海洋钻完井工程基础VIP

海洋石油钻完井工程基础,2012.9,苏堪华（博士/副教授）电话mail：sukanhua,石油与天然气工程学院重庆科技学院,重庆科技学院石油工程学院,2,课程内容,钻完井技术概述,重庆科技学院石油工程学院,钻井的定义,石油钻井是指为了勘探和开发地下石油和天然气而在地表钻凿一个通往地下油气层直径很小的井眼的工作。目前已经形成专门的学科，油气井工程学科。按钻井的目的可分为：1、探井2、生产井3、其它井：注水（气）井，救援井按井眼轨迹分类：1、直井2、定向井3、水平井4、分支井,重庆科技学院石油工程学院,1、概念阶段（1901-1920）开始把钻井和洗井两个过程联系在一起，并使用了牙轮钻头和注水泥封固套管的工艺。2、发展阶段（1920-1948）这个时期的钻井工艺、固井工艺、牙轮钻头、钻井液等得到进一步发展，同时出现了大功率钻井设备。3、科学化钻井阶段（1948-1968）这个阶段开展了大量的科学研究，使钻井技术得以迅速发展。突出的技术成就有：高压喷射钻井高效牙轮钻头（镶齿、滑动密封轴承钻头）优质钻井液（低固相、无固相不分散体系钻井液）优选参数钻井（优选钻压、转速和水力参数）以上技术使钻井速度产生了大的飞跃。,一、钻井技术发展历史回顾（以旋转钻井为例）,重庆科技学院石油工程学院,地层压力检测技术、油气井压力控制技术、钻井液固相控制技术、平衡压力钻井技术。以上技术使钻井速度又一次产生了大的飞跃。4、自动化钻井阶段（1968至今）这个时期主要体现电子仪表、自动测量和计算机在钻井工程中的应用。例如：钻井参数的自动测量、综合录井仪、随钻测量技术等。由于以上技术的应用，才得以实现最优化钻井、自动化钻井。,一、钻井技术发展历史回顾（以旋转钻井为例）,重庆科技学院石油工程学院,二、影响钻井技术发展的因素1、油气勘探和开发的要求油气勘探和开发的目标增加储量，增加产量，提高效益，降低成本。增加储量扩大勘探领域：海洋、沙漠、戈壁、深部地层。各种钻井新技术正是在这种形势的要求下而相继产生。典型的钻井新技术有：水平井、大位移井、欠平衡压力钻井、小井眼井、超深井、分支井、多底井、导向钻井等。2、科学技术发展的影响电子信息技术、计算机技术的迅猛发展拖动了钻井技术的发展，电子计算机技术在钻井工程中的应用使钻井工程走向智能化有了可能。典型的技术有：数据的实时采集（地面的综合录井仪、井下MWD、LWD、FEWD）、数据的远程传输、导向钻井等。,重庆科技学院石油工程学院,三、钻井技术发展的趋势1、特殊工艺井钻井技术2、提高机械钻速（特别是深井超深井）（1）欠平衡压力钻井(空气钻井等)（2）动力钻+旋转钻+PDC钻头（或其它特种钻头）（3）超高压钻井3、钻井智能化数据采集地面（综合录井仪、工程参数仪）地下MWD、LWD、FEWD、SWD。数据传输有线、无线、电磁波（数据双向传输，形成闭环钻井系统）决策及控制数据存储、分析处理、决策分析、反馈控制。4、新概念钻井几种提法：智能钻井/集成钻井/精细钻井钻井方式的彻底变革（激光钻井）现代钻井技术是各项新技术的综合集成，是领域的拓宽，是学科的交叉与复合。,重庆科技学院石油工程学院,建井过程：钻前准备、钻进、固井和完井。1、钻前准备：修井场公路平井场安装设备井口准备（挖方井，下导管，打大、小鼠洞）材料准备2、钻进：下钻钻进接单根起钻换钻头3、固井和完井：固井：下套管注水泥。完井：安装井口替喷试油油井完成。,四、油气井建井过程,改变钻头尺寸（井眼尺寸）开始新的井段的工艺叫开钻。该井的第一次开钻叫一开，第二次开钻叫二开，依此类推。,重庆科技学院石油工程学院,基本概念,钻机钻头钻具钻柱钻井液钻压转速排量接单根,重庆科技学院石油工程学院,（二）钻柱的作用(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭距；(4)起下钻头；(5)计量井深。(6)观察和了解井下情况；(7)进行其它特殊作业；(8)钻杆测试。,一、钻柱的组成与作用（一）钻柱的组成钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头及稳定器等井下工具。,重庆科技学院石油工程学院,钻井工艺技术,影响钻井过程（钻速）的因素地层岩性强度、硬度、研磨性、可钻性钻井液性能密度、固相含量、粘度、失水钻头类型及结构水力参数泵压、排量、喷嘴直径钻井机械参数钻压、转速,重庆科技学院石油工程学院,水力参数设计,条件：保证井下安全、一定机泵条件、优质泥浆措施按井段采用不同的返速，优选排量、喷嘴直径、和喷嘴布置方案目的：在较高泵压下，使泵功率充分发挥，合理分配。使喷射速度、井底水力能量的到优选，从而提高钻速。,重庆科技学院石油工程学院,机械参数优选方法,建立钻速方程建立机械钻速模型，该钻速模型与岩石的可钻性、井深、岩石的致密性、井底压差、钻压、转速、水力参数、牙齿磨损建立钻头磨损模型，该模型与钻压、钻速有关目标函数,Cb+Cr(Tt+T)每米成本：C=H,2020/5/30,Pa,Pd,Pp,Pd+Php=PpPa+Pha=Pp,井控溢流及井喷控制,重庆科技学院石油工程学院,固井-常规注水泥工序,下完套管装上水泥头，充分循环泥浆，带出砂子，同时作好注水泥的准备工作，见图，注水泥施工工序如下：,（1）打隔离液；（2）注水泥浆；（3）开挡销顶胶塞；（4）替钻井液；（5）“碰压”，关井候凝。