海上钻井平台综述.docx

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)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、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，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绞车最大功率达到5.15106W。新型石油钻机方面，无绞车、液缸升降型钻机(Ram钻机)得到了长足发展。根据相关报道，Ram钻机已经装备了2艘半潜式钻井平台和2艘钻井船，钻深能力10 660 m。Ram钻机用升降液缸替代了庞大笨重的绞车，也替代了浮式钻井庞大的钻柱运动补偿器，显著减小了井场所占用的面积与空间，成本可降低约30 。小井眼钻机因其造价低(可降低约40 )、运费低(可减少5O )、占地面积小(可减少40)、钻井成本低(可降低50 )及操作自动化程度高等优点，将在海上得到进一步推广使用。此外，为了进一步降低深水钻井成本，套管钻井石油钻机在深水的应用前景也十分巨大。2.3 动力定位系统船舶动力定位是深海开发的关键技术之一，随着海上油气生产向深海发展，动力定位系统越来越广泛地应用于海上深水作业船舶(海洋考察船、半潜船等)、海上平台(海洋钻井平台等)、水下潜器等。动力定位系统一般由位置测量系统、控制系统、推力系统三部分构成。动力定位系统的核心是控制技术，至今已经经历三代，三代动力定位系统分别应用了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。船舶动力定位是先进的海上定位技术，它与传统的锚泊方式相比，具有不受水深限制、投入撤离迅速、定位精确、机动性强等优点，对于海洋深水开发具有重要意义。24 隔水管系统在深水钻井中，传统隔水管通过法兰进行连接，为了减小隔水管自身质量对钻井船所造成的负荷，在隔水管外部还装有浮力块。浮力块是用塑料等材料制成的，内部充满空气。在隔水管外部还有直径为50.8101.6 mm的4根管柱，这些管柱固定在浮力块内，用来操作下部海洋立管组件(LMRP)和完成特定的作业任务，使用这种传统隔水管所能达到的最大水深约为2 200 m。由于深水钻井船的日费很高，提高下隔水管的速度便成为提高钻井效率和降低成本的关键。随着水深和钻井日费的逐渐增加，传统隔水管已不能满足深水钻井的需要，因此开发适应深水、超深水钻井的新型隔水管成为隔水管发展的方向。目前，已经有几家公司开发出了新型深水钻井隔水管，这些隔水管有着各自的特点：ABBVetcogray公司开发的隔水管采用快速连接方式，利用MR26E隔水管接头及专用液压上紧装置，不需要操作人员手动对接就能上扣及夹紧隔水管，能够显著提高下隔水管的速度，提高钻井效率，节约钻井成本；且隔水管材料采用轻质合金，因此不需要提高现有钻井船的承载能力就能在更深的水域进行作业。ABBVetcogray公司的隔水管考虑了深水钻井作业中的天然气水合物问题，专门开发了井口连接器，设计了水合物抑制剂乙二醇注人口，通过该注入口注入抑制剂可以抑制水合物生成，从而提高钻井安全性。俄罗斯ZAO公司虽然也采用铝合金作为制造隔水管的材料，但是由于采用的是法兰连接，因此下隔水管时效低，不能有效提高钻井效率。法国IFP 和Framatome公司的CLIP隔水管拥有能够提供快速和安全连接的隔水管接头，满足了大直径、超深水钻井所需的高压压井和节流管线的连接需要；其主要特点是隔水管接头可快速上扣，能够显著提高下隔水管的效率，缩短钻井时间，节约钻井成本。Cameron公司的LoadKing隔水管系统属于传统的钢制法兰式连接隔水管系统，其连接强度大，主要用来满足水深在3 048m或以深超深水钻井的需求，该系统包括钻井隔水管、张力环以及伸缩接头锁紧系统，可以和工业应用的最高载荷等级的卡盘、万向节和送入工具配套使用。