第四章 海上钻井设备概述.ppt

海洋石油工程概论,主讲人：徐建功,第一章绪论第二章海洋资源第三章海洋灾害及防治第四章海上钻井设备概述第五章海上采油设备概述第六章波浪理论第七章海洋环境及环境载荷第八章海洋石油钻采设备的运动学和动力学第九章海洋石油钻采设备的强度,基本内容：,第四章海上钻井设备概述,随着陆地资源的日益枯竭，石油天然气的开采已经由陆地转移到海洋，而海洋石油天然气的开发也由浅海向深海海域发展。在海上需要一个安装钻井设备的场所，这个场所就是海洋钻井平台。海洋平台也经历了从浅海向深海的发展，新的平台不仅性能优良、甲板面积巨大，且要有极强的抗风浪能力和适应更广的水深范围。,第一节海洋工程装备概述,海洋工程装备是人类在开发、利用海洋所进行的生产和服务活动中使用的各类装备，核心是海洋资源开发装备，主要指用于海洋资源勘探、开采、加工、储运、管理及后勤服务等方面的大型工程装备、辅助性装备。在众多的海洋资源中，海洋油气资源的勘探开发技术最为成熟，装备种类多，数量规模大，是当前海洋工程装备制造业最主要的产品。,海洋油气开发装备体系,海洋油气资源主流开发装备,物探船,勘察船,钻井平台,浮式生产储油轮,起重船,生产平台,管铺船,水下机器人,物探船、勘察船、供应船、钻井平台、生产平台、浮式生产储油船、卸油船、起抛锚船、拖带船、倒班船、特种运输船、工程支持船（平台）、水下机器人、起重船、铺管船、铺缆船,钻井平台的分类,海洋钻井平台类型,按运移性可分,固定式,移动式,坐底式,自升式,半潜式,半潜式,钻井船,浮式平台,稳式平台,浮船式,按钻井方式分,张力式,固定式,自升式,坐底式,桩基式,重力式,张力式,地撑式,浮动式,棚绳塔式,钻井平台的分类,自升式钻井平台,由升降桩腿和桩腿支撑的平台构成,平台可沿桩腿上升高于海平面,移动时平台可降至水平由拖轮托拽,移动.,半潜式钻井平台,“981”半潜式平台是我国第一条3000米水深第六代半潜式钻井平台。具有勘探、钻井、完井与修井作业等多种功能。DP3动力定位系统,海工工程船和辅助船,海洋工程辅助船主要负责运送人员、物资、设备，部分船舶还承担着海上调查、测量、安装、维护/维修等重要作业任务，系统复杂，附加值高。半潜船、物探船、铺管船、地质勘查船、供应船、三用工作船、守护船、救助船,世界海工装备的制造格局,亚洲居于海工装备建造市场的前沿，其中韩国和新加坡属于第一梯队。中国近年发展迅速，跻身第二梯队。中东的阿联酋、南美的巴西、横跨亚欧大陆的俄罗斯、以及越南、印度和印尼等国家不甘落后，成为第三梯队。主要原因是这些国家石油资源丰富，在发展油气生产的同时，努力提升自己的建造实力。,：在欧美公司大型跨国石油公司的需求引领下，垄断着海洋工程关键装备开发、设计、工程总包及关键配套设备供货和高端制造领域，代表：法国Technip公司、意大利Saipem公司、美国McDermott公司、挪威AkerSolutions公司、SBM.钻井系统、动力定位系统、FPSO单点系泊系统、水下生产系统等。,韩国和新加坡公司：在功能模块设计建造、总装设计建造领域快速发展，占据领先地位，但在装备设计方面与欧美公司存在较大差距,中国公司：总体处在制造低端产品的第三阵营，部分骨干企业已经和正在初步形成功能模块设计建造、总装设计建造和调试的能力,海洋工程装备建造商分为三大阵营,主要产品分布,新加坡：自升式钻井平台+半潜式钻井平台+FPSO（改装）韩国：高端FPSO（新建）+钻井船+半潜式钻井平台中国：自升式钻井平台+FPSO+半潜式钻井平台,主要建造国家情况（1）韩国,代表企业:三星重工、大宇造船海洋、现代重工、STX造船最具竞争力的是三星重工。三星重工在钻井船、LNG-FPSO等装备建造首屈一指，韩国的三星重工是建造过最多钻井船的企业，目前也拥有最多的钻井船手持订单。大宇造船海洋建造过最多的半潜式钻井平台，同时也是仅次于三星重工的钻井船建造企业。FPSO新建和固定平台建造也是大宇造船海洋的优势领域。大宇还涉足半潜式生产平台船体和TLP的建造。现代重工主要从事FPSO新建、钻井船、固定平台和上部模块的建造。,主要建造国家情况（2）新加坡,吉宝集团在自升式钻井平台建造、半潜式钻井平台建造，以及FPSO改装方面实力突出。新加坡吉宝集团在全球有20多家船厂吉宝远东船厂主要从事半潜式钻井平台和自升式钻井平台建造；吉宝船厂主要从事FPSO改装；吉宝新满利船厂（KeppelSingmarine）主要从事辅助船建造；吉宝美国船厂（KeppelAmFELS）主要从事自升式钻井平台建造。另外，吉宝集团还在海外拥有吉宝巴西船厂（BrasFELS）、吉宝荷兰船厂（KeppelVerolme），从事平台总装和维修升级等。,代表企业：吉宝岸外与海事集团、胜科海事集团,主要建造国家情况（2）新加坡,胜科海事集团下属裕廊船厂、PPL船厂是从事平台建造和FPSO改装的主要船厂.裕廊船厂主要从事半潜式钻井平台建造和FPSO改装，目前拥有最多的半潜式钻井平台手持订单；胜科海事旗下另一家船厂PPL船厂主要建造自升式钻井平台。,国内海工设计单位,708所自升式钻井平台、半潜式钻井平台、FPSO上海船舶设计研究院海工工程船和辅助船海上钻井平台设计包括方案设计、基本设计、详细设计和施工设计4个阶段。目前国内建造的主流海洋移动钻井平台，主要以引进国外基本设计后自行完成详细设计形式完成生产建造。