,重庆科技学院石油工程学院,重庆科技学院石油工程学院,钻井事故处理及其它作业,在钻井过程中，由于钻井液的类型选择不当或性能不良，井身质量较差，或者由于检查不周，违章操作，处理井下复杂情况的措施不当及疏忽大意而造成的钻具折断、顿钻、卡钻、井漏及井喷失火等恶果，通称为钻井事故。钻井其它作业主要指取心钻井、套管开窗侧钻等。,重庆科技学院石油工程学院,钻头事故三牙轮钻头掉牙轮或整个钻头落井等钻具事故钻铤螺纹折断；钻杆本体折断；钻具脱扣滑扣；钻杆刺漏等.卡钻事故压差卡钻；落物卡钻；键槽卡钻；井眼坍塌卡钻；套管变形卡钻等.尾管事故中途座挂；挂不住；下入工具倒不开；下入工具与钻杆被水泥浆固死（插旗杆）；尾管鞋替空和“灌香肠”等套管落井事故顿钻事故井喷事故和井漏事故测井仪器遇卡事故,重庆科技学院石油工程学院,完井技术,完井工程包括的内容：（1）钻开生产层：钻井完井液设计、平衡压力钻井（2）完井井底结构设计和完井方法选择（3）安装井底：包括下套管固井或下入筛管、割缝衬管（4）连通井眼与产层（射孔、裸眼等）（5）防砂措施（6）安装井口，完井测试,一、概述,完井：从钻开生产层、下油层套管、注水泥固井、射孔到试采等一系列生产过程的总称。,重庆科技学院石油工程学院,完井技术,一、概述,完井工程的原则和要求：（1）有效地保护油气层，尽量减轻或避免对产层的污染。（2）建立产层与井眼之间的良好通道，使油气流入井阻力最小，提高产能。（3）有效地封隔油、气、水层和不同压力的地层，防止层间干扰。（4）有效地控制油层出砂，防止井壁坍塌，确保油气井长期稳产。（5）井底结构能够满足开采、注水、井下作业等工艺要求。（6）工艺简单，成本低。,重庆科技学院石油工程学院,完井技术,二、钻开储集层,1.钻井作业对储集层性质的影响（1）压差的影响正压差使钻井液中的液相和固相侵入储层孔隙或裂缝，污染储集层。1）水侵使储集层中的粘土成分膨胀，使孔隙度减小，渗透率降低；2）水侵破坏孔隙内油流的连续性，增加油流阻力；3）水侵产生水锁效应，增加油流阻力；4）泥侵堵塞储集层孔隙通道。（2）化学物质不配伍的影响产生化学反应，生成沉淀物堵塞孔隙；腐蚀岩石，破坏岩石的胶结，使岩石坍塌或膨胀，使岩石渗透率降低。（3）浓度差的影响钻井液和地层流体中的化学物质的浓度差，引起化学物质的渗透现象。,重庆科技学院石油工程学院,2.对钻开储集层的技术要求1）有效地控制油气层压力，安全钻开储集层；2）有效地保护油气层，防止钻井液的污染。,完井技术,二、钻开储集层,1.钻井作业对储集层性质的影响（4）应力状态变化的影响钻开储集层形成井眼，井壁周围岩石的应力状态发生变化，引起岩石的变形，使岩石的孔隙度和渗透率降低。,3.防止和减少储层损害的方法（1）选用适宜的完井液（指钻进、压井、试油、射孔以及一些增产措施中用于生产层的液体）（2）平衡压力钻井或欠平衡压力钻井（3）控制起下钻速度，减小波动压力对油、气层的损害（4）采用屏蔽暂堵等保护油气层技术（5）选择合理的完井方法,重庆科技学院石油工程学院,（一）裸眼完井法,完井技术,三、完井井底结构和完井方法,1.先期裸眼完井钻至油、气层顶部后，下套管固井，然后再钻开油、气层。优点：（1）油、气层暴露面积大，油、气流入井内的阻力小。（2）排除了上部地层干扰，可采用与产层配伍的完井液，也可采用平衡压力、欠平衡压力钻井方法打开油气层，产层污染轻。（3）避免了固井作业对产层的污染。消除了高压油气对固井质量的影响。（4）缩短了钻井液的浸泡时间。（5）钻开油、气层时，如遇井下复杂情况，可将钻具提至套管鞋以上进行处理。,先期裸眼完井,后期裸眼完井,重庆科技学院石油工程学院,2.先期裸眼完井的缺点（1）不能防止生产过程中的井壁坍塌和油层出砂。（2）不能克服生产层范围内不同压力的油、气、水层的相互干扰。（3）钻开油、气层时，如遇到复杂情况，由于井眼尺寸较小，会给继续钻进带来一定的困难。,3.适用条件（1）油、气层情况掌握准确（2）岩性稳定（3）无油气水夹层的单一油气层和一些油气层性质相同的多油气层的井。我国碳酸盐裂缝性油、气藏使用该法较广泛。,（一）裸眼完井法,完井技术,三、完井井底结构和完井方法,重庆科技学院石油工程学院,（一）裸眼完井法,完井技术,三、完井井底结构和完井方法,1.后期裸眼完井后期裸眼完井法是在钻穿油、气层后，将油层套管下至油、气层顶部固井。优点：可以确保油层套管下在油、气层顶部。缺点：（1）泥浆对油气层的浸泡时间长，易损害油气层；（2）同时也会受到水泥浆对油气层的损害，如油气层压力大时固井质量也不易保证。这种完井法一般是在地层情况掌握不够的探区采用。,先期裸眼完井,后期裸眼完井,重庆科技学院石油工程学院,（二）射孔完井法应用最广泛的方法,三、完井井底结构和完井方法,完井技术,尾管射孔完井法示意图,射孔完井法示意图,钻穿油、气层之后，下油层套管至油、气层底部固井。然后再用专门的射孔器在油、气层部位射孔，射穿套管和水泥环并进入地层一定深度，油、气通过这些孔道进入井内。或下入尾管后射孔。,重庆科技学院石油工程学院,主要优点：（1）能有效地封隔不同压力的油、气、水层，消除互相干扰。可以进行分层测试、分层开采、分层注水等作业。（2）能有效地防止油、气层的垮塌。（3）可以根据取心、测试等资料确定油层套管是否下人和下入深度，消除下油层套管的盲目性。（4）有利加深井眼。