随着水深从百米以内逐渐递增到几千米，传统的钢制隔水管随着长度的增加，质量不断增大，钻井船已经不能负载，而更新钻井船会导致钻井成本增加；而且水深的增加也会导致采用传统法兰连接式隔水管作业时间增加，这也会增大钻井成本。所以，传统的隔水管已经不能满足深水钻井的需要，为了满足深水钻井的需要，更好、更快、更安全地满足深水钻井的要求，未来深水钻井隔水管必须具备以下特点：1)采用轻质高强度合金材料，降低隔水管质量，减轻钻井船负载，增大隔水管下入长度；2)采用快速连接方式，减少下隔水管的作业时间，降低钻井成本；3)增加单根隔水管长度，将单根隔水管长度从现在的22.86 m增至27.43 m；4)安装抑制天然气水合物形成的装置，抑制天然气水合物的形成，减少钻井事故的发生。25 水下井口和防喷器组合251 水下井口目前常用的水下井口包括5个主要部分，从上到下依次为井口防腐帽、高压井口头、导管头、永久导向基座、临时导向基座。高压井口头尺寸一般为4763 mm，包括各种尺寸套管悬挂器(3402445和1778 mm)及密封防腐组件等。导管头尺寸一般为7620 mm。最先下人的是临时导向基座，用于定井位，安装在海底泥线上；随后下人永久导向基座，将其安装在临时导向基座之上，并通过连接在导向柱上的导向绳引导后续工具的入井及设备的安装；导管头悬挂导管坐落在永久导向基座内，用专用下人工具随永久导向基座同时下入；高压井口头下部连接表层套管，坐在导管头内，通过液压连接器连接水下防喷器；各层技术套管通过套管挂和密封总成悬挂在高压井口头内。由于深水钻井时，套管层序、套管尺寸和连接方式、抗弯曲能力、压力级别、可悬挂的最大套管质量等与浅水和陆地钻井有很大区别，因此深水条件下选择水下井口时要分析海况条件下井口可能承受的隔水管、防喷器组上部质量以及可能的轴向力和弯矩，尤其当钻井平台采用动力定位、钻井船偏离井口或紧急情况下进行紧急解脱时，防喷器组和水下井口头可能会承受很大的弯矩。一般来说，要根据地层压力的情况选择井口头压力级别，其压力级别与所用防喷器的压力级别一致。现有水下井口压力级别有69或103MPa，特殊情况下也可选用压力级别138 MPa的水下井口，其抗弯曲能力2 7109 484 kN m，而常规水下井口的抗弯曲能力为3 3874 065 kNm。252 深水防喷器深水防喷器组水下防喷器是海洋石油钻采过程中用于防止井喷发生的专用设备，上部连接隔水管装置，下部连接海底井口装置。随着人们安全环保意识的不断提高，海洋防喷器向大通径、高封井压力、高剪切力发展。此外，根据作业水深、海底至目的层深度以及油气层压力不同，深水防喷器组通常有不同的配置，例如封井压力可分为69、103和138 MPa 3个级别。一般来说，深水防喷器组配备有5个闸板防喷器和2个万能防喷器，第5个闸板可以剪断套管，位于盲板下部，以便在剪断套管后可以关井，通常在紧急情况下用到。2个万能防喷器是冗余设计的需要，上部万能防喷器作为井控的主要手段。随着海上欠平衡钻井的发展，井口防喷器组合还要配置高压旋转防喷器，即随钻压力控制系统PCW D(pressure control while drilling)。深水防喷器组控制系统 深水水下防喷器组控制系统主要包括地面控制和水下控制两个部分。采用液压控制系统或电控系统实现闸板的开关和锁紧，从而实现对油井的快速封闭，防止井喷事故的发生。液控系统的控制管线通过卡箍卡在隔水管上，随隔水管一同下人；而电控系统的控制管线是通过隔水管外辅助管中的控制管线，在I MRP(下部隔水管总成)底部与防喷器连接。此外，从安全角度出发，深水钻井的水下防喷器控制系统都会有一个备用系统。在选择控制系统时，主要考虑深水浮式钻井平台的定位方式、作业水深、海况以及对井控的要求。