1、1,海洋钻井工程,主讲教师：王 林,2,第一章 绪论,海洋石油工业概况 海洋钻井的主要特点,3,第一节 海洋石油工业概况,一.海洋石油工业的发展史海洋石油开发是从1887年美国在加利福利亚州西海岸架木质栈桥打井开始的。六十年代进入飞跃发展阶段：,4,第一节 海洋石油工业概况,1984年海上十大产油国英国 11700万吨 沙 特 11250万吨 美国 8900万吨 墨西哥 8600万吨 委内瑞拉 5625万吨 挪 威 3275万吨 埃 及 2515万吨 印 尼 2210万吨 马来西亚 1870万吨 巴 西 1725万吨,5,第一节 海洋石油工业概况,1958年起有十多个国家对我国沿海进行了多次大
2、规模的地质调查和勘探。我国自己也对沿海有关海域进行了勘探开发。 南海海域：58年在莺歌海坳陷区域打顿钻发现原油； 63年用座底式平台钻了第一口海上井；75年用自升式钻井平台在莺歌海号构造打井，发现工业油流。 黄海海域：74年开始，地质部在黄海打了勘探井，发现了含油、气坳陷和多个可能的油藏。,6,第一节 海洋石油工业概况,渤海海域：66年用固定式平台钻了第一口探井，67年3月获得工业性油流，到目前已有多个油田（海四井油田、埕北油田等）投入采油，已发现多个高产含油区。84年11月渤海石油公司使用“渤海7号”自升式钻井平台在辽东湾地区打成了一口日产凝析油226方和天然气53万方的探井。东海海域：74
3、年我国第一海洋调查大队地质概查工作，并于82年钻井发现了多层高压天然气和油砂层。第11界世界石油大会认为我国东海可能是“第二个中东”。,7,第一节 海洋石油工业概况,二.海洋石油资源地质学家 L.G.威克斯估计 海洋石油有2500亿吨 由第九届世界石油会议资料 水深小于200M的海上油田已证实储量为280亿吨近海杂志1974年估计 海上石油储量为213亿吨,天然气13.5万亿m3联合国资料 水深超过200M的深海区 石油与天然气储量相当于3100 亿吨石油,8,第一节 海洋石油工业概况,我国：沿海海域面积约463万km2,大陆架 （水深200m）140万km2(渤海 7.3万km2,黄海26.
4、4万km2,东海40.2万km2,南海66.2万km2), 占我国海域面积30%左右，占世界大陆架面积的5.2%。南海东、西部公司以11250为界,9,第二节 海洋钻井的主要特点,一.海洋钻井的主要特点要有坚不可摧的井场要有隔水、引导、防喷系统、套管头要有定位系统和升沉补偿装置先进的交通、通讯及良好的生活保障有一套防腐措施和设备普遍采用丛式井（定向井）技术井身结构复杂，套管尺寸大，层次多注意安全遵守海洋法、环境法,“渤海7号”打的井30”导管 50M20”表面套管 445M13 3/8 ” 1775米技术套管 9 5/8 ” 2505米技术套管 7” 尾管 3500米,10,标准井深结构类型可
5、用于一般的深井和超深井,毫米 914.4 660.4 444.5 311.15 215.9 152.4井眼尺寸 英寸 36 26 17 1/2 12 1/4 8 1/2 6 毫米 762.0 508.0 339.73 244.48 177.8 114.3套管尺寸 英寸 30 20 13 3/8 9 5/8 7 4 1/2套管名称 表层套管 表层套管 中间套管 尾管强化 14 11 3/4 （代替121/4 95/8）用于复杂的高温高压深井,11,第二节 海洋钻井的主要特点,二.海上投资海上石油投资是较大的海上油气田开发费用随水深增加而增加 墨西哥海上油田开发费用 水深 30M 比陆地油田高1倍