,国内海工建造企业,国内海工建造企业,第一集团军：大连船舶重工、中集来福士、上海外高桥、中远船务、招商局（深圳）重工、青岛北船重工、上海船厂、熔盛重工、广州黄埔船厂、武昌船厂、广船国际第二集团军（后起之秀）：振华重工、辽河石油装备、四川宏华、海油工程青岛基地韩通重工、惠生重工、南通市政府第三集团军（海工船建造企业）：30多家中国船厂，浙江船厂、大洋船厂、乳山船厂、青岛前进船厂、威海造船、中航技厦门公司、福建东南、番禺灵山造船、镇江船厂、粤新船厂、广新重工,大连船舶重工,是国内建造数量最多、产品线最为齐全的海工装备建造企业，具备了海工总包能力。300英尺自升式钻井平台“DSJ300-1”下水。400英尺总包辽河油田石油装备制造总公司CP-300、四川宏华石油设备有限公司开发的自升式钻井平台HHJ1已完成初步设计和详细设计，进入生产设计阶段。这是四川宏华开发的第一座自升式钻井平台。今年该公司将投资10亿元加快建设位于江苏启东的海工装备建造基地，加快推进四川宏华整体从陆地钻机生产商向陆地和海洋钻机生产商的转型。,烟台中集来福士,1988年烟台造船厂,1996年烟台来福士成立,2008年加盟中集集团,发展中的中集来福士,今年交付7艘装备4坐自升式钻井平台、2坐半潜平台1艘工程船,自升式钻井平台JackUp,半潜式钻井平台SemiSub,浮式储油装置FPSO/FSO,特种船舶SpecialVessel,海上起重铺管装备是典型的大型海洋工程装备，是海上油气田开采、输送管道铺设、海上平台支持、海上大件吊装、救助打捞等海事工程不可缺少的重大装备。,海上起重铺管半潜驳船多功能工程船,特种工程船,海上平台及其配套件,专用海工配套装备,自升式海上平台专用齿条升降系统和锁紧装置,大型海上起重机铺管设备重型锚绞车动力定位系统波浪补偿技术,上海振华重工,上海振华重工,上海外高桥,中远船务,新加坡团队国外订单世界首座圆筒型深水半潜钻井平台大连中远船务从事改装FPSO(浮式生产储油装置),熔盛重工,具备3000米级深水铺管能力、4000吨级重型起重能力和DP3级全电力推进的动力定位，并具备自航能力的工程作业平台，能在除北极外的全球无限航区作业。,招商局重工和蛇口友联,招商局重工350英尺和400英尺自升式平台制造蛇口友联以修为主,钻井装备等关键装备,绞车、钻井泵、转盘、顶驱、升沉补偿装置、动态井架、水下防喷器、隔水管系统、集成控制系统、张紧系统ABB、西门子此外还包括钻井模块、管子处理系统、平台锚泊系统、海洋平台吊机、平台升降装置及各种辅助设备水下单元设备主要包括海洋钻井隔水管、海洋采油立管、水下井口、水下采油树、水下基输管汇、基盘、水下处理系统、水下混输系统、水下机器人（ROV）等等动力定位钻井船和深水半潜式钻井平台关键装备处于国外企业垄断，如在外高桥船厂正在建造中海油981深海半潜平台的钻井装备几乎全部采用进口设备钻井系统的造价高于壳体建造价格,钻井装备,制造企业美国NOV、挪威MH、国内企业TSC海洋集团（香港主板上市）、宝石石油机械、兰石国民油井Huisman(豪氏威马公司),生产基地位于厦门,该公司为全球主要陆上和海上工程公司提供起重、钻探与深海领域解决方案，主要客户为石油公司和油气开发工程服务公司，主要产品类型为重型起重设备、钻探设备、铺管设备和特殊其中设备。,钻井装备,07年内TSC海洋集团完成了三项跨国并购：并购郑州海来能源科技有限公司，弥补了公司固控系统这个薄弱环节；年底再次收购了英国的GME公司，该公司是全球海上平台机械和吊装设备主要的生产商，此外，TSC海洋集团还通过并购获得了国际著名的海洋钻井平台工程及设计公司FriedeGoldmanGroup部分股权。与中集来福士互持股权，主要为其提供钻井系统总包服务。,钻井装备,宝石机械公司可实现300ft自升式钻井平台由总包，在大连船厂建造。河北荣盛深水防喷器研制成功,属于863计划项目,海工装备用钢生产情况,目前我国的海洋平台用钢主要采用鞍钢、南钢、湘钢、新余、舞钢、宝钢产品.进口品种主要是F级以上、Z向冲击或超厚规格（100mm以上）的品种，多为日本钢厂生产南钢是吉宝公司中国唯一钢板供应商。在2006-2010年间，累计向新加坡吉宝公司供应AH36、DH36等板材达到25万吨，用于半潜式钻井平台、浮船式平台、自升式平台、石油和天然气勘探开采平等海洋工程设备制造。,其他国家油气钻井工程装备,（1）美国是石油装备最先进的生产国，不仅自给率居世界各国之首，并且石油工业的关键设备，诸如石油钻井设备（含顶部驱动系统）、燃气透平发电设备、柴油发电机组、大型高压天然气压缩机组、油气分离处理设备、海洋工程结构、海底遥控作业船（ROV）等在技术上领先于世界各国。世界石油工业主要的钻采设备约70以上由美国制造输出。,其他国家油气钻井工程装备,（2）英国和挪威的钻采平台自给率达80，但其平台装备的钻井、井控、固控、测井、固井等设备及海底完井设备约90来自美国。另外，这两个国家分别在动力定位技术、钻机顶部驱动技术方面具有领先优势。（3）法国石油工业技术仅次于美国，与英国齐肩，其高压石油软管制造技术，半潜式、自升式平台建造技术，测井技术，LPG储运设备制造技术等全球著名；,其他国家油气钻井工程装备,(4)意大利的海上铺管技术、管线涂敷技术，瑞典的动力定位铺管技术，荷兰的大吨位海上浮吊技术装备及海底工程地质调查技术，德国的石油钻井设备制造技术、海上液压工业装备技术、大功率变频电力拖动技术及仪器仪表技术等处于世界领先地位；(5)日本由于其造船、冶金、电子技术领先于世界，在平台建造、海洋工程结构和石油管材（含油气输送管线、钻杆、套管、油管），平台上配套的机、电、仪等技术方面具有较强的国际竞争力；,地球表面积为5.11亿平方公里，其中海洋面积约占地球表面积的70.9%，大约是3.62亿平方公里。