移动式钻井装置的类型

移动式钻井装置的类型

0流动观测装置移动钻井装置是指漂浮在水中或水下的海上油气勘探和生产设施，可以从一个井转移到另一个井。移动式钻井装置按支承情况可分为着底型移动式钻井装置和浮动型移动式钻井装置两类。自1949年以来,移动式钻井装置先后出现五种主要类型:坐底式平台、半潜式平台、自升式平台、钻井船和圆筒型平台,有各自不同的特点和特定的作业功能,适应不同的工作环境和使用条件。针对不同海洋环境,不同类型的移动式钻井装置在现代海洋油气资源开发活动中发挥着各自独特的作用。1各种移动式钻床的结构特征和工作特点1.1平台及平台方面坐底式平台是一种由沉垫(下船体)、工作平台(上船体、工作甲板)以及连接两部分的立柱支撑结构(中间支撑结构)所组成的平台,它适用于河口、海湾和内海等海岸以及沿海浅滩地带等潮差带浅水水域。上船体用于安置生活舱室和设备,通过平台开口借助悬臂结构钻井;沉垫主要是用作压载舱以及起到平台海底基座的作用。钻井装置的坐底式平台在到达工作地点后往沉垫(压载舱)内注水,使它坐落于海底;完成作业后则抽掉沉垫内的压载水而使平台重新浮于海上,以便拖航到新的工作地区。考虑到拖航稳性和平台结构等方面,坐底式平台的立柱支撑结构不能设计得太高,因此这类平台最大作业水深约30m。坐底式平台主要在潮差带和海床平坦的浅海海域进行油气勘探开发作业,这些地区的作业特点要求在进行坐底式平台设计时,平台必须能自由进出浅海海域,在地质条件不佳的海底作业时不移位、作业完成后能浮起等基本操作功能;同时,对以下问题必须予以重点考虑:(1)防冲刷和淘空。沉垫坐落海底后,水流的长期作用会对沉垫基础产生冲刷和淘空,严重时甚至造成平台倾斜和滑移。如何采取措施防止沉垫基础被冲刷和淘空已成坐底式平台一个关键技术问题。(2)抗滑移。与自升式平台或其他依靠锚泊系统定位的浮式钻井装置不同,坐底式平台主要靠沉垫底面与海底产生的摩擦力和粘结力来平衡平台在风、浪、流作用下所产生的水平载荷。这样的摩擦力和粘结力往往不足以抵御极限环境条件下平台所承受的水平载荷。为确保平台具有足够的抗滑移能力,设计人员常采取在平台中填砂石、设置抗滑桩等措施。(3)平台水平姿态的调整。海床倾斜、基础沉降不均匀以及冲刷等都会造成平台倾斜,坐底式平台必须设置钻井装置的调平机构以保证井架和平台保持正立的姿态,这样才能确保钻井作业的安全。(4)平台的起浮。坐底式平台在一个海区作业较长时间后,沉垫与海底土壤产生很强的粘结力和吸附力,使平台排水起浮发生困难。为解决这一问题,部分平台会在沉垫底部设置水流冲刷装置来破坏沉垫底部的粘结力和吸附力,使平台容易起浮。虽然坐底式平台出现时间较早且存在对海底地基要求高、适应水深能力差等缺陷,但由于它在浅海油气资源开发中起着其他类型移动式钻井装置无法替代的特殊作用,因此其目前依然活跃在海洋油气勘探领域。1.2桩腰长度有限自升式平台又称甲板升降式或桩腿式平台。这种移动式平台带有能够自由升降的桩腿,钻井时桩腿或沉垫着底,利用桩腿托起船体平台,并使船体平台底部离开海面一定的距离。自升式平台一般不能自航,平台需要移位时只需收回桩腿,平台就像驳船一样处于漂浮状态,然后由拖轮把它拖移、或用半潜驳将其拖运到新的井位。船体平台上装钻井机械、动力、器材、居住设备以及若干可升降桩腿。自升式平台的优点主要是结构简单、所需钢材少、造价低、定位能力强、作业稳定性好、能适应大陆架各种不同的海况和不同的海底地质条件;其缺点是桩腿长度有限,使它的工作水深受到限制(大部分自升式平台的工作水深在120m以内,现有的自升式平台最大工作水深已经达到168m)。超过一定水深后,桩腿质量增加很快,同时拖航时桩腿升得过高,对平台拖航和漂浮稳性以及桩腿的强度都产生不利的影响。这类平台主要用于在大陆架进行海洋油气资源勘探的钻井装置。目前世界上共有现役自升式平台大约380座,占移动式钻井装置总量约60~70%,其中作业水深大于120m的有20多座。随着海洋油气田开发的重点向深水推移,最大作业水深超过100m的深水自升式钻井平台也已经逐渐成为新建造的自升式钻井平台的主要类型。独立腿型自升式平台是目前使用较多的一类自升式钻井平台。