浅谈海洋钻机的一般特点

1、浅谈海洋钻机的一般特点(中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所摘要从海洋钻井工艺,法律,法规等方面对海洋钻机总体提出了特殊要求,并阐述海洋钻机系统和各部件配置特点,分析了海洋钻机和陆地钻机的不同之处.最后指出海洋石油勘探开发投资高,风险大,钻机要注重安全,环保,使用先进技术以适应海洋钻井的需要.海洋石油勘探开发投资高,风险大,在海上钻井作业实践中,要注重安全,环保,使用技术先进,适应海洋特殊钻井条件和要求的海洋钻机.海上石油天然气的钻井工艺与陆上基本相同,所不同的是陆上钻机不受场地限制,可以分散布置,而海洋钻机必须集中布置在面积不大的海上平台上,自然条件恶劣,操作工况十分复杂.此外,海洋钻井

2、远离陆地,运输十分困难.这些特点决定了海洋钻机除了必须达到陆上设备的要求外,还要满足一些特殊要求.同时,由于钻井环境条件的不同,海洋钻机系统和部件配置又有其自身的特点.一,海洋钻井对钻机总体特殊要求1.法律,法规海上施工和设备必须符合政府法律,法规的有关规定和要求;所使用的作业方法必须符合政府环保和保护海洋环境有关政策法规的规定.如:中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护条例,中华人民共和国能源部海上固定平台安全规则,中华人民共和国船舶检验局海船法定检验技术规则等.钻机必须由发证检验机构实行全过程的检验,包括:设计,制造,海上工程作业和试运转等过程检验及投产前的最终检验.2.安全性海上钻井平台

3、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;海洋石油钻井设备的安全系统主要有:压力安全保护系统,流动安全保护系统,温度安全保护系统,液位安全保护系统,火灾,可燃气体和有毒气体探测报警系统,应急关断系统,以及防污染设计.3.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,如果钻机性能不佳导致经常停修,停产损失和维修费用巨大.因此,要求钻机各部件的性能都要可靠性高,且经久耐用.一次性投入后,在足够长的规定使用周期内,不需要维修或只进行简单维修,直到失效更换.例如:防喷器在整个钻井周期内可

4、靠度必须达到100%,钻机的柴油发电机组的大修寿命必须大于2万小时.4.冗余设计海洋钻机的重要系统和部件必须配备应急设备,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,避免卡钻等钻井事故的发生.5.技术先进,效率高海洋钻井平台的空间十分有限,因此,平台上所采用的海洋钻机零部件必须技术先进,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.6.钻深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

5、,即在相同井深条件下,海洋平台上配备的钻机能力一般比陆地上的大20% 25%.如移动式钻井平台多选用钻深能力6000,7600,9000和11000m,乃至更深的钻机.7.驱动动力的提供方式海上钻井平台离岸较远,无工业电网供电.均是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,顶部驱动装置等钻机的工作机.8.可钻多口井由于海上钻井平台的费用较高,所以在一个平台上不能只钻一口井,而要钻十几到几十口生产井.这种丛式钻井法,在狭小的范围内可钻很多油井以控制较大的油,气藏面积,实际上也就是钻很多口定向斜井.因此,海洋钻机要能在平台上纵,横移动,即从一个井位很快移到另一个井位

6、.目前,世界上有的平台最多可钻96口井,一般的平台可钻几口至几十口井.9.设备模块化为了节省时间和空间,海洋钻机大多数加以模块化,以便于在海上迅速吊装联接.这些模块包括钻机主体(绞车,转盘和具有x-y移动装置的底座模块,泥浆泵模块,泥浆处理模块,动力模块,马达控制中心(MCC模块等.二,海洋钻机各系统和部件配置的特点海洋钻机与陆地钻机大部分设备可通用,如天车,游车,大钩,水龙头,泥浆泵,钻井仪表,气控元件,钻井工具等.由于钻井环境条件的不同,海洋钻机系统和部件配置又有其自身的特点.1.驱动形式陆地钻机大多采用柴油机联合机械驱动,这种传动形式的最大缺点是占地面积大,功率损失大.海洋钻机采用电驱动

7、,即采用柴油机带动交流发电机发电,一部分电流经可控硅整流后输出直流电,然后由直流电动机驱动钻机的各工作主机,而另一部分电流经变压器变压后,供给钻井平台所有辅机.海上平台采用这种可控硅交/直流转换电驱动(亦称SCR电驱动形式,不仅可以使平台的设备布置更紧凑,而且降低了平台电站的燃油消耗,提高了电站利用率.近年来,随着陆地钻机交流变频数字控制钻机的快速发展和成功应用,海洋钻机也开始采用这种电驱动方式.交流变频传动系统是柴油机驱动交流发电机,发电机发出的交流电通过变频装置,将交流电变换为可大范围调整频率的交流电,控制交流变频电动机,驱动绞车,转盘及钻井泵等.一方面,交流变频电传动钻机的绞车,转盘可实