,第二节海洋石油开发环境,2002年在巴西召开的世界石油大会上，为了对海洋油气勘探开发以水深来进行划分，将水深在400m以内界定为常规水深，将水深4001500m界定为深水，将水深超过1500m界定为超深水。,全球海洋平均深度3730m，水深在200m以内的近海大陆架水域面积占海洋总面积的7.5%，水深在30006000m的占海洋总面积的73.8%。,中国海岸线长约18000km，按联合国公约，属中国管辖的海域约有488万平方公里。南海面积约为200万平方公里，是世界上四大海洋油气聚集中心之一。南海石油储量估计约有230300亿吨；天然气储量约有338万亿立方米，70%在深水。,形势表明：深海油气资源勘探开发，必将成为中国未来的海洋石油、天然气的主战场。,海洋中蕴藏丰富的石油天然气资源，100多个国家和地区在海洋开展了石油钻采业务，已在海上发现1600多个油气田。,1.海洋石油工程环境,海洋石油开发环境总体上比较恶劣，工程建设期间可能遇到的自然环境条件有：海风、海浪、海流、潮汐、海冰、地震、海啸等。还包括：雨雪、雾、霜、温度、地基土壤、海水腐蚀以及海生物附着等。,（1）自然环境条件,工作环境条件：是指海洋石油工程在建设期间以及建成投产运行期间，所经常出现的自然环境条件。工作环境条件的选定应以工程的正常施工作业和正常生产运行为标准。,（2）设计环境条件,极端环境条件：是指海洋石油工程在建成投产后使用年限内，极少出现的极端恶劣的自然环境条件。极端环境条件的选定应以保证工程的安全为标准。,是指极端环境条件再次重新出现的时间的长短。对于海洋石油工程来说，一般以不小于50年为宜。对于海洋石油工程中的一些小型结构物，其重视期可以取为结构物的设计使用期限的23倍，但不宜小于30年。,（3）重视期,2.海洋环境载荷,海洋环境载荷是指海洋自然环境所施加给海洋石油工程的载荷。分为：环境载荷、使用载荷、施工载荷。,环境载荷：主要由海风、海浪、海流、海冰、地震等自然环境条件所引起的载荷。,使用载荷：是指海洋石油工程在服役期间所受到的除环境载荷以外的其他载荷。包括：固定载荷、活载荷、动力载荷。,施工载荷：是指海洋石油工程施工作业期间所受到载荷。常常是特殊的临时性载荷。,海水盐度高，导电率高对金属腐蚀比较强，特别是海水飞溅区，腐蚀最为严重。需要耐腐蚀强的材料和设备。,海风是指气压在水平方向上分布不均匀而产生的空气从高压区向低压区的运动。主要用风向和风速表示风的特征。台风。我国南海台风较多，东海次之，黄海较少，渤海很少。海洋石油钻采装备与结构常以30年一遇或50年一遇的台风为设计标准。,海洋石油开发环境总体上比较恶劣，海水、风、海浪、海流、潮汐、海冰、海啸等,海浪是大风掀起的，随着风的持续，海浪持续拍打海上平台等钻采设施，会产生持续载荷，因此需要高强度的材料来抵御海浪。,海流是海水大规模相对稳定的沿着一定方向、路线连续不断的流动。海面上的风所引起的影响深度仅仅几百米，是表层流，它的流动随深度而减弱。海水温度与盐度变化导致海水密度分布变化，并决定海洋压力场的海水流动。海流不仅使平台桩柱或基础周围的海底发生冲刷和淤积，还会对桩柱本身产生一定的冲击力，会影响水下的结构和设施。,潮汐是由于太阳和月球引力引发的海水周期性的涨落。包括两种运动：一种是垂直性涨落，另一种是水平方向的流动。由于潮汐的运动，平台会上下浮动，左右摆动，对于钻井定位和钻进深度有较大影响。,海冰是在高纬度地区特有的水文现象。海冰是由于海水温度过低而形成的。海冰破坏力极大，海冰可以推移油轮，挤压船体，搁浅船只，推倒平台。,海啸是由海底地震、海底火山喷发、海底崩塌、海岸的岸坡塌方及滑坡引起的。海啸从中心开始，波高很小，一般几十厘米，波长却极大，移动速度可高达800km/h。对近海钻井采油装备影响是致命的。,海上油田开发工程涉及了海上物探工程技术、海上油藏工程技术、海上钻井工程技术、海上采油工程技术、海上油气集输工程技术、海上建筑工程技术、海上施工技术、海上定位导航技术、海上搜救技术，海场保护技术、海上通信遥控技术、海上安全保障技术、海上运输、海洋气象、海上工程地质以及现代工程技术管理等诸多技术领域。,海洋石油工程开发是一个知识、资金、技术密集而又具有风险的系统工程。,（1）技术复杂、难度大,3、海上油田开发工程的特点,开发海上油田，要在恶劣的海洋环境中建造平台、铺设海底管道，确保海上油气生产作业的安全，这不仅技术复杂，而且所需的设备质量高，使得海上油田投资巨大。,据统计，海上油田投资额将随海区环境以及水深的不同而比陆地上高出310倍。,（2）投资巨大,由于恶劣的海洋环境会给海洋石油开发带来灾害，所以开发海洋石油具有一定的风险。尤其是海洋环境具有很强的区域特性，人们难以沿用其他海区的开发经验，同时在开发过程中会出现一些难以预料的问题，因此风险大。,（3）风险大,海上油田从勘探到开发一般需3到5年，从开发到投产需3到4年，总建设期长达610年（陆上油田建设周期一般在2年以内）。