这类平台由船体平台和桩腿组成,各桩腿互相独立,不相连接,整个平台的质量由各桩腿分担支承,桩腿底部常设有桩靴(因此有时也称为桩靴型自升式平台)。桩腿结构形式有柱体式和桁架式两类,柱体式一般用于作业水深较浅(小于60m)的海域;而桁架式桩腿更适用于深水。一般来说,独立腿型自升式平台虽可在任何地方工作,但通常更适用于硬土区、珊瑚区或不平整的海底。由于桩腿数目越少、所受的波浪、海流等的环境载荷也小,所需升降装置数目也可相应减少,目前用于深水作业的自升式平台多采用桁架式三桩腿形式。2006年建造的“海洋石油941”号自升式钻井平台是目前国内较先进的自升式钻井平台。由美国F&G公司设计、大连船舶重工集团有限公司建造,平台最大作业水深为122m,采用三根长度为167m的桁架式桩腿。2010年,由南通中远船务工程有限公司为美国RemedialOffshore公司建造的“瑞美蒂”号自升式海洋平台是世界首艘具有自航能力的自升式海洋平台。1.3结构形式及平台特点半潜式平台是一种大部分浮体沉没在水下的小水线面移动式钻井装置,它由坐底式钻井平台演变而成。半潜式平台由上层平台、立柱和下体或浮箱组成。此外,早期的半潜式平台在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有若干支撑与斜撑连接。平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱等,供钻井作业用。上层平台高出水面一定高度,以避免波浪的砰击;下体或浮箱提供主要浮力,它沉没于水下以减少波浪的扰动力;上层平台与下体之间的立柱具有小水线的剖面,立柱与立柱之间、立柱与中心线的距离都设计得比较大,从而保证平台具有足够的漂浮稳性,因此这类平台又称为稳定式立柱平台。半潜式平台的类型有多种,其主要差别在于水下浮体的式样与数目。按下体的式样一般可分为下体式和沉箱式两类。半潜式平台最大的特点是在波浪中的运动响应小、钻井作业稳定性好、移动灵活、适应性强、能够在不同水深的海域工作;其缺点是造价高、不能自航或自航速度低。在现代科学技术进步的推动下,在海洋油气资源开发的重点逐步向深海推进的背景下,半潜式平台的钻探能力与作业功能自从其第一艘这一类型的平台出现至今的50年时间有了巨大的提升。半潜式平台已经从第一代发展到了第六代,最大作业水深也由原来的100m发展到现在超过3000m。近年来出现的第五代、第六代半潜式平台的技术水平已经完全不是当年的“蓝水1号”所能比拟的。(1)第一代是20世纪60年代初,以“蓝水1号”为代表的半潜式平台,这一代平台的结构特征是稳定立柱和撑杆数量很多。沉箱型平台的每根立柱下方设一个下体,作业水深为90~180m,采用悬链线形式的锚泊系统来定位。(2)第二代半潜式平台出现在1969~1974年间,其结构特征、钻井工艺与定位方式与第一代相似,平台最大钻探深度为7620m(25000ft),最大作业水深大约在300m(1000ft)左右。(3)第三代半潜式平台出现在20世纪80年代初,平台的稳定立柱和撑杆数量比前两代减少、立柱直径增大。这一代平台的最大作业水深大约在500m(1500ft)左右,最大钻探深度为7620m(25000ft),采用锚泊系统定位。(4)第四代半潜式平台出现在20世纪90年代,环形浮体在这一代平台中开始采用,平台的最大作业水深大约在1000m(3000ft)左右,最大钻探深度为9144m(30000ft),采用锚泊系统为主进行平台定位,推进器辅助定位。(5)第五代半潜式平台出现在1998~2004年,这一代平台多采用少节点、无斜撑的简单外形结构,平台的最大作业水深大约在2500m(7500ft)左右,最大钻探深度为10668m(35000ft),采用动力定位系统为主、锚泊系统为辅的方式进行平台定位。(6)作为目前世界上最先进的第六代半潜式平台出现在2005年以后,这一代平台几乎完全取消了撑杆和节点,立柱数量减少而增大立柱截面积,以此来提高平台的漂浮稳性。其下浮体大多采用口形等形式的环形浮体或大尺度的双浮体的简单箱形结构,以此手段简化建造工艺、提高平台在深海作业的强度和平台的装载量。