深水半潜式钻井平台概述.pdf

水 ； 式能癍 ， ’ ；I；十 四 誊 2 7 嘴 深 水 半 潜 式 钻 井 平 台 概 述 中村雅洋等 近年海洋油田开发 已向深水、 小规模方向 发展。 各石油公司正热衷于深水钻井和生产方 面 的 技 术 开 发 。例 如 Te x a c o公 司 开 展 的 计 划就是 多个 石油公司参 加， 共 同进行 的深水技术开发 项 目。此外 P e t r o b r a s 公 司也在进行 以水深 2 0 0 0米为 目标 的 [ p r e c a p 2 0 0 0 ] 开发工作。目前， 上述机构正计 划实现成果共享 ， 以推进深水技术的开发和应 用 面对这个形势， 日本必须改善深海开发技 术的低水平状态。有效地应用我国的先进技 术， 把深水钻井技术的开发提到重要位置上 来 。 深水钻井的世界纪录为水深 2 3 2 8米 ， 是 S h e l l 公司刨造的。 水深 2 0 0 0米的钻井技术一 般被认为是成功的了 但是， 由于目前的大水 深钻井 都是 在少数平 台上 ， 在个 别海域完成 的， 技术和经验都存在着一定的局限性。今后 还必须针对不同的条件和环境 ， 开展多方面的 弋 6f } 争 f 郭安 魁译 大深水开发工作推进一步 。 一 、大水深技术 的确立 大水深技术是海洋开发的尖端技术 在不 可见的大水深海底钻井； 在大水深海面上使浮 体定点、 定位技术是海洋钻井的重要方式 所 谓大水深的定义是相对浅海而言， 它是随着海 洋开发技术的发展而定的。 就 目前 的技术水平 来说， 大深水是指水深 5 0 0 米至 2 0 0 0 米。 超过 2 0 0 0 米时就称超大水深了。 大水深技术是多种技术的综合， 其中也包 含综合评价技术 它不是靠单纯的硬件技术， 而是靠硬件的应用， 软件的支持， 以及各种学 科和技术的有力支持 二、 海洋石油技术状况简介 1 ． 海洋钻井平台的现状 目前世界上共有海上钻井平台 6 5 0 多部， 其中半潜式约占 2 2 ， 自升式约占 6 0 。 它们 研究， 开发通用性强， 可靠性高的相关技术， 把的工作情况和工作海域如表 1 所示。 寰一海洋石油开发钻井平台 有钻井 无作业 自升式 半潜式 钻井船 其它 区 域 总计 无合同 台同 合同 在用 不用 在用 不用 在用 不用 在用 不用 Gul f Of Me xic o 1 97 1 3 4 3 6 0 1 l 2 4 4 1 5 1 2 1 1 6 6 No r t h S e a 8 8 6 8 1 0 1 O 39 7 2 9 1 3 0 0 0 0 As i a 9 4 7 4 8 1 Z Z8 8 2 5 8 4 2 0 0 S ou t h Am e r l c a 9 2 7 9 3 1 0 18 9 1 5 3 4 0 { 2 l M id d 【 e Ea 5 t 5 7 4 2 4 l 1 {2 l 4 0 0 0 0 0 l ● A ka 46 3 1 6 9 1 5 7 6 2 l 5 3 维普资讯 国外 站井技术 2 5 I nd i a n 2 9 25 0 4 2 l 2 0 1 3 1 l O M e d ke r r a n e a n 1 5 12 2 1 8 2 3 1 1 0 0 0 C1 S 2 3 10 1 3 0 6 6 3 { 1 3 0 0 Ca na d a ／ A1 a s k a 9 l 4 4 1 2 0 0 0 l 0 0 总计 6 5 0 4 7 6 l 2 I 2 9 2 9 9 g 7 4 8 1 6 9 5 4 l 6 6 5 0 3 9 1 1 4 5 2 5 在用 比 5 6 7 类型 比 1 O 0 6 0 2 2 1 1 2 ．