6、 水深 180M 比陆地油田高1-2.5倍 水深 300M 比陆地油田高2-8倍开发费用这么大，为什么各石油公司还要把钱往水里扔呢？海上每米进尺的探明储量比陆上高27倍海上每吨储量的探明成本比陆上低6.7-23倍,12,第二节 海洋钻井的主要特点,三.海洋石油勘探开发的几项最高纪录最深的海洋钻井 钻于路易斯安那西三角27区块 6983M最深的海上采油井 位于路易斯安那州近海 深度6173米钻井最大水深 1983年美国东海 水深2386米水深最大的固定平台 壳牌石油公司建于墨西哥湾的Cognac 平台 水深312.5M最重的钻采平台 雪弗龙公司的北海Ninian混凝土平台 重达60多万吨 高16
7、7M钻井最多的平台 加利福利亚圣巴巴拉海峡的Gilda平台 可钻96口井产量最高的海上油田 1951年在沙特发现的Safaniyah油田 最大油轮 55万吨(法国）,13,第二章 海上钻井装置,海上钻井平台应满足下面三个条件适应海洋钻井区域环境且安全成本较低满足钻井、采油、测试等各项作业的要求,14,第二章 海上钻井装置,海上钻井平台的分类,15,第二章 海上钻井装置,优点：稳定性好海面气象条件对钻井工作影响小如有工业性油气，可很快转换成采油平台,固定式与移动式平台比较情况,缺点：不能够移动和重复使用造价较高，其成本随水深增加而急剧增加,16,第一节 导管架桩基平台,一.结构组成,17,导管架
8、：导管架的作用支承上部结构作为打桩定位和导向的工具将平台上面的负荷比较均匀地传递到桩上可安装系靠船的设备可作为安装上部结构时的临时工作平台,第一节 导管架桩基平台,18,第一节 导管架桩基平台,桩：用于承受平台的垂直重量及水平环境推力支承桩磨擦桩,上部结构：由承受作业机械（机器）和其它载荷的各类桁架及平台甲板组成。上层平台：用作安放井架、绞车、钻具堆放场地及宿舍等下层平台：安放泥浆泵、泥浆池、防喷器、发电房、固井设备、仓库等,19,二.导管架的运送、就位及安装,第一节 导管架桩基平台,20,第一节 导管架桩基平台,提升法：水深30M以内滑入法+起重机：水深30-70M（如图）滑入法+控制压载机
9、： 水深70-120M浮运法：水深120M以上,打桩：少则四根，多则 十多根，打入深度少则50M，多则几百米铺设平台上部结构整体铺设分块铺设 井架的移位,21,井架的移位,22,第二节 其它固定式平台,重力式平台张力（腿）式平台绷绳塔架式平台,23,重力式平台,七十年代初出现，它完全借助于其本身的重量直接稳定地座在海底分为混凝土重力式平台和钢质重力式平台混凝土重力式平台：重力式平台由沉垫、立柱、甲板三部分组成沉垫有多种形式：圆形、六角形、正方形立柱有：三腿、四腿、独腿等几种甲板有钢质和混凝土两种,24,1、混凝土重力式平台,康迪普型平台此种平台1973年出现。,塞尔默型平台,25,混凝土重力式
10、平台,与导管架平台相比，具有以下优缺点优：不需打桩 具有相当的贮油能力 节省钢材，防火、防腐性较好，维 修费用低，寿命长缺：对地质条件要求高 出现缺陷后修复较困难,26,2、钢质重力式平台,1971年意大利首造，水深90米，称洛安高平台整个平台由沉箱、支承框架、甲板三部分组成，沉箱可作贮油罐 重量比混凝土轻预制过程中对水域要求不高拖船马力小对地基承载力要求不高 贮油量小 用钢多，易腐蚀,优,缺,27,世界最大的钢质重力式平台,是英国北海莫林（Maureen)油田的一个平台，水深98M，平台结构钢重4万吨，造价3.2亿美元；固体压舱物重5.1万吨，甲板、组块和设备重16200吨，钻井导管重490