,在油田投入开发后，考虑到在恶劣的海洋环境中作业，存在海上平台的腐蚀及结构的疲劳问题，以及昂贵的海上操作费用，一般采用加快开采速率的办法，尽可能缩短在风险环境中的作业时间。因此，海上油田开发寿命比较短，中、小油田一般都在810年左右。,（4）开发建设周期长，油田寿命短,由于海上石油平台的空间有限，在发生事故后逃生的途径相对较少，救援工作也非常困难，只能依靠守护船舶和直升机，离较远的平台直升机从陆地起飞到平台需要几个小时，还要受到天气和海况的限制。,1979年11月25日凌晨3时30分左右，石油部海洋石油勘探局的渤海二号钻井船，在渤海湾迁往新井位的拖航中翻沉。因为风浪大、天气寒冷，当时船上74人，72人死亡，直接经济损失3700万元。,（5）救援工作难度大,海上石油装备主要包括：海上钻井设备系统，海上油气开采设备系统，海上油气集输设备系统，海上修井设备系统等。,海上钻井设备系统主要是钻井平台，钻井平台分为移动式钻井平台和固定式钻井平台。,海上油气开采设备系统包括固定平台开采系统，浮式开采系统和水下开采系统。,海上油气集输系统主要包括生产管汇，测试管汇，油气汇集系统，油气处理系统，注水系统，储运系统等。,海上修井设备主要包括固定平台修井装置，自带支持系统修井装置，修井辅助装置、泵送工具等。,4、海洋钻井的主要特点,海洋钻井基本是沿用陆上钻井的工艺方法，所不同的是海上钻井处于狂风巨浪的侵袭中，且与海底隔着巨大的水体，要在复杂的条件下完成钻井作业，其特点有以下几种：在海上要求提供安装钻进的机械设备和钻井工作的场地，即海上钻井采油平台。将全套的钻井机械设备安装在平台上成为在海上能独立完成钻进工作的装置。采用浮动钻井装置钻井，要克服在浮动条件下作业的不利因素，满足井底钻压、将钻具导向海底井口、保持井位等技术要求，需要有升沉补偿装置、水下井口导向装置、伸缩隔水管系和自动定位装置等。(3)海上建造平台费用昂贵、操作难度大，因此海上生产井一般均打丛式井（定向井）。为了提高海上钻井速度，确保钻井的质量，海上钻井应用了高新钻井工艺技术和钻井方法。,(4)井身结构复杂，套管尺寸大，层次多。(5)有一套防腐措施和设备。(6)先进的交通、通讯及良好的生活保障。(7)要有坚不可摧的井场(8)注意安全(9)遵守海洋法,5、海洋环境条件对钻井装备的影响,海洋恶劣条件下的钻井平台,海洋恶劣条件下的钻井平台,海洋环境条件对钻井装备的影响,海洋为人类提供了丰富的资源，但变化多端的海水却为人类获取海洋资源增添了巨大的困难和风险。要获取海底油气资源，首先必须建造安全可靠的、能牢牢立在海面上的工作平台，这是开发海洋资源的前提和基础。海上石油天然气的钻采工艺与陆上基本相同，所不同的是工作环境不同，陆上钻采设备不受场地限制，可以分散布置，而海上钻采设备必须集中布置在狭小的海洋平台上，受暴风雨、洋流、风力、化学腐蚀，寒冷环境下钢料强度、水深及钻井成本等问题的影响，自然条件恶劣，操作工况十分复杂。海洋钻井平台投资大，作业风险高，而且海上市场有诸多不确定因素。此外，海洋钻井远离陆地，运输十分困难。,海洋环境的特殊条件对钻井装备的影响很大，故海上平台及钻井设备除必须达到陆上设备的要求外，还要具备适合海上油气开发特点（经受得起风、浪、潮、流、冰、涌等海洋环境因素的冲击）的结构，以克服在海上作业的困扰。,海洋环境条件对钻井装备的特殊要求,安全性海上钻井平台离岸较远，平台空间不大，设备布置无足够的安全距离，操作者的活动空间有限，平台常年处于风、浪、潮之中，一旦发生事故，救援困难，后果严重；因此，海洋石油钻井设备必须满足防爆、防火、防烟雾的要求，并要有完善的监控系统，以防止事故发生。,可靠性各类海洋钻井平台的造价都很高，若租用钻井平台，日租金也非常昂贵，如自升式钻井平台的日租金达2.5万3万美元，半潜式钻井平台的日租金高达5万8万，如果钻机性能不佳导致经常停修，就会造成很大的经济损失；因此，要求钻机各部件的性能都要十分可靠，且经久耐用，尤其是平台的供电设备必须十分可靠，一旦断电停产，不仅会造成经济损失，而且可能造成重大事故。设备能力配备海上钻井远离后方基地，设备故障所造成的损失及修复所需要的时间均大大超过陆上，因此，海上钻井一般选用工作能力较大的设备以减少故障发生，即在相同井深条件下，海上配备的钻井设备能力一般比陆地上大20%25%。目前，海上多选用钻深为60008000m的钻机、70100t提升能力的修井机。在油田生产后期，如果用修井机补钻调整井或加密井、分支井，修井机的提升能力要达到100150t。,柴油机电驱动方式海上钻井平台离按较远，无工业电网供电，平台用电靠自配电站供电。海上钻井平台采用多台大功率柴油发电机组发电，供各电动机分别驱动钻井绞车、泥浆泵、转盘、顶部驱动装置等钻井工作主机。可钻或修多口井钻机或修井机可在平台上纵、横移动，即从一个井位很快移到另一个井位。目前，世界上有的平台最多可钻或修96口井，一般的平台可钻或修几口至几十口井。,配备应急设备海上钻井平台必须配备应急设备，如柴油发电机组配有应急柴油发电机，转盘配有应急驱动链轮，泥浆泵配有应急泵，当主要机组出现故障时，相应的应急设备立即启动，以保证全平台的生活和动力用电，避免卡钻事故的发生。技术先进、效率高海洋钻井平台的空间十分有限，因此，平台上所采用的钻井设备必须技术先进、体积小、质量轻、效率高。在同样技术性能的前提下，设备体积越小，钻井平台的建造费用也就越低。