主要缺点：（1）打开生产层和固井的过程中，钻井液和水泥浆对生产层的侵害较严重。（2）由于射孔数目、孔径、孔深有限，油气层与井眼连通面积小，油气入井阻力较大。适用条件适用于各种产层。,（二）射孔完井法,三、完井井底结构和完井方法,完井技术,重庆科技学院石油工程学院,（三）防砂完井法,三、完井井底结构和完井方法,完井技术,1.衬管或筛管完井,衬管完井法是将油层套管下到油、气层顶部固井，然后再钻开油、气层。在油、气层部位下入预先钻好孔的衬管，衬管通过其顶部的悬挂器悬挂在油层套管上，并把套管与衬管的环空密封起来。油、气通过衬管上的孔进入井内，如图7-28所示。衬管类型：绕丝、割缝、多孔材料烧结。由于衬管完井法是利用油层沙自然形成砂拱来起防砂作用，所以不易人为控制。另外在裸眼井内下衬管完成的井内，无法封闭油、气水层。因此可采用把衬管下入射孔完井的井内，这虽可消除油、气、水层互相干扰，但增加了油、气流人井内的阻力。,图7-28衬管完井法示意图1-油层套管；2-封隔器；3-衬管,重庆科技学院石油工程学院,（四）防砂完井法,三、完井井底结构和完井方法,完井技术,2.砾石充填完井在衬管与井壁之间充填一定尺寸的砾石，使之起防砂和保护油气层的作用。裸眼砾石充填套管内砾石充填砾石直径：砂粒中径的68倍。砂粒中径是指对砂粒进行筛分后，累计重量为50%的砂粒对应的直径。砾石充填法充填的砾石和带割缝的衬管可以起双层防砂的作用，防砂能力强。砾石又可起支撑井壁的作用，适用于疏松和出砂较严重的油井。,重庆科技学院石油工程学院,四、完井方法选择,完井技术,储层的类型及其均质程度、岩石的粒度组成、井底附近地带岩层的稳定性、产层附近有无高压层、底水或气顶、产层的渗透性等，是选择完井方法的主要依据。,重庆科技学院石油工程学院,1油管悬挂器；2油管头；3油管；4套管悬挂器；5套管头；6油层套管；7技术套管；8密封圈；9套管悬挂器；10套管头；11表层套管。,五、完井井口装置,完井技术,重庆科技学院石油工程学院,33,第一章海洋地形及环境特征,第一节海洋地形及地理概况第二节海洋环境第三节海洋石油开发简史,重庆科技学院石油工程学院,34,第一节海洋地形及地理概况,一、海洋的定义地球上广大而连续的咸水体称为海洋。根据海洋形态、水文和物理性质的不同，可以将海洋分为海和洋两部分。海：海是海洋的边缘部分，深度较浅，一般在2000米以内，约占海洋总面积的11%。如东海、渤海、加勒比海等。洋：洋是海洋的中心部分，深度在2000米以上，约占海洋总面积的89%。如：太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋。,重庆科技学院石油工程学院,35,第一节海洋地形及地理概况,二、海底形貌1.大陆边缘大陆架：大陆架一般是指水深为0-200m。大陆架是大陆的自然延伸，坡度一般较小，起伏也不大。（海洋油气开发主要集中地）大陆坡：由大陆架向外伸展，海底突然下落，形成陡峭的斜坡（几度到20度以上），这个斜坡叫做大陆坡。大陆隆：又称大陆基，是大陆坡以外到大洋盆地之间的过渡地带，水深为2500-4000m。,重庆科技学院石油工程学院,36,第一节海洋地形及地理概况,大陆边缘示意图,重庆科技学院石油工程学院,37,第一节海洋地形及地理概况,2.大洋盆地大洋盆地分布在大陆边缘和大洋中脊之间，其形状受制于大洋中脊的分布格局。3.大洋中脊大洋中脊是大洋底的山脉或隆起，它们是海底扩张的中心。,重庆科技学院石油工程学院,第一节海洋地形及地理概况,二、海底形貌总结,重庆科技学院石油工程学院,39,第二节海洋环境,一、海水1.海水又苦又咸，不能饮用。因为海水中溶解着各种盐类。大洋海水的含盐量(盐度)约为3.5(质量)。其中食盐约占80，其他依次为氯化镁、硫酸镁、硫酸钙等。2.海水表面温度随纬度的增高而减小。赤道附近水温可到28C，而两极附近到零度左右。四大洋海水表层年平均水温为17C。3.水面以下的温度一般是随着水深的增加而减小，1000米以下的水温降到3左右。,重庆科技学院石油工程学院,40,第二节海洋环境,3.海水含盐度大，导电率高，对金属的腐蚀也较强，特别是海水飞溅区，腐蚀最为严重。防海水腐蚀是船舶、平台、设备重要的研究课题之一。4.海水降到零度以下时便要结冰，结冰对海上结构物是一个威胁，也给海上施工带来麻烦，在高纬度海域施工，冰山是最大的威胁。,重庆科技学院石油工程学院,41,第二节海洋环境,二、风地球表面裹着一层空气，形成大气圈。地球表面的不均匀的加热和冷却与地球自转影响的结合产生了大气的流动，大气的流动是由于大气圈中各处气压高低的不同。气压差别越大，则大气流动的速度也越大，热胀冷缩，大气气层的变化与温度变化有着密切的关系。,重庆科技学院石油工程学院,42,第二节海洋环境,我国近海气象是比较恶劣的。冬季冷空气频繁南下，风力大者可达10级，夏季及其前后常有台风袭击，南海较多，东海次之，黄海亦有。在海上施工必须考虑大风和台风的影响，以免造成灾害。,重庆科技学院石油工程学院,43,第二节海洋环境,三、海冰分类：（1）浮冰：随风、浪、流等漂泊不定的冰；（2）固定冰：与海岸、岛屿、海底冻结在一起。不漂泊，但可随潮汐涨落而升降。,重庆科技学院石油工程学院,44,第二节海洋环境,海冰海冰是在高纬度地区特有的水文状况。凡是漂浮在水面上的各种形态的冰，总称为浮冰，如湖冰、河冰、海冰、冰川冰。