在井控要求中控制系统的响应时间是一个较为关键的选择因素，由于电控系统在控制响应时间上较液控系统具有明显的优势，凶此出于对响应时间的考虑，在深水钻井作业中，尤其是在1 500 m 以深超深水钻井作业时，更多地选用电控系统。3 我国深水钻井技术装备的主要进展我国是海洋大国，而南海作为我国重要的深水油气开发区域，对我国能源接替起着决定性的作用。为此，我国已经积极制定了自己的深水油气开发规划，将一系列深水油气装备和关键技术列为国家级重大攻关项目，并已经取得了一些成绩：2004年，中国石油天然气集团公司成立了海洋T 程有限公司，该公司下属的钻井事业部和海洋T程事业部为海洋石油开发做好了准备；2008年，中海油田服务股份有限公司(COSI )收购了挪威的AwilcoOffshore，成为世界上第8大船队；2009年，COSI 在南海大陆坡实施的浮筒式人T海底深水钻井(ASDD)试验井的成功，宣告中国已进人深水领域 ；2010年，中国海油第六代海洋钻井平台“海洋石油981”已在上海外高桥造船有限公司顺利出坞，该年中国海油海上产能已经超过5 00010 t，完成了建设“海上大庆”的目标。其中，水深1 480 m的LW3-l井的成功钻探标志着中国海油打破了400 m以浅海上钻探的历史；中国海油与江苏熔盛重工有限公司共同打造的亚洲第一艘3 000 m深水铺管起重船“海洋石油2O1”也于2010年5月28日在江苏南通建成并顺利出坞；2010年8月，由大连中远船务总包建造的深水钻井船“大连开拓者”号顺利开工，打破了由少数国家垄断全球深水钻井船市场的局面；2010年在OTC国际石油展览会上，宝鸡石油机械有限责任公司研制的我国首台海洋钻井隔水管装置亮相，受到广泛关注。我国在深水钻井技术方面已取得了长足进步，对保障我国海洋石油资源的开发、能源战略的实施具有非常重要的历史意义。4 结束语深水油气开发是一项庞大的系统T程，深海油气钻井技术和装备直接决定着海洋油气资源开发水平，是成功开发我国南海深水油气资源的关键。目前，我国深海油气钻井技术与装备与国际先进水平相比存在很大差距，如何在较短时间内突破国外相关技术垄断，形成具有我国自主知识产权的技术装备体系，是我国石油T业亟待解决的难题。为进一步加快我国深水油气勘探开发的速度，必须加强深海油气钻完井技术装备方面的研究投入和研发团队建设，并创新技术革新体制，本着引进、消化、吸收、创新和运用的原则，对深水钻井关键装备和技术进行科学研发，以形成一套适合我国深水油气钻探的技术体系，为我国的深水勘探和开发提供有力的技术支撑。国内外石油钻井装备的发展现状孙明光彭军生钻井作业是一项投资巨大的风险性工程，钻井装备的优劣直接影响着钻井速度、钻井安全和钻井经济效益。目前，我国石油钻井技术水平与国外先进水平相比尚有较大差距，而制约钻井技术发展的关键因素之一就是装备落后。为实现“十一五”钻井技术的发展目标，及时、全面了解国内外钻井装备最新发展动态，对比国内外钻井装备现状，找出差距，尽快提高我国钻井装备水平，无疑是缩短与国外钻井技术差距、尽快走向和占领国际市场的必备条件。1新型石油钻机11石油钻机发展的新趋势目前，国内外已建立起一套更科学、更先进、更完善的设计思想、设计理论、设计方法和设计软件，引进了相关学科的高新技术与设备，进一步提高了石油钻机的整体设计和制造水平。近年来，石油钻机的发展呈以下新趋势：型式更趋于多样化，钻机品种更趋向多样化、系列化，研制出了适用于不同地区、不同环境条件，能满足不同钻井工况、不同钻井工艺、不同井深和不同井型要求的专业化特种钻机，形成了石油钻机的多样化，进一步提高了钻机的适应能力，扩大了作业范围，提高了钻井效率。技术更趋于先进化，通过交流变频、液压驱动、自动控制和人工智能等先进技术的交叉结合，并随着计算机、通讯和网络技术的广泛应用，钻井装备的机械化、自动化、智能化发展显示出更大的优越性。