,2海洋石油平台简介,海洋平台是在海洋上进行石油钻探与生产作业所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设备，在生产平台上设采油设备。平台与海底井口有立管相通。,海上石油平台，一种岛状空间结构物，具有一个高出海面的水平台面，供进行生产作业或其他活动用的海上工程设施。,海上石油平台是海上石油开采的主要装置，它的分类方法有很多，其中按照用途大体可以为四类：钻井/勘探平台：主要用于勘探石油资源、钻探石油。采油平台：主要用于石油生产。中心平台：用于石油初步加工和石油输送。储存式平台：主要用于石油采集后海上储存，并且还有预处理功能。以上四种平台又可以细分为很多类，下面我们主要讲述一下海洋钻井平台的分类及其特点。,海洋石油平台,导管架海洋平台(Jacket),钢桩穿过导管打入海底，并由若干根导管组合成导管架。,适用于浅近海。,固定式钻井平台导管架式,导管架型平台在软土地基上应用较多的一种桩基平台。,固定式钻井平台牵索塔式,绷绳塔式平台亦称牵索塔平台，是将一个预制的钢质塔身安放在海底基础块上，四周用钢索锚定拉紧而成。它适用于水深较大的海域。,固定式钻井平台重力式,重力式平台是靠平台自身重量稳坐在海底坚实土层之上。,混凝土重力式钻井平台,坐底式海洋平台,平台分本体与下体（即浮箱），由若干立柱连接平台本体与下体，平台上设置钻井设备、工作场所、储藏与生活舱室等。,坐底式钻井平台是早期在浅水区域作业的一种移动式钻井平台。,自升式海洋平台(Jack-up),由一个上层平台和数个能够升降的可接地的桩腿所组成的海上平台。,平台既要满足拖航移位时的浮性、稳性方面的要求，又要满足作业时着底稳性和强度的要求，以及升降平台和升降桩腿的要求。,适用于不同海底土壤条件和较大的水深范围。,半潜式海洋平台（Semi）,大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式平台，由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。,平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，供钻井工作用。平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖面，主柱与主柱之间相隔适当距离，以保证平台的稳性，所以又有立柱稳定式之称。,张力腿海洋平台（TLP）,张力腿式平台利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡。,张力腿式平台的重力小于浮力，所相差的力可依靠锚索向下的拉力来补偿，且此拉力应大于波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。,固定式钻井平台张力腿式,张力腿式钻井平台（TLP）是利用绷紧状态下的锚索产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。,Spar海洋平台,主体是单圆柱结构，垂直悬浮于水中，特别适宜于深水作业，在深水环境中运动稳定、安全性良好。,左到右依次是导管架平台，自升式平台，半潜式平台，钻井船，张力腿平台。,海洋石油平台群组,海洋石油平台模型,各类固定式钻井平台性能对比表,钻井隔水管系统从钻井平台一直延伸到水下防喷器，形成了钻井液的循环通道。其主要作用是隔离海水，支撑各种控制管线（主要包括节流和压井管线、钻井液补充管线、液压传输管线等），吊装水下防喷器，为钻杆、钻具顺利下入井口提供导向。,3水下石油装备简介,国外主要生产商有Vet-Co、Cameron、AkerKvaerner等公司。,（1）钻井隔水管系统,水下防喷器是海洋石油钻井过程中的重要设备，它能够有效防止井喷事故发生，是石油勘探钻井过程中的安全保障。水下防喷器组一般由46部单双闸板防喷器和1部环形防喷器组成，上部连接隔水管装置，下部连接海底井口装置。与陆地防喷器相比，水下防喷器具有通径大、耐高压、防腐蚀、耐冲击、自动化控制程度高、安全性好、可靠性高等特点。,国外主要生产商有Cameron、Shaffer、Hydril等公司。,（2）水下防喷器,水下采油树的使用始于1967年。至今已有l200多套水下采油树应用在250多个采油项目中。它需要满足海水压力、腐蚀、风浪、暗流等复杂环境的使用要求，工作压力较高，采用电、液控制。,国外主要生产商有FMC、Vetco、AkerKvaemer、Cameron、Dill-Quip等公司。,（3）水下采油树,水下集输系统是指在钻完井后，用于油气集输的生产管线、出油管、井口之间的连接设备。其主要功能是：提供生产管线、出油管线和钻井的交互界面；注入气体和化学物质，控制流体；分配电力和液力控制系统；支撑管汇、出油管线以及缆线；保护管线和阀门正常工作；在水下机器人操作过程中提供支撑平台。,（4）水下集输系统,国外主要生产商有FMC、Vetco、AkerKvaemer、Cameron、Dill-Quip等公司。,1897年，世界首次进入海洋钻井，美国加利福尼亚州Summerland离岸约76m，木架码头。,4国内外发展概述,1911年，世界第一座固定平台钻井装置竖立在美国路易桑纳州Caddo湖上。,1925年，苏联在里海建造人工岛进行石油钻井。