海冰是由海水冻结而成的，是出现在海中的所有冰的总称。大洋中有34的面积被海冰覆盖。海冰对航行、海底石油的开采、南北极的调查等造成严重障碍，有时造成灾害。,重庆科技学院石油工程学院,45,第二节海洋环境,在寒冷地区的海面建造海上石油工程建筑物(如海上石油钻采平台、无掩护集输码头、海上石油开发用的港口基地以及海上灯塔等)时，常会遭受海冰侵袭的严重威胁。某些国家在设计和建造海上建筑物时，由于对海冰作用力的估计不足，致使在海冰强烈作用下而被毁坏。因此，冰对海上建筑物的作用力是寒冷地区海上水工建筑设计的主要控制荷载之一。,重庆科技学院石油工程学院,46,第二节海洋环境,例如1962年及1963年在阿拉斯加库克湾先后建造的两座海上钻井平台，由于设计强度未考虑冬季冰的作用力，于1964年冬均被海冰摧毁。日本1960年于稚内港外声问崎海上设置的声问崎灯标，于1965年3月因受强大的流冰群袭击而倒塌。其他国家也有类似事件发生。,重庆科技学院石油工程学院,47,第二节海洋环境,我国虽地处热带、亚热带和温带，但我国北部的渤海和黄海北部，因地理位置偏北，冬季受寒潮侵袭，故每年都有不同程度的结冰现象。因此，在上述海域建造平台时，必须考虑冰载荷。,重庆科技学院石油工程学院,48,第二节海洋环境,四、海流定义：海水从一个海区向另一个海区的大规模的质量转移，又称洋流。海洋里有着许多海流，每条海流终年沿着比较固定的路线流动。分类：（1）风海流：风力（2）梯度流：密度差（3）潮流：万有引力（4）补偿流：盈亏,重庆科技学院石油工程学院,49,第二节海洋环境,我国近海的海流，有外海流和沿岸海流两大系统。外海流是由黑潮及其分支和南海季风漂流所构成，它给本海区带来高温、高盐的外海水或大洋水。沿岸是由江河入海的径流，春季融冰及盛行风所产生的风海流等组成，流动范围主要是靠近陆地的沿岸浅水地带，流向带有季节性。流速大都在一节左右。,重庆科技学院石油工程学院,50,第二节海洋环境,海流和潮流不仅使自升式钻井船，固定式平台的桩柱或基础周围的海底发生冲刷和淤积，同时还使建筑物的桩柱或基础部分受到一定的流力作用，同时对水下结构物以及ROV作业都带来影响，所以对于海流的测定和关注是很重要的。,重庆科技学院石油工程学院,51,第二节海洋环境,五、海浪定义：海洋中海水的波动现象。（海上的波浪）俗话说“无风不起浪”，海浪确实是由风掀起来的，风速越大，浪也越大。风刮的时间越长，范围越大，生成的浪也越大。,重庆科技学院石油工程学院,52,第二节海洋环境,分类：风浪、涌、近岸浪（1）风浪风吹过海面引起的海水的波动。外貌极不规则，波峰较尖，波峰线和周期都较短。波面上经常出现浪尖被风削去而产生浪花飞沫，传播方向与风向一致。（2）涌风浪离开风区后，在风力甚小或无风水域中的传播。外形圆滑规则，波峰线与周期都比较长，深水地区波面无破碎现象。,重庆科技学院石油工程学院,53,第二节海洋环境,（3）近岸浪是风浪或涌浪传至岸边浅水区时形成的海水波动现象。波峰线与海岸平行，波谷展宽变平，波峰发生倒卷现象。海浪现象较为复杂。,重庆科技学院石油工程学院,一、世界海洋石油工业概况全球海洋油气资源丰富。据估计，海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34，累计获探明储量约400亿吨，探明率30左右，尚处于勘探早期阶段。全球海洋油气资源潜力巨大，勘探前景良好，为今后世界油气勘探开发的重要领域。,第三节海洋石油开发简史,重庆科技学院石油工程学院,二、世界海洋石油勘探开发历史,第三节海洋石油开发简史,1887年，在美国加利福尼亚西海岸架木质栈桥建成世界上第一口海上探井。,上世纪40年代之前，海洋石油勘探开发处于初始阶段，主要采用土木工程技术建造木结构平台和人工岛，作业水深低于10m。,50-60年代，出现了移动式钻井装置、浮式生产系统及海底生产系统，至60年代末，作业水深已超过200m，开始向大陆架深水区延伸。,90年代，作业水深不断刷新，1999年已近2000m，作业范围已从北海、墨西哥湾等传统地区扩展到西非、南美及澳大利亚大陆架等海域。,目前最大勘探作业水深已超过3000米，开采作业水深已超过2000米。墨西哥湾、西非及巴西等海域将继续引领全球海洋油气勘探开发潮流，同时许多前景看好的海上新区将陆续投入勘探，如东南亚、孟加拉湾、里海地区及两极大陆架地区。,重庆科技学院石油工程学院,56,第三节海洋石油开发简史,1859年，美国宾尼法尼亚州钻成第一口油井。而中国在1303年就有钻成油井的记载。1897年，在美国加利福尼亚州萨姆兰德（Summerland）离岸约75米的码头上安装钻机钻井，可视为世界上首次涉入海洋钻井。采用一个固定式木质结构（平台）钻成。1911年，世界上第一座固定平台钻井装置，矗立在美国路易桑纳州的卡多（Caddo）湖上。1925年，原苏联在里海建造的人工岛上进行石油钻井。,重庆科技学院石油工程学院,57,第三节海洋石油开发简史,1933年，“盖娜松号”（Giliasso）成为首座坐底式钻井平台。1937年，由木质桩插入水深4.3m泥底的、距海平面高4.6米的钻井采油平台，首次在墨西哥湾的海上钻井，获得日产85.9m3（540桶）的海底石油。1953年，一艘巡逻艇改装的第一艘钻井浮船“沙玛瑞克斯号”（SUBMAREX），采用悬臂式钻井井架，首次在加州岸外进行浮式钻井。