大水深技术的现状 目 前采用锚索定位的半潜式平台的钻井 最大水深为 1 4 1 6米。采用 DP S 动力定位系 统 定 位的 半 潜 式 平 台 的钻 井 最 大水 深 为 1 5 9 2米。采用 D P S定位的船式钻井平台的钻 井水深为 2 3 2 8米。 日本海上钻井纪录为水深 4 6 9米。是 石油开发株式会社 于 1 9 8 3 年在 御前崎沛创造的。 钻井平台为半潜式锚索定位 的 第 5白窀 号 随着海洋石油开发向深海发展， 也促进了 深水生产系统的发展。 近年陆续开发了浮动式 采油系统 F P S ， 张力腿平台 TL P ， 随动平 台等大深水生产设备 。 浮式采油系统是装备了 半潜式浮体或油罐型浮体 的生产平台。 其优点 是造价低、 投产快、 再利用性强 ， 适合小油 田的 开发。 T L P原是用于浅海的生产平台， 经过不 断改进 已经用于水深 9 8 3米的海域， 成为大深 水海域的有效生产设备 。 三、 海洋钻井平 台的发展概况 最早的半潜海洋钻井平台是 1 9 6 1 年用普 通平台加装浮筒改造成的。 此后又陆续开发了 移动性、 安全性、 工作水深、 承载能力不断提高 的平台。8 O 年代初甲板承载能力达到 4 0 0 0 吨。到 8 O年代后期又建造 了具有拖航、 钻井、 救险等多种功能、 甲板承载能力超过 5 0 0 0吨 的半潜海洋钻井平 台。 为进一步提高海洋钻井平台的性能。 日本 石油公司 委托 对 大水 深早期生产试验系统的经济性、 适用性 进行 调查 。 并着手大型半潜式平台的理论设计 。 它 将是结构紧凑， 动摇性好 ， 工作水深 2 0 0 0 米并 适应台风环境的新型平台。 四、 海洋钻井系统的研究课题 1 ． 浮体技术 ①浮体的最优化 浮体的规模直接影响造价， 浮体的结构决 定其动摇性能， 移动性能， 作业性能， 定位性 能， 它直接关系到定位设备的规模 在大深水， 恶劣环境条件下 ， 浮体最优化仍是需要进一步 研究的课题 。 ②减少水平和斜向支撑构件 减少水平或斜 向支撑可 以节省材料 ； 减少 构件连接产生的应力集中； 减少拖航时波浪的 冲击造成的疲劳破坏。 解决途径是加大水平支 撑的直径或采用箱式结构 。 ③下浮筒的最优化 下浮筒 的形 状直接影响浮体的动摇性能 和航行性能 ， 改进下浮筒形状也是今后应当注 意 的研究课题 。 ④支柱形状 的最优化 支柱的形状与浮体的稳定性有关 ， 不 同形 状的支柱所受外力也不同。 因此有必要研究支 柱形状与稳定性的关系， 以求得最优的支柱形 状 。 ⑤选用新材料 构件材料也是影响造价的主要园素之一。 一 般情况下浮体多用钢材制造。 今后可以考虑 代用材料以降低浮体的造价 。 2 ．定位技术 ①助推器多点定位 维普资讯 2 6 国外钻井技术 第十四卷1 9 9 8 年第 3期 海洋平 台的定位技术有如下三种 悬垂锚 索， 助推器定位， DP S定位。在大深水条件 下 DP S定位受浮体规模、 环境条件影响较大 。可 靠性下降、 造价提高 ， 实施起来困难较多。 锚索 定位因锚链 加长， 增加了平台的垂直负荷 、 降 低了安全性 。 