,1932年，世界首次浮船钻井（钻井驳船Mcbride号），在美国路易桑纳州Garden湾。,1933年，世界首座坐底式平台（Giliasso号），在美国路易桑纳州Pelto湖。,海洋石油981深水半潜式钻井平台于2008年4月28日开工建造，是中国首座自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台，由中国海洋石油总公司全额投资建造，整合了全球一流的设计理念和一流的装备，是世界上首次按照南海恶劣海况设计的，能抵御200年一遇的台风；选用DP3动力定位系统，1500米水深内锚泊定位，入级CCS（中国船级社）和ABS（美国船级社）双船籍。整个项目按照中国海洋石油总公司的需求和设计理念引领完成，中国海油拥有该船型自主知识产权。该平台的建成，标志着中国在海洋工程装备领域已经具备了自主研发能力和国际竞争能力。,“海洋石油981”，是中国海油深海油气开发“五型六船”之一，是根据中国海洋石油总公司（简称“中海油”）的需求和设计理念，由中国船舶工业集团公司第七八研究所设计、上海外高桥造船有限公司承建的，耗资60亿元，中海油拥有自主知识产权，由中海油服租赁并运营管理。2012年5月9日，“海洋石油981”在南海海域正式开钻，是中国石油公司首次独立进行深水油气的勘探，标志着中国海洋石油工业的深水战略迈出了实质性的步伐。,“海洋石油981”的6个世界首次：1、首次采用南海200年一遇的环境参数作为设计条件，大大提高了平台抵御环境灾害的能力；2、首次采用3000米水深范围DP3动力定位、1500米水深范围锚泊定位的组合定位系统；3、首次突破半潜式平台可变载荷9000吨，为世界半潜式平台之最，大大提高了远海作业能力；4、中国国内首次成功研发世界顶级超高强度R5级锚链，引领国际规范的制定5、首次在船体的关键部位系统地安装了传感器监测系统，为研究半潜式平台的运动性能、关键结构应力分布、锚泊张力范围等建立了系统的海上科研平台，为中国在半潜式平台应用于深海的开发提供了更宝贵和更科学的设计依据；6、首次采用了最先进的本质安全型水下防喷器系统，在紧急情况下可自动关闭井口，能有效防止类似墨西哥湾事故的发生。,第三节海上钻井平台的类型与性能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14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，也有用固定式平台作为多井钻井平台，随之作为开采平台使用的。,一、海上钻井平台的分类1.按运移性分类：（1）固定式钻井平台;始于1930年，多用在浅水去作业，不能移动。混凝土式钻井平台是其中最常见的种类。（2）移动式钻井平台。包括：坐底式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台、浮式钻井船等。,按运动方式，可分为固定式与移动式两大类,海洋平台的分类,固定式钻井平台,混凝土式钻井平台底部是一个巨大的混凝土基础(沉箱)，用三个或四个空心的混凝土立柱支撑着甲板结构，在平台底部的巨大基础中被分隔为许多圆筒型的贮油舱和压载舱，这种平台的重量可达数十万吨，正是依靠自身的巨大重量，平台直接置于海底。现在我国约有大约20座混凝土重力式平台用于北海。,移动式钻井平台坐底式,坐底式钻井平台,单立柱坐底式钻井平台,坐底式钻井平台又叫钻驳或插桩钻驳，适用于河流和海湾等30m以下的浅水域。,混凝土式钻井平台,固定式钻井平台,固定式钻井平台,自升式钻井平台,移动式钻井平台自升式,自升式钻井平台又称甲板升降式或桩腿式平台。,移动式钻井平台浮式钻井船,浮式钻井船是一种移动式钻井平台，它用改装的普通轮船或专门设计的船作为工作平台。,浮式钻井船,移动式钻井平台半潜式,半潜式钻井平台,半潜式钻井平台（SEMI）又称立柱稳定式钻井平台。,各类移动式钻井平台性能对比表,固定式与移动式平台比较情况,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；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；,2.按钻井方式分类（1）浮动式钻井平台：半潜式钻井平台、浮式钻井船、张力腿式钻井平台；（2）稳定式钻井平台：固定式钻井平台、自升式钻井平台、坐底式钻井平台。,半潜式钻井平台,半潜式钻井平台,浮式钻井船,坐底式钻井平台,二、海上钻井平台的结构及特点1.固定式钻井平台它是从海底架起的一个高出水面的构筑物，上面铺设甲板做为平台，用以放置钻井机械设备，提供钻井作业场所及工作人员生活场所。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，如图所示。,固定平台的结构型式,2020/5/24,115,固定式平台,固定式钻井平台通常是固定一处不能整体移动。固定式平台的下部由桩、扩大基脚或其他构造直接支撑并固着于海底。,混凝土重力式平台：这种平台的底部通常是一个巨大的混凝土基础（沉箱），用三个或四个空心的混凝土支柱支撑着甲板结构，在平台底部的巨大基础中别分隔为许多圆筒形的贮油舱和压载舱，这种平台的重力可达数十吨，正是依靠自身的巨大重量，平台直接置于海底。,2020/5/24,116,钢质导管架式平台：这种平台是通过打桩将方法固定于海底，他是海上油田使用很广泛的一种平台。