,重庆科技学院石油工程学院,58,第三节海洋石油开发简史,1954年，J.RayMcdermott公司建造了第一艘采用气动机械升降、可移动的自升式石油钻井装置。1955年，由YF型供应驳船改装的钻井浮船“卡斯1号”（Cuss1）和具有中心船井的钻井驳船“西方勘探者号”诞生。1956年，美国雪佛隆（Chveron）公司在加州近海，完成了世界上首次海洋采油井最深的采油记录，采油井深达4036米（13240英尺）。,重庆科技学院石油工程学院,59,第三节海洋石油开发简史,1961年，美国环球海洋公司的“卡斯1号”（Cuss1）成为第一艘应用舷外马达推进器的动力定位钻井船。1962年，第一艘半潜式钻井平台“碧水1号”（BlueWaterNo.1）投入使用。1967年6月14日，在我国渤海海-1井发现工业油流。1968年，一条设计完善的“格洛玛挑战者号”（GLOMARCHALENGER）动力定位船，开始在深海进行以科学考察为目的的大洋取心作业。,重庆科技学院石油工程学院,60,第三节海洋石油开发简史,1970年，在美国加州近海，“伍德珂4号”（WODECOIV）钻井浮船首次成功地采用了钻柱运动补偿器。同年，钻井船“格洛玛挑战者号”创造了无导向绳钻井系统在3962米（13000英尺）水深重返井口的记录。1971年，美国Hunt石油公司在路易桑纳州近海开创了采油井深度为6248米（20500英尺）的海上深井的采油记录。,重庆科技学院石油工程学院,61,第三节海洋石油开发简史,1972年，第一座Spar平台在北海投入使用；同年，我国大连船厂建成国内第一艘电动液压升降的自升式钻井平台“渤海一号”，并运用于渤海海区的钻井。1973年，联合石油公司（UnionOil）在加里曼丹近海，最先应用多井口的海底井口基盘（多井口的井口盘）用于油田开发，和为以后使用采油平台（导管架）提供了井口回接装置。,重庆科技学院石油工程学院,62,第三节海洋石油开发简史,1974年6月，由国内自行设计建造的我国第一艘双体钻井浮船“勘探一号”，在南黄海、利用我国自行设计制造的钻井水下设备试钻成功，第一口探井钻深1500余米，之后又继续钻井8口。1976年，“发现七海号”（DiscoverSevenSeas）钻井浮船成功地采用电、液多路传输控制系统，用于无导向绳的水下防喷器组的控制。,重庆科技学院石油工程学院,63,第三节海洋石油开发简史,1979年，世界海洋石油钻井工作水深接近1500米（为1486.2米）。1981年12月，美国瓦科（Varco）公司将世界上第一个成功研制的顶部驱动系统（TOPDrivesystem，简称TDS）正式用于自升式钻井平台上进行钻井。同年，我国第一座坐底式钻井平台“胜利一号”投入极浅海石油钻井作业。,重庆科技学院石油工程学院,64,第三节海洋石油开发简史,1983年，由欧洲共同体财政支持建造的第一座张力腿平台（TensionLegPlatform，简称TLP）于1984年8月在北海Hutton油田安装投产。1984年9月，由巴西石油公司在巴西近海的PU-2号井，创造了当时世界完井的工作水深记录，工作水深突破1000英尺，实际达307米（1007英尺）。,重庆科技学院石油工程学院,65,第三节海洋石油开发简史,1984年，世界海洋石油钻井的工作水深突破2000米，达2116米（6942英尺）。同年5月，由我国自行设计建造的半潜式石油钻井平台“勘探三号”投入中国东海石油勘探钻井，迄今已在东海成功钻发现井逾20口。1987年，钻井工作水深突破7500英尺，实际达到7520英尺（2292.4米）。,重庆科技学院石油工程学院,66,第三节海洋石油开发简史,1988年，世界海洋石油钻井工作水深再创记录，达2328米（7638英尺）。同年，由我国自行设计建造的当今世界上第一座液压步行式钻井平台“胜利2号”建成投入使用。1989年，在美国墨西哥湾587米水深的张力腿平台投入使用。1991年，巴西国家石油公司在巴西近海的MRL-6号井，创海底完井工作水深为752米（2467英尺）的世界记录。,重庆科技学院石油工程学院,67,第三节海洋石油开发简史,1995年，在美国阿拉巴马州（ALABAMA）水域，由美孚（Mobil）石油公司，在LowerMobil湾的S.L350-5Tract95区块，创造了采气井井深达24256英尺（7393.23米）的世界记录。1996年，在美国OCS海湾，由壳牌（Shell）近海石油公司在花园礁（GardenBank）427的OCS-G7493AOU井，创造钻井深度达25859英尺，创造钻井深度达25859英尺（7881.82米）的世界记录。,重庆科技学院石油工程学院,68,第三节海洋石油开发简史,1997年，中国海洋石油总公司南海东部公司，在西江24-3平台上钻成大位移采油井，完井深度为9238米（斜深），创水平位移为8062.7米的世界记录。同年，英国石油公司再创水平位移达10113.57米的世界记录，其垂直深度为1605.08米，水位位移与垂深比值HD/TVD=6.3。,重庆科技学院石油工程学院,69,第三节海洋石油开发简史,1998年，世界上为在5000英尺（1524米）深水进行钻井作业，发展了新的套管程序。