三者 中比较有利的还是助推器多 点定位。如果考虑锚索定位时 ， 必须设法减轻 锚索的重量 。如在锚索中间加浮子 ， 采用锚链 与钢绳构成 的复合锚索 ， 选 用重量轻 ， 强 度高 的纤维缆绳 。 总之 ， 不论选用哪种定位方法 ， 在 设计过程中都必须进行静态和动态分析 。 ② 自动平衡、 锚索 、 助推器定位的控制 实现 自动平衡 、 锚索、 助推器定位的 自动 化很有必要 。为了达到安全生产 的目标 ， 需把 各种定 位的控 制 因素汇集起来 ， 实现总体控 制， 开发总体控制的接 口 设备 。 ③隔水管对定位的影响 隔水管 与定位锚索相同 ， 会对平台产生约 束力。当隔水管下部与海底设备分离时 ， 能造 成平台水平移动 。 在设计定位系统时必须把隔 水管作为定位系统的一部分纳入动、 静态分 析。 ④在大深水条 件下必须进 一步提高定位 系统的反应灵敏度和工作效率。 如加大锚链的 卷扬能力 ． 提高锚头的抓驻力和锚绳 自动张紧 的效果 ， 加强定位助推器的燃料系统和供电系 统的可靠性等。 3 ．辅助技术 ①井口导向潜水系统 在大深水条 件下钻井时需要随时监测隔 水管的倾角、 连接端的受力、 变形及变位的情 况 。为保证钻井顺利进行 、 必须提高各种检测 设备的可靠性。 ②隔水管下部应力节 隔水管悬挂脱离时造成下部应力集中， 在 隔水管下部采用应力节则能得以改善。 今后还 要从安全性和能用性方面对应力节加以研究 和 改进 。 ③ 为使 隔水管能适应 2 0 0 0米 的水深 ， 还 必须对隔水管进行静态和动态解析， 研究纵向 振动和旋转振动对它的影响。 ④填充阀的最优化 为防止泥浆快速漏失造成隔水管的压溃， 需要在隔水管上 安装填 充阀和保存水泥 的升 压管线。 在大深水条 件下需进一步研究填 充阀 的构造和最佳安装位置 。 ⑤弯曲节 为了适应隔水管的变位 ， 在 防喷器上必须 安装弯曲节。 设计时要对弯 曲节进行断裂角度 的 实验 。 ⑥辅助分流器 为 防止井下气体进入 隔水管 ， 需在隔水管 上下端安装气体控制阀， 使控制气涌 比较方 便 。 ⑦隔水管回弹阻止系统 紧急切断隔水管时 ， 会造成平台上跳。克 服办法是采用隔水管回弹阻止系统。 为了提高 其可靠性和通用性 ， 建议采用液压系统 。 ⑧隔水管的材料 在大深水条件下必须提高隔水管强度 ， 使 用 8 0 k g ／ c m 的高强度钢或钛合金钢。利用局 部加强或采用混合材料克服较大的局部应力。 ③隔水管接头 大深水条件下为缩短隔水管操作 时间 ， 必 须提高隔水管接头的强度和连接时间。 还要从 结构方面做工作。 ⑩防喷器控制系统 大深水条件下防喷器反应速度很重要 。 一 般是用电信号操纵导向阀控制液压阀的开闭。 由于要求反应快 、 信 息量大 ， 控制导线 又长等 因 素， 最 好 使 用 多路 传 输 电一 液控 制 系 统 Mu x E H 。控制系统及其电池装在防喷器 管上可以减少反应时间。 同时要研制用超声波 控制的紧急切离操作系统。 并要调查深水下的 电池、 插接件及光缆的适应情况 ， 提高光、 电、 液转换接 口的可靠性。 浮体结构 浮体一般采 用空气管或空心微球形式 。 在 大水深条件下采用后者为宜。 防喷器的加热 维普资讯 国外钻井技术 2 7 大深水条件下温度很低 ， 为保证 防喷器控 制系统正常工作、 应当考虑防喷器加热问题 。 4 ．钻井设备 大深水钻机起重能力按 6 5 0吨设计 。 