第六代平台的最大作业水深大约在3000m(10000ft)左右,最大钻探深度为15240m(50000ft),平台采用“锚泊定位系统+动力定位系统”相结合的优化节能定位模式来进行定位。由中国船舶及海洋工程设计研究院和上海外高桥造船有限公司联合设计、由上海外高桥造船有限公司建造的第六代深水半潜式钻井平台“海洋石油981”号的投入使用,标志着我国在超深水半潜式平台设计和建造领域已取得重大突破。1.4动力系统在淡水动力环境下的应用钻井船是以浮在水面的状态进行作业的移动式钻井装置。钻井船可以采用锚泊系统或动力定位系统定位。由于钻井船是浮于海面作业,易受波浪影响,它的耐波性能就不如半潜式平台,即使遇到较小的波浪也会产生一定的摇荡运动,因此对其钻井作业效率有一定的影响。为了提高钻井船的定位能力,工程技术人员此后又相继设计了双体式、中央转盘锚泊式和舷外浮体式等形式的钻井船,以改善钻井船在风浪中的稳定性能。但是这些措施都只能在某种程度上提升钻井船的稳定性能,无法从根本上解决钻井船在环境条件比较恶劣的深海海域钻井作业时维持钻井船持久稳定定位的问题。20世纪60年代后期,动力定位系统在钻井船上的应用,较好地解决了钻井船在恶劣海洋环境条件下长时间的稳定定位问题。经过几十年的发展,目前钻井船动力定位系统的技术已经日趋成熟,其能确保钻井船无论是在浅水还是深水都可以保持良好的稳定状态,从而也保证钻井船在不同海况下都能从事正常的钻井作业。2010年8月,世界上最大深水钻井船“大连开拓者”号在大连中远船务工程有限公司开工建造。该船的建造打破了韩国垄断全球深水钻井船市场的局面。目前全世界共有约40条现役钻井船。1.5主船平台的设计和实现2009年11月,中远船务工程集团有限公司建造的“希望1号”正式交付使用,它是全球第一艘圆筒型海洋钻井平台。该平台总高135m、圆筒直径84m、钻台高度44.5m、空船质量28180t、设计吃水12.5~15m、设计最大作业水深3800m、钻井深度12000m,平台配置DP-3动力定位系统并通过8台推进器为其提供作业过程中的定位能力,实时定位误差为厘米(cm)量级。该平台可以适应北海-20℃的恶劣海况,甲板可变载荷为15000t,生活区可容纳150人居住。该平台兼具钻探和储油的功能,拥有15万桶原油的存储能力。“希望1号”主船体采用可抵抗巨大风浪能力的圆筒型整体结构设计。在船体外形方面,其水下部分除了圆筒体之外,还作了一个外展设计,既降低了船身的重心高度,又增加平台的稳性,使其在极端恶劣海况下仍具有很强的稳定性能。2钻井装置的多样性坐底式平台、半潜式平台、自升式平台、钻井船和圆筒型平台是目前移动式钻井装置五种主要类型,不同类型的钻井装置有各自不同的特点和特定的作业功能、适应于不同的工作环境和使用条件,在各自发展过程中也体现着它们之间的传承和演变。对于特定的海上油气田勘探工程,设计使用者可以根据油气田特定的工作环境以及不同类型平台的结构特点来选择合适的移动式钻井装置。2.1特海底作业平台由于结构形式的限制,坐底式平台多工作于水深小于20m左右的近海海域或封闭海域。尽管它发展较早、对海底地基要求较高、现役平台数量不多,但是由于它在海洋油气资源开发活动中具有其他类型移动式钻井装置所不具备的特浅海作业能力,因此这类平台目前还有其特定的生存环境与空间。如在我国渤海的浅海和在海陆过渡地带的海域油气资源勘探中,坐底式平台正发挥着其他类型的移动式钻井装置所不可替代的作用,如我国近年来研发和应用的“胜利二号”极浅海步行坐底式钻井平台、“中油海3”和“中油海33”号,就是很好的例证。2.2自升式平台的作业深度进展自升式平台是目前勘探水深小于100m大陆架油气田所使用的主流钻井装置,由于它具有结构简单、造价和作业费用低、作业稳定性好等优势,在现有的移动式钻井装置中自升式平台的数量所占的比例最大。这类平台绝大部分不具备自航能力,需要以拖航或半潜驳浮运的方式来移位。较半潜式平台而言,自升式平台在近二三十年的发展中,其结构特征、作业方式并未发生本质变化。