8、现无级调速,调速范围宽,这样不仅可去掉绞车,转盘内换档变速系统,且使绞车结构简化,质量减轻,体积缩小,为工程作业提供非常优越的施工条件.另一方面,交流变频电传动钻机可使电动机短时过载倍数达2倍以上,提高了钻机提升和处理事故能力,尤其是在带负载情况下,可平稳启动,制动和调速,具有软启动性能,可降低供电电源容量;可采用计算机数字自动控制技术,便于对现场情况的监控;对于交流变频电传动钻机钻井泵排量,冲数,转盘转数,扭矩等参数,可实现全数字显示,实现钻机的自动化,智能化和对外界变化的自适应控制.与SCR直流传动系统相比,交流变频电传动钻机具有能耗制动功能,可实现辅助刹车;采用计算机自动控制技术,可实现

9、主电动机自动送钻.交流电动机没有碳刷换向器,维护费用低,使用安全可靠,易于操作管理,具有安全保护功能,可实现电动机的免维护运行;负载功率因数高,能耗低,传动效率高.目前,世界重要钻机制造商均将交流变频电驱动大功率钻机配备在半潜式钻井平台或钻井浮船上.2.井架及底座海洋钻机大多采用塔式井架,井架不用绷绳固定,底面积宽.在半潜式钻井平台和浮式钻井船上,为了安装升沉补偿装置及防止游车大钩摆动,井架上装有导轨.为适应拖航过程中的摇摆(周期为10s,单面摇摆不超过20°,要求井架结构强度高;为适应作业海域大风条件,要求井架抗风载能力高.为满足钻丛式井的要求,底座具有x,y方向移动的装置.3.转

10、盘开口直径大因要通过大直径的隔水套管等水下器具,海洋钻机转盘的开口直径比陆上钻机的大.转盘的开口直径大多数选用1257mm(491/2英寸,最小也不小于953mm(371/2英寸.4.绞车功率大海洋钻井绞车采用电驱动,可实现无级调速,绞车驱动功率较大,最大功率可达2200kw,比陆上同级别钻机绞车的功率约高1倍.为了节省空间,减少设备重量,绞车与转盘实现联合驱动.5.机组由司钻集中控制由于海上作业人员精干,对钻机的自动监控和集中控制程度要求高.海上钻机的主工作机组采用分组或单独驱动,为了操作方便,由司钻集中控制.司钻控制台上除装有一般的控制手柄外,还装有指示,记录,报警等各种仪表.6.泥浆泵海

11、洋钻机的泥浆泵一般采用排量较大,压力较高者.现在大多选用两,三台12P160或F160泥浆泵.由于井下双动力钻具和高压喷射钻井的需要,20003000HP的大功率泥浆泵以及工作压力达34.5MPa,51.7 MPa以及69MPa 的泥浆泵会在深井(6000m9000m和超深井(9000m以上的海洋钻机上配套使用.7.采用五级泥浆净化设备海上钻井作业的泥浆成本和弃置成本很高,泥浆经净化处理循环使用可节省大量成本.海上钻井作业采用成套的泥浆净化设备,以便减少泥浆中的固相颗粒,保持泥浆稳定的性能.配有:振动筛,除气器,除砂器,除泥器,离心机等泥浆净化设备.8.井口机械化设备为了提高起下钻速度,减轻钻

12、井工人的体力劳动,各类海上钻井平台上的钻机都安装有井口机械化设备,并且在浮式钻井船及半潜式钻井平台上装有自动化钻杆摆放装置.现在的海洋钻机要求配备顶部驱动装置及钻具排放系统.9.高性能防喷器钻井可能发生井涌(井喷,一旦发生井喷,必须迅速启动装在井口的防喷装置把井封住.常用的防喷器组主要由万能球型防喷器,单闸板防喷器,双闸板防喷器及钻井四通等组成.根据工作水深和钻深,选用不同通径和封井压力的井控系统,导流器及其控制系统.如对于自升式平台,则选用通径为346mm,封井压力选用103.42MPa(海底至目的层深度大于等于40005000m或137.89MPa(海底至目的层深度大于等于5000m或特殊

13、高压油气层;对于浮式钻井平台(半潜式平台或钻井船,则选用井控系统的通径为476.3mm(工作水深一般在600m以内或425.5mm(工作水深大于600m,选用封井压力为68.95,103.42,137.89 MPa(视工作水深,海底至目的层深度和是否为特殊高压的油气层而定.为了适应欠平衡钻井的需要,井口防喷器组合要配置高压旋转防喷器,即随钻压力控制系统PCWD(Pressure Control While Drilling.Shaffer公司的产品主要技术性能:最大封井压力:静态时34.5Mpa;动态(旋转时21 Mpa;封零时17.5 Mpa;最高转速200rpm;球形胶芯寿命:过钻杆259

14、00m.10.升沉补偿等装置海上钻机比陆地钻机多了隔水管系统,张紧系统,升沉补偿等装置.隔水管系统也称水下器具,它是海上钻井装置不可缺少的,它的完善与否直接关系到深海钻井的成败.隔水管系统的功用主要是提供从海底井口到海上钻井装置上的泥浆循环和起下钻具的通道.通常隔水管系统的部件有活节联接器,球节,伸缩节,张力器,分流器,运动补偿器,水下防喷设备,水下井口设备,挠性隔水管和防喷器连接器等.张紧系统:钻井装置的隔水管系统必须依靠作用于隔水管系统顶部的轴向张力或向上的浮力来支撑.在海上钻井作业中,张紧系统控制着隔水管系统的应力大小,并影响着隔水管系统的弯曲度.合理设计的张紧器运动形成必须超过钻井装置