11、吨，平台储油能力为65万吨，平台建造时间36个月，于83年夏安装就位,28,张力（腿）式平台TLP (Tension Leg Platform),英国北海赫顿（Hutton）油田首次于生产中使用此平台，1983年安装，84年投产张力式平台主要由甲板、立柱（大浮体）、缆索及系缆桩组成它是今后深水用主要平台优点：受力合理、用钢少、成本低、适用于深水、对海洋环境适应性大,29,绷绳塔架式平台,研究证明：绷绳塔架式平台最经济的工作水深范围在240480米之间与钢质桩基相比，优点如下节省钢材（成本低）井口装置可设置于水面上,30,第三节 移动式钻井平台,1949年出现第一台移动式钻井装置“环球钻机40”
12、，它是一台座底式钻井平台1953年出现第一台自升式钻井平台1953年出现了浮式钻井船1961年出现了半潜式钻井平台,31,移动式钻井平台分类,座底式钻井平台自升式钻井平台半潜式钻井平台浮式钻井平台,32,座底式钻井平台,结构组成沉垫浮箱工作平台中间支撑,33,座底式钻井平台,优缺点优点：钻井时固定牢靠不受海洋环境的影响完井后移动灵活缺点：工作高度恒定，不能调节对海底地基要求高工作水深较浅,34,“胜利2号”座底式钻井平台简介,35,“胜利2号”座底式钻井平台简介,它由上海交通大学和胜利油田钻采设计研究院联合设计的世界上第一座极浅海步行式石油钻井平台，于88年9月19日在青岛北海船厂下水。这是我
13、国也是国际造船史上的一项重大突破。,36,“胜利2号”座底式钻井平台简介,“胜利2号”钻井平台长72m，宽42.5m，主甲板高12.6m排水量4000吨。平台船体结构象火柴盒，有内体和外体。在拖航、沉浮、座底等情况下，内外体由锁紧装置连接，平台在陆上移动时脱开锁紧装置，内外体在微机控制下分别起降升落，并借助于液压步行机械系统，实行内外体交替移动。该平台“一步”可跨10m，“步行”平均速度为每小时60至100m。,37,自升式钻井平台,德朗1号,38,结构组成,自升式平台由工作平台、桩腿和升降机构组成工作平台的形状有三角形、四边形、五角形等多种形状,39,桩腿,桩腿数目有3,4,5,6,12,1
14、4,18腿等多种桩腿直径从两米多到十多米不等桩腿外形桩腿箱和底垫,柱型,桁架型,矩形,三角形,四边形,圆筒形,40,升降机构,升降机构的作用是升降平台和拔桩。它分为两类：一类是孔穴插销液压升降装置，另一类是齿轮齿条式电动升降装置孔穴插销液压升降装置,41,升降机构,齿轮齿条式电动升降装置,42,自升式平台的安置与撤离,降下平台固定活动部件，关闭密封舱门，注意天气预报，检查升降机构抛锚 下降速度1ft/min拔起桩腿冲桩 迅速同时提桩 固桩拖航拖航方式有串联和并联,43,自升式平台的安置与撤离,压载压载有两种：一种是靠自身重量压载，另一种是压载舱压载升起平台平台纵向和横向倾斜不能大于1度平台离开
15、水面高度一般在618m之间,44,自升式平台的优缺点,对水深适应性强无桩脚底垫时，用钢量少，造价较低在出现意外的高海浪时，平台可增大离水面的距离桩脚插入海底时，有良好的搞侧向移动性平台离开水面后，可维修整个船体桩腿下部有底垫时，容易造成整个装置的飘移不适于更深海域拖航时，易遭风暴的袭击,优,缺,45,半潜式钻井平台,46,半潜式钻井平台,结构组成沉垫浮箱其外形有矩形、鱼雷形、潜艇形及上下平坦、左右两侧为椭圆等多种形式上部平台其外形有三角形、矩形、五角形、八角形、十字形及中字形等多种形式立柱立柱个数有3，4，5，6，8个等,抛锚作业用得较多的是45 夹角类 下面是几种典型的抛锚方法,o,47,半