其下入海底的套管直径依次为36英寸（914.4毫米）、26英寸（660.4毫米）、20英寸（508毫米）、16英寸（406.4毫米）、135/8英寸（346毫米）、113/4英寸（298.5毫米）、95/8英寸（244.5毫米）、75/8英寸（193.7毫米）和61/2英寸（165毫米）。,重庆科技学院石油工程学院,70,第三节海洋石油开发简史,1998年11月18日，中国东海平湖油气田向上海浦东供气，宣告东海平湖油气田工程的建成，结束了中国东海不生产石油和天然气的历史。1999年1月25日，巴西国家石油公司（Petrobras）在巴西近海的Roncador油田，创造海底采油工作水深达6080英尺（1853米）的世界记录。1999年春，法国道达尔公司（TOTAL）在阿根廷，再创钻井水平位移达10585米的世界记录。,重庆科技学院石油工程学院,71,第三节海洋石油开发简史,2001年，海洋采油井最深记录达7088.73米（23257英尺）。2001年10月28日，在墨西哥湾的AlamionsCanyon903区块的二号井，钻井工作水深达2964.8米（9727英尺）。2001年12月12日，美国马拉松（Marathon）石油公司创造了垂深为8087米（26532英尺）的钻井深度记录。,重庆科技学院石油工程学院,72,第三节海洋石油开发简史,2001年末，投入安哥拉近海采油的当前世界最大的采油驳船“Girassol”号（BFPSO），其载重量高达343000吨，原油储存能力31.8万米3（2000000桶），操作水深1350米（4429英尺）。2002年4月4日，雪佛隆（Chveron）公司钻井垂深达9210米（30217英尺）。,重庆科技学院石油工程学院,73,第三节海洋石油开发简史,2002年秋季，马拉松（Marathon）石油公司在美国新奥尔良（NewOrleans）海域、水深为2196米（7200英尺），成功进行了海底完井作业。2003年建成的“全球圣塔菲开发钻井者1号”（GSFDevelopmentDriller1）和2号半潜式钻井平台，长68.284米宽68.28米型深36米；可变载荷7000吨；工作水深2286米，可加深至3048米；钻深11430米（37500英尺）；钻机功率7000马力。,重庆科技学院石油工程学院,74,第三节海洋石油开发简史,2003年，当时世界最大的浮船式FPSO“Agbami号”用于尼日利亚近海Agbami油田采油；其设计载重达400000吨，原油储存能力31.8万米3，工作水深1500米，设计生产处理能力为：原油31800米3/天，天然气736百万米3/天，生产水处理能力19.08万米3/天。2003年建成的“波勃帕尔麦号”（BobPalmer）自升式平台，船体长88.7米宽102.4米型深11.6米；工作水深167.6米（550英尺）；钻深能力10668米（35000英尺）。,重庆科技学院石油工程学院,75,第三节海洋石油开发简史,2003年2月中旬，雪弗隆-德士古公司用“DiscoverDeepSea”钻井船，在美国墨西哥湾，钻井工作水深突破3000米，达3051.35米（10011英尺）。2004年，柯洛科菲利普斯石油公司（Conocophillips）的张力腿平台（TLP），在墨西哥湾水深1425米投产采油；同年，Dominicn公司的Spar平台在墨西哥湾水深1710米投产采油。,重庆科技学院石油工程学院,76,第二章海洋钻井设备,第一节海洋石油开发简介第二节海上钻井平台的类型与性能第三节海洋钻井设备的特殊问题,重庆科技学院石油工程学院,77,第二章海洋钻井设备,在海上钻井时，不能直接将钻机安装在海里，需要有一个海上基地，以便安装钻机的各个系统，配备相应器材、物资和供人员作业及生活，这样才能保证在规定的环境条件下稳定地进行钻井作业，并在数十年或上百年一遇的环境条件下具备生存能力，这个海上基地就叫做海洋钻井平台。在海上钻井离不了海洋钻井平台。,重庆科技学院石油工程学院,78,第一节海洋石油开发简介,一、海洋石油的开发阶段大致分为三个阶段：地球物理勘探阶段勘探钻井阶段油气田开发阶段,重庆科技学院石油工程学院,79,第一节海洋石油开发简介,在海上完成这些工作比陆地要复杂、困难。因为海上钻、采的场地，集输和储运的设施是各种不同的海洋建筑物，它们在海洋环境中要受到风、波、潮、流、冰、地震等各种自然力的作用，不但有结构上、使用上、安全上等一系列问题，而且对石油开发的钻、采、集输、储运的工艺也有不同程度的影响。,重庆科技学院石油工程学院,80,第一节海洋石油开发简介,二、海洋石油开发工程特点海上油田开发与陆上油田开发相比，在开发工艺技术上并无本质上的区别，所不同的是油气田位于海底，巨大的水体及变化莫测的海况给海上油气田的开发带来异乎寻常的困难。因而它的开发具有技术复杂、难度高、投资巨大、风险大、开发建设周期长、而油田寿命短的特点。,重庆科技学院石油工程学院,81,第一节海洋石油开发简介,三、海洋石油开发技术十几年来，由于海洋石油开发的技术装备日趋完善，已经可以在任意水深的海区进行石油勘探；在水深千米以上的海区进行钻井；在几百米水深的海区进行海上采油，不久还可能在水深千米的海区采油。,重庆科技学院石油工程学院,82,第一节海洋石油开发简介,海上钻井建筑物的结构、性能和建造技术等均有所改善。为适应深水钻井有两级腿柱的自升式平台、漂浮式的钻井船和半潜式平台采用大型化和自动化的动力定位系统，这样就能满足稳性好、装载量大、自持力强，适应在更深更恶劣的海区作业。