钢质导管架平台自1947年第一次被用在墨西哥湾6m深的海域以来，发展十分迅速，1978年其工作水深已经达到312m。据报道高度486m的巨型导管架式平台安置与墨西哥湾411m水深的海域内。,（1）结构组成1）导管架，平台的支撑部分，是用钢管焊接而成的一个空间钢架结构。a.管节点：管子相交构成的节点，管节点是导管架的薄弱环节。注意保证焊接质量。管接点的主要损坏形式：管壁的损坏（穿孔剪切）；拉伸拉筋与钢管间出现分离裂纹；在承受压缩载荷的拉筋与钢管管壁连接处产生局部变形；整个钢管横截面的剪切破坏；受拉伸载荷的拉筋与钢管连接处出现撕裂等。,导管架,管节点的类型有许多种：由两根正交的管子构成的管节点叫做T型管节点。如撑杆与主管以锐角相交，该连接称为Y型节点。如果两根撑杆都在弦管的一侧，即每根撑杆的中心线与弦管的轴线形成锐角，该连接称为K型节点。如果一根撑杆与弦管垂直，另一根以锐角相交，该节点称为N型节点。当两根撑杆从弦管两侧正交并使所有三根管子处于同一平面，该连接称为X型节点或十字型节点。,管节点的类型,b.管节点的连接：按要求焊接。在一个平面节点内，在两个或多个纵向轴交叉处，从撑杆轴与弦管轴的交叉点至弦管轴的垂直距离定义为偏心距，如果此距离在弦管轴向着撑杆的一边，则偏心距为负值；如果在背着杆的一边则为正值。负偏心距引起撑杆的搭接；正偏心距促使弦杆上撑杆的分开。对于具有静力载荷的薄壁弦管，负偏心距与零偏心距连接相比可提高承载能力。然而，具有搭接撑杆的节点与无搭接的节点比，其节点的疲劳寿命可能降低。,偏心距,2）帽，它的作用是连接导管架与上部平台。它也是一个空间钢架结构，它与导管架的连接处焊有销桩。就位时先插入销桩，然后焊成一体。有的固定式钻井平台没有帽。3）工作平台，它用于放置钻井设备，提供作业场所以及工作人员生活场所。,（2）导管架的安装导管架的海上安装方法：1）提升法，主要依靠起重船进行吊装，受起重船能力的影响，如果导管架太高、太重，则应分成几块分别吊放入海，然后海上组装。,2）滑入法，把导管架的导管先密封，再用有下水滑道的驳船运到现场。到达现场后，驳船倾斜，导管架沿滑道下滑入水并浮在水面上。这时向导管内灌水，再用起重船帮助导管架平稳地放在海底。,3）浮运法，把导管架的两端密封后，自身浮在水面上，用拖船拖到井位后，再向导管内灌水使它下沉到海底。,（3）工作平台的安装：两种方法：吊装和浮装吊装就是用浮吊将工作平台吊装到已就位的导管架上。浮装就是靠驳船的调载将工作平台安装到导管架上。注意利用潮差的变化和驳船调载。浮装通常用于大型钻井平台的安装就位，将平台及其设备在码头上安装、调试好后，整体运到安装地点进行安装就位。大型平台海上浮装就位技术起源于美国，在国外已得到应用。海上体积、重量较大的结构采用该技术安装是一个发展趋势。,海上浮装就位过程,A基础和临时支撑的设计、建造平台上的设备在陆地上进行安装前，首先要在码头上建造平台基础，在基础上放平台临时支撑，临时支撑上放平台。基础要能承受整个平台、临时支撑及所有要安装设备的重量，刚度要大。临时支撑要能承受整个平台及所有要安装设备的重量，不能产生大的变形。B平台上设备的安装在码头上将平台上的设备安装到平台上并进行调试,C平台滑移上船牵引技术将平台从码头牵引到驳船上，需要一套牵引系统。最好的方法是用液压缸牵引，目前国外普遍采用此技术，但用液压缸牵引设备投资高。结合我国的国情，在实际操作中采用了滑轮组牵引。牵引系统如图所示,引系统如图所示。,D驳船调载计算在将平台牵引上驳船前，必须预先确定平台牵引到平台上的位置。由于平台的重心不在其形心上，驳船的重心也不在其中心位置。因此，必须首先计算平台的重心位置。E平台拖航到位将平台牵引到驳船上后，必须将平台固定到驳船上，以便拖航。这时船和平台的重心将会很高。将平台由码头运到海上的就位地点时，由于海洋环境载荷的作用，船会发生摇摆等运动，弄不好会翻沉。为此，必须进行平台强度校核、稳心计算和适航性计算。计算采用了国际通用的标准和大型有限元结构分析软件ANSYS，确定了适航的海洋环境条件，如风级等。,将平台运到离永久支撑一定距离后，就要将平台抛锚定位，以防在风、流、浪的作用下，船撞击永久支撑，造成其报废。然后，在低平流时，用图4所示的方法将平台拖到精确的就位位置，并限制好其运动。,F平台就位计算平台精确就位后，向驳船舱中压水，使驳船慢慢下降。直到桩尖进入导管，平台轻轻坐到永久支撑上。在压水时，要始终保持驳船水平下降，压水时要考虑潮水涨落的影响。接着，开始切割临时支撑，将它与平台完全脱开。随后，加速向驳船压水舱中压水，使临时支撑与平台相隔一定距离后，再用适当的方法将驳船拖离导管架就位区域。,平台就位,（4）固定式钻井平台的特点评价钻井平台优劣的指标：稳定性、运移性、适用水深和经济性。固定式钻井平台的特点：稳定性好、运移性差、适用水深浅、经济性一般。我国建成了几十座固定式平台，现已拆除3座，报废2座，其余都改装成了采油平台。,2.坐底式钻井平台坐底式钻井平台是一种具有沉垫浮箱的移动式平台。又叫钻驳或插桩钻驳，出现于1949年。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26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27所示。