16、潜式钻井平台进入井场和锚泊的第一种方法（1）,风力2到4级,风向,平台航向,48,半潜式钻井平台进入井场和锚泊的第一种方法（2）,风力2到4级,49,半潜式钻井平台进入井场和锚泊的第二种方法（1）,风力6级,50,半潜式钻井平台进入井场和锚泊的第二种方法（2）,风力6级,51,半潜式钻井平台进入井场和锚泊的第三种方法（1）,风力6级,52,半潜式钻井平台进入井场和锚泊的第三种方法（2）,风力6级,53,半潜式钻井平台优缺点,优点：稳定性好移动灵活兼有座底式平台的优点,缺点：造价高净负荷能力小航行速度较低,54,浮式钻井船,第一艘浮式钻井船是1953年改装下水的,船体有单船体和双船体,55,增设
17、升沉补偿装置采取定位（抛锚或动力定位）措施中心抛锚以减少摇摆采用钻杆自动排放架设置减摇舱、减摇罐采用双体船型，增加横摇周期,人们采取克服船体运动对钻井影响的措施,56,浮式钻井平台优缺点,优点：适用于较深的海域移动性能好造价较低，易维护船速高,缺点：对风浪极为敏感、稳定性差被迫停工率高,57,第三章 移动式钻井平台的锚泊定位系统,锚泊定位系统锚系的组成锚系的分类平台对锚系的要求锚泊系统的布锚方式,第一节 锚泊定位概述,58,第一节 锚泊定位概述,锚泊定位系统它是在海底设置固定的基底设备，用锚泊线将水面系留物（平台）与基底设备联系起来，从而限制系留物（平台）的漂移锚系的组成它是由锚（基底设备）、
18、锚链（锚缆）、锚机、锚架、锚浮标等组成。（见照片）,59,锚系的分类,移动性锚系暂时性锚系永久性锚系,60,平台对锚系的要求,要满足升船前的锚泊定位要求要满足锚泊定位后的移船就位要求要满足拖航过程中对锚泊的要求,定位要求最大漂移半径56%水深常为漂移半径23%水深拖航与就位的要求控制平台的漂移确保平台的生存拖航时，与自升平台相同移船就位的要求,自升式平台,半潜式平台,61,浮式平台的锚泊要求,1、最短出链长度要求：该长度应该大于锚链承受极限张力（1/2锚链破断张力）时的悬链长度，以保证锚前面始终有一段锚链水平躺在海床上，使锚总是承受水平拉力。2、锚链张力（锚抓力）试验：即预计的最大锚链张力试验
19、，一般不超过锚链破断张力的1/3。如张力试验达不到要求，要调大锚爪角，或增加串联锚等。3、锚链预张力：根据当平台位移达到5%水深时，锚链张力达到其1/3破断张力来确定,62,锚泊系统的布锚方式,临时锚泊定位锚泊,63,第二节 锚泊系统的静力分析,悬链线它是一种具有均质、完全柔性而无延伸的链或索自由悬挂于两点上所形成的曲线悬链线方程,64,悬链线方程,65,悬链线方程,66,悬链线方程,67,悬链线方程,即悬链线的水平张力相等,由和式，得,在a,b段上积分,由式得 代入式得,68,悬链线方程,由于 代入上式得,积分,69,悬链线方程,同理由和式得,由式得,70,悬链线方程,注意：a 点并未与海底