钻机技术的集成化、信息化、智能化、自动化及完善的钻井专家系统，有可能从根本上改变钻井方式，大幅度提高钻井效率。设计更趋于人性化，新型钻机充分体现以人为本的思想，特别注重HSE(健康、安全、环保)方面的考虑，最大程度地满足环保、安全等要求，设计更精细，最大程度地采用遥控设备，通过钻机的自动化设计，尽量避免人工作业和高空作业。另外，通过提高钻机的移运性和模块化水平，尽可能减少运输车次，降低安装难度。12 交流变频电驱动石油钻机交流变频调速电驱动石油钻机具有机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性，其核心就是采用了交流变频调速技术。专家认为，交流变频电驱动是目前石油钻机最好的驱动方式，具有广阔的发展前景和强大的生命力，代表了当今石油钻机的发展趋势。美国的NOV公司、IRI公司，加拿大Dreco公司，挪威Hitee公司，德国Wirth公司等均研发了交流变频电驱动钻机。目前，交流变频钻机正朝着系列化、大功率方向发展。美国NOV公司、德国wirth公司等的绞车功率形成5224 474 kW系列，钻机钻深能力突破了万米心。在控制技术方面，已经实现人机一体化、自动化、智能化控制，结合在线网络和专家系统，可以进行远程作业指导和诊断。“十五”期间，我国已成功研制出1 0009 000 m全数字交流变频电驱动钻机并形成系列，特别是宝鸡石油机械有限公司研制出的我国第一台拥有自主知识产权的ZJ90DB型9 000 m超深井交流变频钻机，获得了5项专利授权，在我国石油钻井装备开发史上具有里程碑意义。在此基础上，2007年该公司又研制成功拥有自主知识产权的、钻深能力达12 000 m的电驱动钻机。13液压钻机液压钻机以液缸作为提升机构，以液压顶驱钻井装置取代传统的绞车、井架和游车等设备。液压钻机结构简单，系统质量小，承载能力高，钻台底座可利用空间大，功率利用率高，钻井成本低，且容易实现自动化作业。近几年来，加拿大、德国、意大利、美国和挪威等国许多以液压技术见长的公司，研制出多种类型(有的已形成系列)的液压驱动钻机并不断加以创新、改进、完善。液压驱动具有运动方式转换容易等优点，在大功率液压元器件可靠性不断提高的前提下，在对钻机体积和质量要求严格的情况下(如海洋平台、高移运性钻机)，液压驱动石油钻机已成为一种主要的发展趋势。目前，除了加拿大Tesco公司的套管钻井钻机、挪威海事液压公司的Ram钻机等普遍采用全液压驱动形式外，意大利Drillmec公司推出的HH系列全液压钻机已形成9802 942 kN钩载系列产品。美国Schramm公司于2006年8月推出了首台伸缩桅杆的TXD系列静液传动无绞车型动力头钻机，目前TXD系列钻机已有T90XD型、T130XD型和T180XD型3种规格，提升能力分别为400.5、578.5和801.0 kN。14快速移运钻机快速移运钻机作为新型石油钻机的一种形式，由于具有搬迁速度快、成本低、节省拆装时间及有效人工劳动强度低等优势，近年来研发速度加快，具有较大的发展潜力。目前是新一轮钻机制造高峰期，一个重要的、具有驱动力的设计理念就是控制风险和提高可靠性。在这方面，美国NOV公司做了大量创新性工作，先后研制成功了多种先进的快速移运钻机。其中“快速”型钻机(Rapid Rig)达到2 500 kN的钩载，适用于浅井至中深井钻进。该钻机独特的小型化和自动化配置设计，使其易于运输和便于在井场快速安装。该钻机只用1台专用升降叉车，无需起重机和安装扒杆即可快速完成安装。钻台的自动化程度高，配有革命性的管子处理系统，可大大减少操作人员数量(只需3人操作)和事故发生概率曲。我国南阳二机石油装备(集团)有限公司经过多年的研究和技术创新，目前已形成了1 0004 000 m车装钻机、1 0004 000 m拖挂钻机和1 0005 000 m模块化撬装钻机3大系列。