,重庆科技学院石油工程学院,83,第一节海洋石油开发简介,另外，还提出一种全潜式的钻井装置，就是直接在海底钻井，这样可以免遭海面风浪的袭击，工作稳定也不需要庞大的平台，当然，这也会带来一系列新问题，有待进一步研究解决。,重庆科技学院石油工程学院,84,第一节海洋石油开发简介,各国对海洋钻井的工艺设备也作了一定改进：配置了大功率的动力设备，提高了机械化、自动化的程度；新型钻头与随钻测量系统的研制、应用与发展，不仅提高钻井效率，而且促进了井下动力钻具的发展。,重庆科技学院石油工程学院,85,第一节海洋石油开发简介,海上采油的建筑物及工艺设备改用模块组装或撬装机组的方式，成为具有多种用途的石油开发综合体系。海底石油系统的工艺内容日趋完善，逐渐可以自成体系。,重庆科技学院石油工程学院,86,第一节海洋石油开发简介,油气集输和储运也完全转到海上进行，成为海洋石油开发联合体的一部分。为了节省钢材、降低造价、提高防腐能力，钢筋混凝土的集输、储运建筑日益增多。随着海底铺管技术的成熟，费用逐渐降低，海底管线在海洋石油开发上也将得到更广泛地应用。,重庆科技学院石油工程学院,一、海洋钻井的主要特点,要有海上钻井平台,要有隔水、引导系统,要有定位系统和升沉补偿装置（浮式平台）,要有先进的交通、通讯及良好的生活保障,井身结构复杂，套管尺寸大，层次多,环保要求高,四高行业(高风险、高投入、高技术、高回报）,第二节海上钻井平台的类型与性能,重庆科技学院石油工程学院,二、海上钻井平台类型与性能,按移动性来分，海洋钻井平台可以分为固定式和移动式两大类。,第二节海上钻井平台的类型与性能,重庆科技学院石油工程学院,89,1.固定式钻井平台从海底架起的一个高出水面的构筑物，上面铺设平台，用以放置钻井机械设备。由于在固定式平台上钻完井后，无法将平台搬运走，所以如钻井后发现有工业油气流，则可将钻井平台上的钻井设备拆掉，安装上采油设备，作为采油平台使用。,第二节海上钻井平台的类型与性能,重庆科技学院石油工程学院,90,1.固定式钻井平台是在海上安装定位后，不能移动的平台。,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,第二节海上钻井平台的类型与性能,重庆科技学院石油工程学院,91,2.移动式钻井平台这是在完成钻井作业后可以移走的平台。它包括：坐底式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台、步行式钻井平台、气垫式钻井平台和浮式钻井船。随着科学技术的发展，新的平台还会不断出现。,第二节海上钻井平台的类型与性能,重庆科技学院石油工程学院,92,3.导管架桩基平台,目前，比较典型的固定式钻井平台是钢制的独立导管架桩基平台，如图所示。,第二节海上钻井平台的类型与性能,重庆科技学院石油工程学院,93,结构组成导管架桩基平台主要由导管架、桩柱和工作平台组成。（1）导管架：导管架是平台的支撑部分，是整个平台的关键组件。导管架是用钢管焊接而成的空间钢架结构。导管架高度大于钻井水域的海水深度。,1.导管架桩基平台,第二节海上钻井平台的类型与性能,重庆科技学院石油工程学院,94,1导管架桩柱套筒,第二节海上钻井平台的类型与性能,1.导管架桩基平台,导管架结构,*导管架的结构,重庆科技学院石油工程学院,95,第二节海上钻井平台的类型与性能,1.导管架桩基平台,*导管架的安装,导管架的海上安装方法：提升法滑入法浮运法下面分别介绍这三种方法。,重庆科技学院石油工程学院,96,（2）桩柱：桩柱的作用是将导管架与海底固定在一起。它实际上是空心的钢圆柱。导管架放在海底后，将桩柱从桩柱导套与桩柱套筒中打入海底，入土的深度取决于海底的地质条件和海洋环境条件，有的深度达百米以上。打完桩后，在桩柱套筒和桩柱之间的环形空间灌上水泥，这样，平台和海底就固定在一起了。,第二节海上钻井平台的类型与性能,1.导管架桩基平台,重庆科技学院石油工程学院,97,（3）工作平台：作用是安放钻井设备，提供作业场所以及工作人员生活场所等。上层平台：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。两种安装方式：吊装：用浮吊将工作平台装到已就位的导管架上。浮装：靠驳船的调载将工作平台安装到导管架上，主要用于大型平台的安装。,第二节海上钻井平台的类型与性能,1.导管架桩基平台,重庆科技学院石油工程学院,98,（3）工作平台浮装过程：a.基础和临时支撑的设计、建造。为了使平台设备在陆地上安装。b.平台上设备的安装。在码头上安装。c.平台滑移上船牵引技术。将平台从码头牵引到驳船。国外：液压缸牵引；国内：滑轮组牵引。d.驳船调载计算。预先计算平台牵引到驳船上的重心位置。,第二节海上钻井平台的类型与性能,1.导管架桩基平台,重庆科技学院石油工程学院,99,（3）工作平台浮装过程：e.平台拖航到位。平台固定到驳船上后，运到离永久支撑一定距离后，将平台抛锚定位，在低平流时将平台拖到精确就位位置，限制好其运到。,第二节海上钻井平台的类型与性能,1.导管架桩基平台,重庆科技学院石油工程学院,100,（3）工作平台浮装过程：f.平台就位。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，平台坐到永久支撑上。