20、相切(9)(13)是锚链线静力分析的基本公式),71,锚泊线静力分析,以,并将,代入 则可得如下的公式,单一成分锚泊线,72,锚泊线静力分析,单一成分锚泊线,73,锚泊线静力分析,二成分锚泊线,74,锚泊线静力分析,二成分锚泊线,75,锚泊线静力分析,二成分锚泊线,76,迭代法,先假设一个Q值，代入（18）、（19）式可算 、 。将求得的 和已知的 及假设的Q代入（24）、（ 25 ），就可算出h1和h2。再检验h1+h2是否等于h。若不等，就修正Q值，再重复上一过程，直至h1+h2与h的差值达到所要求的精度为止，这在计算机上是很容易实现的，其它参数也就容易解出了。,77,锚泊线静力分析,二成
21、分锚泊线,若已知 ， ， ， 和预张力 ，要确定在预张状态下悬垂长度 及其他相应参数，则可能出现多种情况：,若 ，则有三种情况：,没有被完全提起,恰好被完全提起,不仅 全部提起且 被部分提起,以上三种情况应根据公式 来进一步判断 的大小,78,锚泊线静力分析,二成分锚泊线,79,二成分锚泊线,若 ，表明 长度不足，下段 也要提起一部分，按至(26)式用迭代法先假设一个 按公式（20）计算出Q，再代入（18）、（19）式中可算出 将已知代入（24）、（25）中，可算出h1、h2，再检验h1+h2是否等于h。若不等，就修正 值，再重复上一过程，直至h1+h2与h的差值达到所要求的精度为止，其它参数
22、也就容易解出了注意：实际下段长度 应大于假设的,80,锚泊线静力分析,二成分锚泊线,81,第四章 海上钻井特殊工艺和装置,水下井口装置升沉补偿装置钻井施工和水下井口安装绳索作业及完井方法,82,第一节 水下井口装置,水下井口装置的功用及组成水下井口装置各部件的作用,83,水下井口装置的功用组成,功用隔绝海水、引入钻具、导出泥浆适应升沉、漂移和摇 摆的工作环境控制井口组成导向装置套管头组防喷器组隔水管柱连接器其它,84,水下井口装置各部的作用,井口盘：其作用是固定海底井口位置，确定一个开钻基点，并承受井口的重量导引架：其作用是引导其它水下工具就位,85,水下井口装置各部的作用,导引绳张紧器：其作
23、用是保持导引绳的张力恒定，使其不受平台升沉的影响套管头组：其作用是悬持套管连接器：其作用是便于某些水下器具间的快速连接与拆卸,86,水下井口装置各部的作用,防喷器组：其作用在于开启和封闭井口，以便处理和控制井内复杂情况，防止井喷球形、挠性接头：其作用是使隔水管适应钻井船的摇摆、漂移运动，防止隔水管弯曲,87,水下井口装置各部的作用,隔水管 其主要作用是隔绝海水、导引钻具，造成泥浆的回路防止隔水管因自重压弯的四种方法：平衡锤法用漂浮材料装同心充气筒隔水管张紧器伸缩隔水管：其作用是适应钻井船的升沉运动，使水下器具不受钻井船上下升沉的影响。,88,第二节 升沉补偿装置,使用伸缩钻杆钻柱升沉补偿装置死
24、绳恒张力补偿装置天车恒张力补偿装置,89,使用伸缩钻杆,结构位置 安装于钻铤的上面原理使用伸缩钻杆的优缺点 优：结构简单，维修方便，价格便宜，能基本满足钻井的要求 缺：钻压不能调节 承载条件恶劣 增加防喷器的磨损 难以准确确定井深,90,钻柱升沉补偿装置,73年研制成功位置：在游车与大钩之间结构组成：液缸活塞（杆）储能器锁紧装置空气动力储罐工作原理,91,钻柱升沉补偿装置工作原理,当平台上升时，游车带动液缸上行，链条因液缸上行而放松，链条放松后，来自链轮及活塞杆的载荷减小，失去平衡，因而活塞下端液体压力大于活塞杆上外载荷，于是，液体压力推动活塞上行，固定在活塞杆上的链轮也随之上升，这样就可使链