其他快速移运钻机有兰石国民油井石油工程有限公司的5 000 m“理想钻机”、江汉第四石油机械厂和Loadmaster公司联合研制的5 000 m“Bigeasy”钻机、四川I宏华石油设备有限公司开发的4 000和5 000 m快速移运钻机、宝鸡石油机械厂研制的ZJ30DBT型和ZJ40DT型钻机等。最近，兰石集团有限公司已生产出了全球第三台、亚洲第一台直升飞机吊装钻机。15专门设计的小井眼钻机小井眼钻机质量小、占地面积小、钻机配备功率低，尤其是采用模块化设计后，其搬迁和安装也非常简便。近年来，瑞典、美国、英国、意大利、德国和加拿大等国的制造商专门设计了小井眼钻机并逐步形成系列。1)瑞典Microdrill公司是最先设计小井眼钻机的公司，已设计了800、1 500、1 700 m 3种规格，其中MD一1500型钻机的井架高11 m，最大钻深1 500 m。2)Amoco公司和Nabor公司联合研制的Nabor 170型小井眼钻机，井架高26 m，最大钻深3 600 m，配有两台239 kW的柴油机，比常规钻机装机功率减小80。3)美国CBC公司的CS系列小井眼钻机钻井深度1 000-4 000 m，其中CS-4000型钻机可进行连续取心钻井。1.6连续管钻机目前，连续管钻井技术的发展与应用继续保持着比较强劲的增长势头，世界上连续管钻井的数量、连续管钻井的应用领域和技术优势不断增加。国外专家在分析钻井技术发展趋势时指出，在众多类型的钻机中，连续管钻机日趋成为最受欢迎的钻机类型之一。随着配套装置和工具的发展，连续管钻机越来越表现出广泛的适应性和卓越的性能。目前，国外在用连续管钻机超过800台，并以超过常规钻机一倍的速度在发展。近年来，新型复合式钻机的问世进一步增强了连续管钻井的适应能力，利用这种机既可操作油管、套管作业，也可操作连续管作业，两种方式之间的转换在几分钟之内就能完成。复合材料连续管、连续管注入头、数据采集系统、过程控制系统、电缆安装系统以及专用工具的改进也取得了可喜的进展，使连续管钻机进一步向数字化、智能化方向发展。2新型顶部驱动钻井装置迄今为止，全球在用的和正在生产的顶驱装置有液压驱动和电驱动两大类型。在电驱动顶驱中，又有ACSCRDC直流电驱动和交流变频电驱动两种形式。在交流变频电驱动顶驱中，根据电动机类型又可分为交流变频感应电动机驱动、交流变频永磁电动机驱动两种形式。21 交流变频电驱动顶部驱动钻井装置近年来，随着交流变频大功率电动机技术的日益成熟，已有越来越多的顶部驱动钻井装置采用交流变频电驱动方式。专家分析认为，交流变频感应电动机驱动顶驱钻井装置功率利用率最高，动力消耗少，钻井成本低，具有良好的钻井性能，是目前顶驱中最经济的驱动型式，是顶部驱动钻井装置的发展方向。211 NOV公司的交流变频电驱动顶驱美国NOV公司目前生产16种规格的电驱动顶驱，其中大多数采用AC-SCR-DC直流电驱动，有3种顶驱采用交流变频电驱动单速齿轮传动机构，其中TDS一8型适用于所有海上钻机和大型陆地钻机，具有良好的钻井性能；TDS-10型适用于中小型陆地钻机、海上平台钻机和自升式平台钻机；TDS-1000型是专门为深井钻机研制的。212 Canrig公司的交流变频电驱动顶驱加拿大Canrig公司生产的交流变频电驱动顶驱有4017AC一122、6027AC、8050AC一712、1250AC一681和1275AC一681 5种型号，其中后3种采用美国GEB一20交流电动机，配备变速、矢量传动装置，在钻进时可以输出平衡的扭矩，在单速传动顶驱中能获得较宽的调速范围，表现出较好的钻井性能，并能更好地利用工作转速和工作扭矩。213 我国的交流变频电驱动顶驱2004年4月，中国石油北京石油机械厂和中国石油勘探开发研究院采用交流变频驱动、PLC可编程控制器和现场总线控制等成熟可靠的先进技术，联合研制出了DQ70BS顶部驱动钻井装置。