切割临时支撑后，将驳船脱离。,第二节海上钻井平台的类型与性能,1.导管架桩基平台,重庆科技学院石油工程学院,101,优点稳定性好；海面气象条件对钻井作业影响小；如有工业性油气，可很快转换成采油平台。,缺点移运性差；适用水深浅；造价高，其成本随水深而急剧增加。,第二节海上钻井平台的类型与性能,1.导管架桩基平台,重庆科技学院石油工程学院,102,坐底式钻井平台是一种具有沉垫(浮箱)的移动平台，上部工作平台靠管柱支撑在沉垫(浮箱)上，总高度大于水深，由沉垫、工作平台、中间支撑三部分组成。1949年出现第一台移动式钻井装置“环球钻机40”，它是一台坐底式钻井平台。,第二节海上钻井平台的类型与性能,2.坐底式钻井平台,重庆科技学院石油工程学院,103,结构组成沉垫：沉垫又称浮箱，其中装有充水和排水的水泵，利用充水排气和排水充气的沉浮原理来控制工作平台的沉、浮或上升。钻井时，沉垫中注水，平台下降，沉垫坐到海底。完井后，沉垫排水充气，平台升起，以便拖航。,第二节海上钻井平台的类型与性能,2.坐底式钻井平台,重庆科技学院石油工程学院,104,结构组成工作平台：工作平台用于安放钻井机械设备。其横截面形状有正方形、长方形、三角形等形式。一边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。中间支撑：中间支撑一般采用金属桁架结构，它的高度随水深而定，大致在2030m。若在4个角柱处增添大直径的钢瓶或浮箱，则适用水深可略增，稳定性可提高，升降速度也可加快。,第二节海上钻井平台的类型与性能,2.坐底式钻井平台,重庆科技学院石油工程学院,105,优点稳定性好、运移性好；钻井时固定牢靠；完井后搬运灵活。,缺点工作平台高度恒定不能调节；工作平台面积不能过大，否则不易拖运；工作水深较浅，一般为2030m。,第二节海上钻井平台的类型与性能,2.坐底式钻井平台,重庆科技学院石油工程学院,106,极浅海步行坐底式钻井平台极浅海步行坐底式钻井平台“胜利2号”，是由我国自行设计、世界上独一无二的钻井平台。它既可以在“极浅海”或“潮间带”行走，又能在深水中拖航，属两栖钻井平台。步行时步长为12m，是专为我国极浅海和滩海地区的石油勘探而设计的，是我国工程技术人员智慧的结晶。,第二节海上钻井平台的类型与性能,3.步行式坐底平台,重庆科技学院石油工程学院,107,结构组成内船体、外船体、步行机械与液压控制系统。,第二节海上钻井平台的类型与性能,3.步行式坐底平台,重庆科技学院石油工程学院,108,结构组成内船体：由沉垫、支撑以及甲板组成。沉垫为中空的箱形结构，漂浮时提供浮力，行走或坐底作业时起支撑作用；支撑由立柱和斜撑构成，它连接甲板和沉垫；甲板用以安装钻井设备，为工作人员提供工作和生活场所。内船体有四座强大的悬臂支架。,第二节海上钻井平台的类型与性能,3.步行式坐底平台,重庆科技学院石油工程学院,109,结构组成外船体：由沉垫、支撑和甲板组成。不同的是其甲板上有四条长为15m的步行轨道，用来提升外体或顶升内体。外船体包围着内船体。步行机械与液压控制系统：它是由在内外体结合部的四个大型顶升油缸、外体甲板上的两个特长型牵引油缸以及运行车轮组与运行轨道组成。,第二节海上钻井平台的类型与性能,3.步行式坐底平台,重庆科技学院石油工程学院,110,步行工作原理外船体坐于海底，支撑整个平台，四个顶升油缸将内船体顶起，由两个牵引油缸拉着内船体沿着外船体上的轨道运行一个步长。接着，内船体坐于海底，四个顶升油缸将外船体顶起，由两个牵引油缸拉着外船体沿着内船体的轨道运行一个步长。如此循环往复，实现步行。,第二节海上钻井平台的类型与性能,3.步行式坐底平台,重庆科技学院石油工程学院,111,特点适用于水深为0.6-8m的浅水及潮间带；运移性能好，既能自行又能拖行。步行速度为50-60mh，速度较慢；其使用受作业区地质条件的限制，作业区的海底应为泥砂质软土，坡度小于2.5；结构较复杂。,第二节海上钻井平台的类型与性能,3.步行式坐底平台,重庆科技学院石油工程学院,112,是一种可沿桩腿升降的移动式平台，就位时，桩腿放下插入海底，平台升高到一定位置。钻完井后，工作平台降至海面，提起桩腿即可搬家。1953年出现第一台自升式钻井平台。,第二节海上钻井平台的类型与性能,4.自升式钻井平台,重庆科技学院石油工程学院,113,结构组成桩腿：桩腿可分成桁架型和圆柱型两种。就位工作时它插在海底，搬迁时将它从海底提起，桩腿上有升降机构。工作平台：本身是一个驳船甲板，用以安放钻井设备，并为工作人员提供工作和休息的场所。搬迁时，靠它的浮力使平台浮在水面上。底垫：增加海底对桩腿的反力，防止由于海底局部冲刷而造成的平台倾斜。,第二节海上钻井平台的类型与性能,4.自升式钻井平台,重庆科技学院石油工程学院,114,优点对水深适应性强、稳定性好缺点工作水深受腿长的限制，不适合于深水，在拖航时易受风暴袭击而受到破坏（渤海2号）。,第二节海上钻井平台的类型与性能,4.自升式钻井平台,重庆科技学院石油工程学院,115,其结构类似于坐底式钻井平台。当水深较浅时，半潜式平台的沉垫(浮箱)直接坐于海底，这时，可以将它用作坐底式钻井平台。当工作水深30m时，平台漂浮于海水中，相当于钻井浮船。1961年出现了半潜式钻井平台。,第二