25、条继续保持张紧状态，大钩处于基本无运动。从而不影响钻压变化，保持正常钻井。平台下沉时，正与上述相反，原理相同。,92,钻柱升沉补偿装置,钻压的调节 正常钻井时，向上力=向下力 即 则存在的问题 大钩还有少许位移 原因工作缸中液体的摩擦影响机械摩擦影响活塞下端液体压缩气罐中气体，使之压缩膨胀对压力的影响,93,死绳恒张力装置,结构,72年研制成功,主要由定滑轮组、动滑轮组、液缸、高低压储能器、控制台等组成,94,死绳恒张力装置工作原理,死绳自天车引出后，先经过一个传感滑轮，将拉力大小变成电信号，输送到电控系统和指重表。当平台下沉时，死绳上拉力减少，于是传感滑轮发出讯号，指令阀动作，使液缸活塞右端
26、压力增加，推动活塞向左移动，将滑轮组上的钢丝绳拉紧，活塞左端液体流回低压储能器。反之，平台上升，动作与上述相反。,95,天车恒张力补偿装置,72年研制成功位置：安装于天车上结构组成,主要由浮动天车、主气缸、液缸、储能器等组成,96,天车恒张力补偿装置工作原理,当钻井船上升时，天车相对于井架沿轨道向下运动，压缩主气缸中的气体，使气体流到储能器中，从而保持天车在空间的位置不变来达到补偿目的。当钻井船下降时，与上述相反，原理相同。,97,各升沉补偿装置的优缺点,死绳恒张力装置机械结构简单，但电控系统较复杂，应用较少。 天车恒张力补偿装置占用甲板面积及空间均少，而且管线短，密封少，不需用高压胶管等优点
27、，但需特制大井架以及天车，故应用不广泛。 目前应用较多的是钻柱升沉补偿装置，其不需特制井架及天车，游车及大钩也是通用的，但其缺点是液缸密封多，液压油漏失严重，管线长，摩擦损失大，有待进一步改进。,98,第三节 钻井施工及水下井口安装,典型井身结构及套管程序用36钻头钻50m左右，下30导管用26钻头钻160300m，下20表层套管用171/2 ”钻头钻 800 1000m，下133/8 技术套管用121/4“钻头钻 1800 2500m，下95/8技术套管用81/2“钻头钻至底（4000m左右），需要时可下 入 7套管（或尾管）,99,施工程序,适用于固定式或着底式平台的下导管的两种方法用打桩
28、机把导管打入海底一定深度 (50m ;500锤1m；水深较浅)先钻井眼，再下入导管固井 （水较深，导管较长）,100,施工程序,适用于半潜式和钻井船的具体施工步骤下入井口盘钻36井段下30 导管及导向架下隔水管钻26 “ 井段下20 ” 表层套管装防喷器组及隔水管系统安装表层套管头的抗磨补心钻171/2”井段及下13 3/8技术套管依上述程序和方法依次钻完以后各井段，直至完井弃井,101,第四节 绳索作业及完井方法,绳索作业,102,完井方法,水面完井优：技术困难少，便于设备的检修、管理和井下作业缺：需建专门的采油平台，其将妨碍航运及捕鱼作业，腐蚀严重水下完井优：不需建平台，且不妨碍航运及捕鱼
29、，自然保温缺：井口装置复杂，技术性能要求高，井口的操作、管理、检修及井口装置的安装、拆换都要远距离控制，困难较多,103,完井方法与所采用平台类型的关系,固定式平台都采用水面完井浮式钻井装置多采用水下完井着底式钻井平台两种完井方法都可采用,104,课堂作业,从下往上写出水下井口装置各部件的名称及作用画出钻井装置的分类图写出半潜式和钻井船的具体施工步骤写出各平台的优缺点某一链条，链重w=1000N/m(水下重)，最大许用张力T=1200KN, 水深均为200m。问:(1)锚链的长度、重量及恢复力(水平张力) ;(2)如果锚链放出的长度为600m，求保持锚受水平张力的最大预张力T及其它参数。,105,再见,