随后，北京石油机械厂又研制出了DQ90BS型交流变频电驱动顶驱，最大提升能力6 615 kN，为ZJ90DB型9 000 m超深井钻机配套，目前正在油田现场进行工业性试验。22液压顶部驱动钻井装置液压顶部驱动钻井装置能在较大范围内实现无级调速和自动恒功率调节，具有运行平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载、操纵性好等优点，因此，国外以液压技术见长的钻井装备制造公司生产出多种规格的液压顶驱。221 Tesco公司的液压顶驱列以液压技术见长的加拿大Tesco公司生产了HMIS 475、HCI 750、HCI 1205和HS 7501100 4种型号的液压顶驱。HMIS 475型液压顶驱为结构紧凑的轻便型顶驱，适用于小井架，具有浅井钻机和修井机所要求的工作特性和管子处理功能；HCI750型和HCI 1205型液压顶驱为多用途、高性能顶驱，结构设计紧凑，适用于大多数安装双桅杆式和三桅杆式井架的陆地钻机以及海洋钻机；HS 7501100型液压顶驱为该公司最初设计的轻便式液压顶驱，适用于大多数钻机作业。222 NoV公司的液压顶驱美国NOV公司目前生产TDl20P、TDl50P、TD250P和TD350P 4种规格中小型液压顶驱，其主要结构特点是：采用液压驱动方式，两台定排量活塞式液压马达同时驱动钻柱旋转进行钻井作业。液压系统由柴油机、液压泵、液压管线、热交换器、油箱和控制系统等组成。NOV公司的液压顶驱质量小、结构紧凑、安装方便、操作安全，其核心就是已被工业界充分验证的、最耐用的Bowen动力水龙头。223 国内液压顶驱大港油田新世纪机械制造有限公司与中国石油勘探开发研究院机械所联合研制的DQ一30Y型钻修两用顶驱是我国第一台采用液压驱动的顶部驱动装置，可与1 200 kN修井机或2 000 rfl以下小型钻机配套使用，最大提升能力1 600 kN。为了适应石油钻井新工艺、新技术的迅速发展，满足石油钻机开发创新和更新换代的需要，近年来，国内外注重大功率钻井泵、液压钻井泵及其他新型钻井泵的研制与应用。31 新型大功率三缸钻井泵三缸单作用钻井泵在陆地和近海深井、超深井、水平井钻进中起到越来越重要的作用。为了适应深井、超深井、水平井钻井的需要，世界上一些主要钻井装备制造公司，如美国的NOV公司、德国的Wirth公司等，都在致力于提高钻井泵的功率和工作压力，并在钻井泵的结构设计、材料选择、制造工艺等方面进行了明显的改进5。目前，美国LEWCO公司研制的W一3000型钻井泵的最大输入功率已经达到2 205 kW(3 000 hp)，泵压提高至51.7MPa，最大排量65.8 Ls。开发大功率、高泵压钻井泵是必然的发展趋势。新型大功率钻井泵具有以下特点：1)泵压提高至517 MPa；2)液力端采用L形结构，以便于维修和更换易损件；3)当液力端的泵压超过42 MPa时，因传统橡胶活塞不能承受过高的压力，须采用柱塞、盘根形式；4)由于液力端的压力较高，泵头均选用抗疲劳的高强度材料，并在工艺上进行自增强处理；5)因大功率钻井泵大都在海洋钻井装置上使用(一般配3台，其中1台备用)，由于受平台质量平衡的限制，钻井泵的质量要尽量6)一些先进的技术与设备，如早期故障诊断的监控等，在大功率钻井泵上得到应用。我国宝鸡石油机械厂研制的F一1600HL型钻井泵，泵压从350 MPa提高至517 MPa，最近又开发出F一2200HL新型三缸钻井泵。这两种泵的动力端与常规三缸泵相同，但液力端采用L形结构，由吸入液缸、排出液缸、整体排出管和排出五通组成。F-2200HI型是F系列中功率最大的泵，额定功率为1 617 kW(2 200 hp)，额定冲次105 min-1，冲程为356 mm，最大工作压力51.7 MPa，最大排量765 Ls，最大缸套直径228.6 mm。