为减 轻起下钻劳动强度， 需要装备自动操作系统。 近年来自动钻井设备的研究工作正在盛行 ， 已 经开发出来随钻检测、 随钻录井、 顶部驱动、 钻 管操作系统。今后仍须在 自动化 ， 省力化方面 开展工作。 ①平台 自动化 提高隔水管操作速度， 缩短起下降管柱的 时间， 因此需要开发平台 自动化设备 。此外还 需开发 自动 固相控制， 自动压舱物控制 ， 自动 位置控制以及井参数信息处理系统。 ②主动补偿器 以前的补偿器是静态控制的， 在海洋里采 用动态控制为好。根据环境条件加以控制 ， 以 提高安全性和可靠性。 ③控制系统统一化 钻井过 程中需对钻井操作 ， 泥浆情况 ， 固 相控制， 隔水管监视， 防喷器控制等方面的工 作实现集中监测， 统一控制。为此就要开发总 体控制系统 。 ④AC电机的适应性 过去钻井驱动多用直流电机 D c 。近年 已经研究交流电机 A c 的运用。交流机 比直 流机有效率高、 转矩大 、 超载能力强 ， 冷却器少 等优点。 交流机制动时可产生最大转矩。 也就 是说在钻 井过程中可以长时间保持载荷 ， 这一 点很适台钻井工作。 此外还有低转速下转矩控 制效果好， 管理维修费用低等优点。 固相控制 自动化及最优化 为除掉泥浆中的固相 ， 需设计回收不同粒 度的固体 自动回收装置。 海洋钻井平台的钻井 深 度 约 为 6 0 0 0～ 9 0 0 0米 。泥 浆 泵 多 为 1 6 0 0 HP级的三缸泥浆泵 。大水深条件下一般 装备二到三台。 接着省力的原则还要开发油基 泥浆和水基泥浆循环 自动控制设备 。 ⑥综合排水系统 为保护环境， 今后海洋钻井平台必须装备 水处理系统。 五、 大深水钻井平台展望 为了强化海洋钻井平台安全性， 修改后的 船级指标提高了。 这就提高了平台的造价。 加 上近年油价偏低， 开采商对建造平台积极性木 高， 总的来说平台的数量逐年呈下降趋势。但 是 ， 石油开发总趋势是向大深水的方 向进展， 大深水钻井平台必须要开发。 今后的平台主要 还是半潜式和 自由升降式 。 但其设备应从 自动 化、 省力化、 安全、 可靠、 载重量大， 适应恶劣环 境等方面入手， 开发适应大深水条件下的新设 备 。 石油技术协会记第 6 O卷第 5 卷 1 9 9 5 年 9月 上接 第 2 3页 最后 ， 圈 2显示了该钻机 钻一口深水井时高效施工带来的经济效益。 图 中“ 纵坐标” 为提 高效率后的成本对 常规钻机 作业一 口井成本的百分 比。总成本可分为三 类 钻机费用、 扩展费用 如船只服务费等 和 固定费用 如井口、 套管 。 有效日 租金 就是井 位在零效率时实际总日 租金除以所期望的工 作 日后的租金值 ， 圈中为黑实线 随着钻井效 率的提高而迅速下降 ， 效率提高 2 O 时 ， 有效 日租金降低 2 5 ， 效率提高 4 O 时降低值可 到 5 O 上述值不成 比例是 由于效率提高后 扩展成本也相应降低 。T r a n s o c e a n O ff s h o r e 和 A mo c o公司的目标是把效率提高 4 O 以 满足各方面的要求， 创造更多的效益。 E n t e r p r i s e钻机计划于 1 9 9 8年 7月为 A mo c o公司钻第一口井， 预计它将在墨西哥 湾深度 1 8 3 0 m 以上的水中进行施工 译 自 S P E ／ I ADC 3 7 6 5 9 维普资讯