,坐底式钻井平台,（1）结构组成1）工作平台，用于放置钻井设备，提供作业场所以及工作人员生活场所。2）立柱，用于支撑平台，连接平台与沉垫。3）沉垫，它是一个浮箱结构，有许多各自独立的舱室。每个舱室都装有供水泵和排水泵。沉垫用充水排气及排水充气来实现平台的升降。（2）特点稳定性好、运移性好、适用水深浅、经济性较好。作业水深有限，而且也受到海底基础的制约。由于坐底式平台的工作水深不能调节，已日渐趋于淘汰。,137,移动式平台,移动式平台是一种装备有钻井设备，井能从一个井位移到另一个井位的平台，他可以用于海上石油钻探和生产。,坐底式平台：坐底式平台又叫钻驳或插桩钻驳，适用于河流和海湾等30m以下的浅水域。坐底式平台有两个船体，上船体又叫工作甲板，安置生活舱室和设备；下部是沉垫，主要功能是压载和海底支撑作用，用作钻井的基础。,3.半潜式钻井平台与坐底式平台相似，这种平台也是具有沉垫浮箱的移动式平台。在浅水区，沉垫完全坐于海底，作为坐底式平台使用；在深水区，整个平台处于漂浮状态。它从坐底式钻井平台演变而来，由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。上部为工作甲板,下部为两个下船体，用支撑立柱连接。工作时下船体潜入水中，甲板处于水上安全高度，工作水深可达9001200米。半潜式与自升式钻井平台相比，优点是工作水深大，移动灵活；,半潜式钻井平台,半潜式石油钻井平台南海二号,半潜式石油钻井平台南海二号,半潜式钻井平台,2020/5/24,142,2020/5/24,143,半潜式平台：为了克服坐底式平台、自升式平台、钻井船存在的缺点，使之既能在深水钻井又能提高作业效率，在1962年出现了第一艘半潜式钻井平台。这种平台的基本结构和坐底式相似，是由坐底式演变而来。半潜式和坐底式平台统称支柱稳定式钻井装置。坐沉在海底的称坐底式（可沉式），浮在水中的称半潜式。,2020/5/24,144,第一代半潜平台,1961年诞生的OceanDriller为3立柱结构，甲板呈V字形。,BlueWater钻井公司拥有的RigNO.1半潜式平台为4立柱结构，该平台为Shell公司设计。,1966年Sedco135半潜式平台为12根立柱，为FriedeGoldman公司设计。,2020/5/24,145,第二代半潜平台,设计:OdecoOceanVictory建造:19731975年水深/钻井深度:600/7500m可变载荷:4,000s/t,设计:ForexNeptune&IFPPentagone85建造:19731975年水深/钻井深度:1200/7500m可变载荷:3,000s/t,2020/5/24,146,第三代半潜平台,设计:F&GEnhancedPacesetter建造:20世纪80年代初期到中期水深/钻井深度:4501050/7500m可变载荷:4,000s/t,设计:TrosvikBingo3000建造:20世纪80年代初期到中期水深/钻井深度:4501050/7500m9000可变载荷:4,000s/t,2020/5/24,147,第四代半潜平台,设计:NobleEVA-4000建造:20世纪80年代初期水深/钻井深度:18002400/9750m可变载荷:4,0005,500s/t,设计:DeHoopMegathyst建造:21世纪初期水深/钻井深度:1500/7500m可变载荷:3850s/t,2020/5/24,148,第五代半潜平台,设计:Friede&GoldmanExD建造:2005年水深/钻井深度：2250/11250m可变载荷:7,000m/t,设计:SFXpress建造:21世纪初期水深/钻井深度:1500/7500m可变载荷:3850s/t,2020/5/24,149,第六代半潜平台,F&GExDPetroMenaJurong2006,AkerH-6eAkerDrilling2008AkerGroup,MSC/K-FELSDSS21MaerskContractorsK-FELS2008,GVA7500SeaDrillDaewoo2009,（1）结构组成a.工作平台，用于放置钻井设备，提供作业场所以及工作人员生活场所。b.立柱，用于支撑平台，连接平台与沉垫。c.沉垫（下船体），是一个浮箱结构，有许多各自独立的舱室。每个舱室都装有供水泵和排水泵，用充水排气及排水充气来实现平台的升降。d.锚泊系统，它用于给平台定位，通过锚和锚链来控制平台的水平位置，把它限定在一定范围内，以满足钻井工作的要求。（2）特性稳定性好、运移性好、使用水深深、经济性好。,半潜式钻井平台,4.自升式钻井平台又称甲板升降式或桩腿式平台。出现于1950年。它是一种可沿桩腿升降的移动式平台，平台就位时，先将桩腿放下插入海底，然后将工作平台沿桩腿升起到一定高度即可进行钻井作业。钻完井后，工作平台降至海面，提起桩腿即可搬家。平台就像驳船，由拖轮拖移至新井位。工作水深约在120m左右。自升式平台有自航、助航和非自航之分，大多数为非自航。平台形状有三角形平台、矩形平台和五角形平台。由于自升式平台可适用于不同海底土壤条件和较大的水深范围，移位灵活方便，便于建造，因而得到了广泛的应用。目前，在海上移动式钻井平台中它仍占绝大多数。,自升式钻井平台,自升式钻井平台,自升式钻井平台,2020/5/24,156,自升式平台：自升式平台又称甲板升降式