32新型液压钻井泵继挪威MH公司利用液压驱动技术的特长研制出著名的Mudmaster液压钻井泵并获得良好的应用效果之后，为了进一步发挥这种新型钻井泵的优势，也为了更好地与液压驱动石油钻机配套，美国、挪威和瑞典等国都有厂家致力于这种钻井泵的开发与应用。与机械式钻井泵相比，液压钻井泵主要具有以下优点：1)输出压力稳定，不需要安装空气包；2)液力端活塞采用液压平衡，油润滑，延长了其与缸套的寿命；3)长冲程，低冲次，水容积效率高；4)无级调节排量，可实现自动调节(恒功率、恒压、恒排量)；5)空载启动，缓慢起压工作，起压无振动，力矩小，开泵、停泵方便；6)结构简单，质量小(只有相同功率机械泵的1312)；7)液压控制系统几乎没磨损，可以长期、可靠使用，并具有各种自动保护功能；8)总工作效率高，可达85以上，而且制造容易，相对成本低；9)无需机械及电器方面的无级变速，可增加钻机整体性能，确保钻机安全。33新型六缸钻井泵美国NOV公司近几年推出的Hex Pump 150新型六缸钻井泵，具有输出压力脉动小、活塞和缸套磨损轻、结构紧凑、质量小、工作性能好、效率高等特点。该钻井泵采用6个垂直布置的柱塞，通过柱塞上方的一个特殊形状的凸轮旋转来使柱塞产生抽吸运动，精确的传动机构最大程度地减弱了输出脉动。该钻井泵的功率为11025 kW，最大冲次212min-1，泵压51.7 MPa时的流量为52.2 Ls。与传统钻井泵相比。新型六缸泵的体积减少45，质量减小35，振动和噪音降低，柱塞的运动更加稳定，而且大大减弱了输出的压力脉动11|。据悉，NOV公司还在研制更大功率(1 764 kW)的六缸钻井泵，尺寸与150型相同，主要结构不变，但采用了更大功率的交流电动机，某些部件的强度也要升级。4结论与建议1)国内外石油装备正在向型式多样化、技术先进化、设计人性化趋势发展，并拓宽了石油装备的适应性。2)新型石油钻机更趋向多样化、系列化、集成化、信息化、智能化和自动化等，能满足不同钻井工况、不同钻井工艺、不同井深和不同井型的要求，进一步提高了钻机的适应能力，扩大了作业范围，提高了钻井效率。3)交流变频感应电动机驱动顶驱钻井装置功率利用率高，动力消耗少，钻井成本低，具有良好的钻井性能。而液压顶部驱动钻井装置能在较大范围内实现无级凋速和自动恒功率调节，具有运行平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载和操纵性好等优点。4)新型钻井泵在大功率、高泵压、运行平稳、质量小等方面各具特点，可满足石油钻机发展的需要。5)国内交流变频电驱动钻机在单轴齿轮绞车结构的优化、系列化和电传动控制系统的规范化、网络化、智能化等方面需要进一步优化和完善。6)液压驱动可极大地简化设备结构、减小质量和体积，与电传动系统有机结合便于实现机械化，比电驱动成本低。因此，开发全液压驱动钻机将是钻机的一个发展方向。7)我国的顶驱技术与国外差距较大，目前普遍采用进口。因此建议开发结构简单、拆装方便、体积和质量小、可靠性强的新型顶部驱动钻井装置。8)为适应钻井装备机械化、自动化、智能化和遥控的要求，不断提高钻机的自动化水平，应加快研制适应现代钻井作业的机械化设备及配套仪器仪表、井口工具等，进一步提高钻井作业效率和钻机整体的自动化水平。我国海上钻井平台现状及发展我国是一个海洋大国，拥有约300万平方公里管辖海域和18000公里海岸线，面积500平方米以上的海岛有5000多个，海洋资源十分丰富。海洋开发关系国家安全和权益。随着国际形势的变化和我国综合国力的增长，发展海洋事业、建设海洋强国的重要性和迫切性日益突显，海洋工程科技已被列入国家中长期科学和技术发展规划。深海工程装备的设计研发是我国海洋工程装备发展的瓶颈，只有突破若干关键技术、系统地提高设计研发能力，才能够推进我国海洋装备产业和深海资源开发的全面发展。由于深海自然环境条件严酷，深海平台必须具备进入恶劣的海洋环境作业的能力。300米3000米范围的深海工程问题是我国海洋工程学术界和工业部门的热点，其核心问题是深海平台的安全性。