但是,随着市场对自升式平台向深水海域推进要求呼声的增加,设计研究人员通过采用高强度钢等以降低平台自重,研发出齿条锁定系统或齿轮齿条升降装置固桩技术以平衡桩腿所受的环境载荷弯距,运用三角形桁架三桩腿结构以降低作用在桩腿的水动力载荷,配备移动范围更大悬臂梁系统以提高其就位后的钻井能力等措施,使自升式平台的深水作业能力取得一定突破,自升式平台的最大作业水深有逐步增大的趋势。近年来新建的自升式平台大部分是能在106.7m(350ft)或更深处工作的深水自升式平台,最大作业水深已达到168m,而且还有继续提高的倾向。2.3平台采用锚泊系统及动力系统相结合的优化节能系统在世界各国将海洋油气开发重点逐步向深海推进的大背景下,半潜式平台由于在开阔的海洋环境中运动响应小、稳定性好的特点而备受石油公司青睐,是近年来五类移动式钻井装置中技术更新最快、演变类型最多、勘探钻井能力提高最显著的一类平台。半潜式平台迄今已经演变成第六代,第七代半潜式平台目前也在研发设计中。由于新型半潜式平台主要面向远离陆地的开阔海域的深海工作,钻井周期较长,需要在天气和海况恶劣的条件下进行作业,为适应这些要求,最新型的第六代半潜式平台主要有以下特点:(1)采用甚高强度钢以降低平台自重比例,提高平台承载可变载荷在平台总排水量的比重。部分平台的甲板可变载荷已经接近10000t。(2)采用少节点、无斜撑、圆立柱或者圆角方立柱的简单外形结构,立柱数量适当减少而增大立柱截面积,从而达到减少波浪载荷、提高漂浮稳性、增强平台安全性、增大恶劣天气条件下的作业能力和自持能力、降低建造费用的目的。这些结构特点也为平台设置大的甲板空间以适应其需要在远海长期工作的需求提供了基础条件。(3)由于与在水深小于300~400m水域工作的第一代半潜式平台采用“锚链+抛设锚”组成的悬链线形式的锚泊系统有很大的差异,第六代半潜式平台采用锚泊定位系统+动力定位系统相结合的优化节能定位模式:在深海作业时,采用锚泊定位系统+动力定位系统相结合的模式;在超深海作业时,则采用完全动力定位模式。第六代半潜式平台的锚泊定位系统多为“桩锚+锚链-钢丝绳组合”的张紧式系泊方式。由于动力定位系统具有耗能多、精度高,而锚泊定位系统具有耗能少、可靠性高、精度低的特点,在开阔深海钻井周期较长、天气比较恶劣的条件下进行作业,第六代半潜式平台采用锚泊定位系统+动力定位系统相结合的优化节能定位模式,可以充分发挥两种定位系统的各自优势,使平台在保证其定位精度的前提下大幅度降低作业成本。(4)为适应半潜式平台需要在深远海作业的特定需要,为提高钻井作业效率,装备了新一代的先进钻井设备,采取双联井架主辅井口钻井作业方式。(5)第六代半潜式平台具有很强的高科技特征,它所面对的是要求在深海域的恶劣海况下接近具有全天候的工作能力。其投资成本和作业费用巨大。据报道,作业水深约为2300~3000m的半潜式钻井平台平均日租费用大致为30万~100万美元之间,而在墨西哥湾作业的自升式平台日费率约为5万~6万美元。因此,在勘探性钻井阶段前期,通过地质调查、地球物理勘探等手段对油田的评估与可行性分析以提高半潜式平台钻井的成功率显得尤为重要。2.4海底作业的钻井船钻井船的优点是:它所受阻力较其他型式的浮式钻井装置(移位状态的坐底式平台、自升式平台和半潜式平台等)小、航行速度快、有利于快速移位,对可变载荷的变化没有半潜式平台敏感等。同时,它的排水量和船内空间大,能装载较多的钻井机械设备和作业器材,它可比半潜式平台承载更多的作业工具和物资。此外,在深海作业时,钻井船还具备了半潜式平台所没有的优势:钻井船船体本身还可以提供很大容量的储油能力。例如,“大连开拓者”号就具备100万桶的储油能力。这些特点让钻井船在深海作业时可大大减少对海洋工程辅助船舶的依赖。与第六代半潜式平台一样,部分深海作业的钻井船也开始采用双联井架主辅井口钻井作业方式。钻井船的主要缺点是:甲板使用面积相对较小,对风浪等海洋环境因素的动态响应比较敏感,整体稳性差,在恶劣环境条件下停工率高,结构设计与操作不当容易引起事故等。此外,钻井船作业费用高昂也成为业主进行深海油气钻井勘探选型中必须考虑的一个重要方面。据有关方面统计,目前工作水深在1200m以下的钻井船日均租金约为26万美元,工作水深超过1200m的日均租金约为38