浮状态，相当于钻井浮船，如图 1 10 所示。 图 1 10 半潜式钻井平台 其结构组成包括： （ 1）沉垫（浮箱）常制成船形，内有供沉降用的压载舱。沉垫的横截面为矩形或梯形。前者压载水舱对称，易于控制排、灌水；后者能适应钻井船上载荷的不均匀性，拖运时阻力较小，迎浪性能好。 （ 2）船体 可用钢材或钢筋混凝土制成。应有缺口或做成 V 形，以便于完井后拖运时不受水下井口装

12、置的阻碍。 半潜式钻井平台的优点是：稳定性较钻井浮船好。当沉垫中注水后，可使整个装置下部有 20 30m 浸没在水中，再加上用锚链固定，故虽处于漂浮状态，但仍比钻井浮船稳定；另外它移运灵活。完井后，沉垫排水，形成浮箱，使整个装置升起，至吃水 仅 7 8m 时，即可自航或拖航。因而，它兼有坐底式钻井平台及钻井浮船的优点。 总之，由于半潜式钻井平台既能满足水深多变的要求，又能较好地解决稳定性及移运性问题，因此，它比其它钻井平台更有发展前途。现在作业于我国海域的半潜式钻井平台如图 1 11 所示。 图 1 11 半潜式钻井平台（长度单位：米） （三）海上钻井平台的选择 钻井平台的选择一般应根据海域的

13、水深来考虑，即： l）水浅、油田已探明或已进入开发阶段，宜选用固定式钻井平台。 2）水深在 20 30m 间，风浪不大，海底平坦而 柔软，且无冲刷海流，可采用坐底式钻井平台。 3）水深虽在 30m 以内，但浪高大于 3m 的时间仅占一年内的十分之一以下时： 对勘探井，宜选用带辅助船的自升式钻井平台。 对生产井，可选用固定钻井平台加辅助船。 风浪更大时，因辅助船抗风浪能力差，故宜选用自给式（不带辅助船）的自升式钻井平台。 4）水深超过 30m，但在 60m 以内，风浪较大时： 对生产井，选用固定钻井平台加辅助船。 对勘探井，选用自给式的液压自升式钻井平台。 5）水深超过 60m，可选用半潜式 钻

14、井平台或钻井浮船。钻井浮船适用水深更大，可达 600m。 6）海上特殊作业如安装平台、吊装重型设备等，宜用自升式钻井平台。因钻井浮船受海上气象条件影响大。 7）钢筋混凝土钻井平台因强度低，且不易安装设备和移动位置，故不主张用于钻井作业。 二、海上钻井设备的组成 海上钻井设备由以下几部分组成： （一） 动力设备 根据钻井平台能否自航而不同。 不能自航的，实际上是一个独立电站。 能自航的，可使航行用与钻井用动力设备共用或分开。 主要包括： 1） 钻井用动力设备 一般用柴油机带动直流或 者交流发电机，然后再使用直流电动机驱动。也可采用燃气轮机发电。 2） 航行用动力设备 一般称为轮机，常用大功率的船

15、用柴油机或燃气轮机。 3） 浮船定位用动力设备 如动力定位钻井浮船的定位螺旋桨用的直流电动机等。 4） 桩腿升降用动力设备 如自升式钻井平台升降桩腿时所需用的电动机等。 5） 辅助工作用动力设备 如锚泊、照明、起重等辅助工作用的电动机及备用的柴油机、发电机等。 （二） 钻井设备 海上钻井用的绞车、转盘、泥浆泵等与陆上钻井基本相同。 除此之外，特殊需要的设备有： 1） 浮动钻井用升沉补偿 装置 用来解决浮动平台随波浪升沉而引起钻柱做上下往复运动的补偿问题。一般在半潜式钻井平台与钻井浮船上均需配置。 2） 钻井用水下井口设备 用以隔绝海水，造成自平台至海底井口装置间的通道。对于采用水下井口的钻井平台和钻井浮船，均需配置。 3） 钻杆排放装置 海上钻井一般多采用卧式钻杆排放装置，因为它与立式者相比，重心低，承受风浪载荷的能力强，平台平稳性好。 它主要包括有立根移送机构、钻杆排放架和控制台等。 4） 泥浆配置设备 主要包括有泥浆池、搅拌器、装料泵、混合泵及泥浆储罐等 5） 泥浆净化 装置 主要有泥浆振动筛、脱气器、除砂器、除泥器等。 6） 测井设备 主要有测斜仪、泥浆录井装置、自动测试仪等。 （三） 固井设备 为了在海上进行固井，需在平台上配备一套完整的固井设备，一般采用柴油机作为动力。包括有柴油机动力机