国内对深海工程施工过程的研究较少，结构物下水、拖运、施工、安装问题的研究也不充分。海上平台(offshore platform)是高出海面且具有水平台面的一种桁架构筑物。供进行生产作业或其他活动用。有固定式平台和浮式平台两类。固定式平台有桩式、绷绳式和重力式等。桩式平台由承台和桩基构成。桩基有木桩、钢桩和钢筋混凝土桩等种，构筑时将它打入海底，其上安装承台。绷绳式平台又称系索塔平台，将一个预制的钢塔安放在海底基础块之上，用钢索沿不同方向锚定拉紧而成。重力式平台是靠平台自身的重量稳坐在海底坚实土层之上的，抵御风暴及波浪袭击的能力强。浮式平台有可迁移的和不迁移的两种。可迁移的浮式平台又称活动平台， 有坐底式、白升式、半潜式和船式4 种，多用于海底石油和天然气的钻探。不迁移的浮式平台常建于靠近岸边或海况较好的海域， 常用普通的驳船结构，系泊采用锚定法， 先用于开采海底石油，后用于建造海上浮式工厂和浮式贮库等。从海上平台的发展历程看， 国内海洋工程技术力量薄弱，严重抑制了国内石油产业的发展，造成对国外公司的依赖。中国不缺少钢结构加工能力，不缺少设备制造能力，但缺少石油平台，尤其是深海石油平台总体设计能力。因而不能将这些产业有效地整合在一起，形成一条完整的供应链。许多有一定技术难度的项目需要借助于国外公司的设计力量和国外设备，大部分利润让国外公司赚走，使国内企业难进入经营的良性循环。随着多家公司加大海洋石油投入，这个矛盾将更加突出。海洋平台设计是一个技术要求高， 多专业相互协作的过程。要求设计人员不但需要高超的技术实力，还要具备良好的团结协作精神。海上平台发展现状据截至2006年6月底的统计，全球现有半潜式钻井平台165座和钻井船38艘，其中额定作业水深超过500米的深海半潜式钻井平台和深海钻井船分别有1 03座和33艘， 占各自总数的62和87。此外还有31座浮式钻井装置在建造，其中半潜式钻井平台24座和钻井船7艘。由此可见，深海钻井的主力是半潜式钻井平台。现有89座深海半潜式钻井平台，主要分布在18个国家，其中美国有24座，占总数的27。26艘深海钻井船分布在8个国家，其中巴西有8艘，约占13。深海半潜式钻井平台主要活跃在美国墨西哥湾、巴西、北海、西非、澳大利亚和墨西哥海域，深海钻井船主要活跃在巴西海域、美国墨西哥湾和西非海域。全球约有100家公司从事海上钻井，其中海上钻井承包商约90家，其余为国家石油公司或国际石油公司。在这些公司中，目前拥有半潜式钻井平台或钻井船的只有33家，而真正从事深海钻井的仅有26家，其中美国拥有最多，其次是挪威。随着深海勘探开发力度的增加，有些公司看好深海钻井承包市场，通过新建半潜式钻井平台或钻井船跻身深海钻井承包商行列。美国Transocean公司，是全球最大的海上和深海钻井承包商，拥有的深海钻井装置占全球总数的约30。名列前5位的深海钻井承包商均是美国公司。拥有的深海钻井装置占全球总数的70。全球深海钻井装置几乎全部掌握在钻井承包商手中。现有的深海半潜式钻井平台的额定作业水深从500-3050米不等，其中45的平台能够从事超深海钻井。在建中的半潜式钻井平台的额定作业水深从7503800米不等，大部分超过3000米，适合深海钻井，绝大部分能进行超深海钻井。其中，有l6座的额定作业水深达到3050米，有2座达到3800米。现有的深海半潜式钻井平台的钻深能力，介于6O00 11430米之间，都能钻超深井，个别的能钻井深超l0000米的深井；在建的钻深能力都达到或超过9000米。现有的深海钻井船的额定作业水深从900-3050米不等。其中作业水深为3050米的钻井船最多，有l4艘。有70的深海钻井船能够从事超深海钻井。在建的作业水深都在3000米以上，不是3050米，就是3658米。实际的钻井水深纪录不断刷新，当前己达到3051米。现有的深海钻井船的钻深能力，介于5000-1188