15、的升沉,还要考虑到潮汐作用,连接件的调整和钻井装置吃水深度的变化.张紧器一般由活塞缸,钢绳和控制装置组成.升沉补偿:在海上钻井装置进行钻井作业时,为了减弱波浪引起的钻井装置上下起伏,必须设置升沉补偿器.升沉补偿器可使钻压基本保持均衡,提高机械钻速,延长钻头寿命.常用的升沉补偿器有游动滑车型和天车型.11.辅助系统的配备海洋钻井需要额外配备:固井/灰罐系统,钻井水系统,钻井污水处理及排放系统等.钻井平台要有固井能力,配备的设备有:水泥,灰罐,下灰器,漏斗,混合器,泥浆罐,灌注泵,水泥泵.固井系统的排出管路是钻井平台各系统中,工作压力最高的,因此管系在制造安装时对质量要求最高,接头焊缝要100%探

16、伤检验和压力试验.海上钻井的排污受到海洋钻井环境的限制,需要专门的分离,输送,储存装置.可直接排放的物体有专门的通道和位置进行排放.三,结束语与陆上钻井相比,海洋钻井工艺,条件有其特殊性.海洋钻机必须达到陆上设备的要求外,还要满足一些特殊要求.海洋钻井投资高,风险大,技术难度高,要注重安全,环保,使用技术先进,适应海洋特殊钻井条件和要求的海洋钻机,实现海洋钻井的安全,高效.参考文献1 朱江. 海洋钻井设备综述. 中国海上油气(工程,2000,12(6:44462 廖谟圣. 21世纪初的世界海洋石油钻机. 石油矿场机械,2000,29(1:593 姜伟. 浅谈海洋石油钻井完井机械及工具的国产化.

17、 石油机械,2001,29(1:574 赵峰. 海洋平台及设备可靠性的评价与监测. 石油机械,2000,28(11:5355目前我国海洋钻机制造刚刚起步,基本不具备海洋平台和钻机船的设计、制造能力。海洋钻井平台是钻井设备立足海上的基础。据“世界石油”2003年底统计报导,我国现有在用的移动式钻井平台14艘,其中10艘是我国设计,国外建造,4艘是我国自行设计和建造。国内设计单位有上海708所,原地质部海洋局、渤海石油公司等,建造厂是大连船厂、上海船厂等。这14座钻井平台中9座是自升式,即南海1号、4号,渤海4号、5号、7号、8号、9 号、10号、12号。5座半潜式平台,即南海2号、5号、6号,勘

18、探3号、4号。这14座钻井平台上的钻井装备全部是美国公司产品,其中美国 NationalSupply公司10套、美国Emsco公司4套。专家剖析滞后成因海上钻井装备从技术上说与陆上类似,但在系统配制上、可靠性、自动化程度等方面都比陆上钻机要求更苛刻。我国国产钻机至今还没有正式用在国产移动式钻井平台,在国际上移动式钻井平台上的钻井装备几乎被世界上少数几家名牌产品所垄断,如美国的NationalSupply公司,其钻机约占世界海上钻机的40%,我国的钻井设备可以上固定钻井平台,但要上移动式钻井平台还有一定差距海洋采油平台上的采油装备与陆上有较大差别。海洋一般采用三种完井方式,即水上完井(平台完井、

19、海底完井和近水面完井三种方式。水上完井主要用于固定平台,在平台上装备采油树。海底完井主要用于浮式采油平台,采油树安装在海底,系统设备就比较复杂些。近水面完井方式是将采油树安装在水面下2030米的大型浮箱上,用挠性管与油井和平台相连结。我国目前可提供水上完井所用的70Mpa以下采油树。而水下采油设备还有差距,还不能设计建造海底完井和近水面完井所需要的采油设备,如海底湿式采油树、干箱式采油树等。全球第二大陆地钻机生产商宏华(00196.HK前日宣布,与持股5.23%的策略股东中国海洋石油总公司签订战略合作协议,为期3年。宏华表示,该协议可助其拓展海洋钻机市场,并进一步巩固其在全球陆地钻机装备市场的领导地位。 宏华公告披露，此次双方合作的协议内容大致包括：宏华为中海油的海洋工程设备提供研 发及设计； 宏华成为中海油的海洋和陆地钻井装备优先供应商； 而中海油可享有优先权参与宏华的收购兼并交易。 受此利好推动，宏华昨日大涨 13.71，报收于 3.98 港元。 作为我国最大的陆上石油钻机生产企业，宏华一直 在向海上石油钻机市场进军。宏华主席张弭曾表示，对发展海洋钻机巿场，公司决心很大。为此已作了多项部署， 包括：在今年 3 月的上市募集资金中以 60（接近