海洋石油钻采装备与结构前言第一章Word下载.docx
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海上钻井平台按照能否移动来划分，可分为两大类。
1.固定式：
固定钻井平台。
固定于海底后，即不能再移动。
2.移动式：
包括自升式钻井平台、坐底式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井浮船。
作业完成后，它们可以通过拖航或自航，移运至其它地点。
在表1－1中列出了移动式钻井平台的性能参数，各类钻井平台的结构及其对比情况如图1－3所示。
图1－3各类钻井平台对比图
表1－1各类移动式钻井平台的性能
（二）各类钻井平台的结构及特点
1．固定钻井平台
固定平台是借助导管架固定在海底的一个高出水面的建筑物，上面铺设甲板，作为平台，用以放置钻井机械及设备。
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1－4所示。
图1－4固定平台的结构型式
（2）按桩柱制造材料分，有木桩、钢桩、混凝土桩三种。
混凝土桩一般预制好后，再在海上打桩。
目前多用钢管桩即在空心钢管中浇注混凝土的结构。
（3）按打桩用的设施分，有带桩架、不带桩架两种，如图1－5所示。
前者通过打桩架打桩，打桩后，打桩架即作为导管架的组成部分。
后者需在驳船运送来的甲板上打桩，打桩后留下甲板固定好，驳船即离开，此法应用广泛。
图1－5带桩架与不带桩架的固定平台
（4）按钻井设备布置分，有带辅助船、不带辅助船两种。
前者将钻杆、套管、泥浆材料库、水泥库等器材存放在辅助船上，因而平台面积可缩小至15×
30m2。
后者需加大平台面积至16×
40m2，或采用多层式结构，分层布置设备，但因高度增加，稳定性差。
固定平台的优点是：
1）稳定性好。
2）海面气象条件对钻井工作影响小。
其缺点是：
l）不能移运。
2）造价高，适用水深有限，它的成本随水深而急剧增加。
固定钻井平台一般应用于有价值的油田，且适用水深在20m以内。
完井后可做采油平台用。
2．坐底式钻井平台
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1－6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1－7所示。
图1－6坐底式钻井平台
图1－7坐底式钻井平台
其结构组成有：
（1）沉垫（浮箱）利用充水排气及排水充气的沉浮原理来控制沉垫沉降或上升。
钻井时，沉垫中注水，因而可坐于海底。
完井后，沉垫排水充气，构成浮箱，因而平台升起，即可拖航。
沉垫（浮箱）有船舱型及浮筒型两种。
（2）工作平台用于安放机械设备。
有正方形、长方形。
三角形三种型式，与中间支柱焊接相连。
一边有开口，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。
（3）支柱一般采用金属桁架结构，与平台及沉垫相连接，它的高度随工作水深而定，约为20～30m。
若在四个角柱处增添大直径的钢瓶或浮筒，则其适用水深可略增，稳定性也可提高，升降速度也可加快。
坐底式（沉垫式）钻井平台的优点是：
钻井时固定牢靠；
完井后移运灵活。
其缺点是：
工作平台高度恒定，不能调节；
工作平台面积不宜过大，否则不易拖运；
工作水深较浅。
3．自升式（桩腿式）钻井平台
自升式（桩腿式）钻井平台是一种具有自行升降的数根桩腿，并借助桩腿稳定于海底的移动式平台。
如图1－8所示。
图1－8自升式钻井平台
（1）桩腿按其结构来分，有圆柱及桁架两种。
按其升降方式来分，又有气动、液压、齿轮齿条传动三种。
管柱桩腿采用气动或液压方式升降，而桁架桩腿则采用齿轮齿条传动方式。
桩腿长度视水深而定，一般为75～125m。
（2）工作平台本身就是一个驳船甲板，用以安放机械设备。
钻井时，桩腿下降，支在海底，平台高出海面，以便进行作业。
完井后，先将平台降至海面，再拔起桩腿，于是驳船漂浮于海面，以便拖运。
自升式钻井平台的优点是：
对水深适应性强，稳定性好；
但缺点是不适于在更深的海域工作。
4．钻井浮船
钻井浮船是利用改装的普通轮船或专门设计的船作为工作平台，如图1－9所示。
它的船体可以是一个或者两个。
前者必须在海底完井，否则船移动时会撞坏井口装置，后者则可在海面上完井。
图1－9钻井浮船
钻井浮船的船体一般用钢材制成，也可用钢筋混凝土制成。
后者节约金属且耐腐蚀，但需用预应力钢筋混凝土构件，以保证其强度、抗冲击和抗震能力。
钻井浮船到达井位后，要抛锚固定。
作业时特别是遇到风浪时，钻井浮船船身产生上下升沉及前后左右摇摆，因此，在钻井浮船上，应合理布置机械设备，增设升沉补偿装置、减摇罐，及采用自动动力定位系统等多种措施来保持船体稳定。
钻井浮船的优点是：
移运灵活，停泊简单；
适用水深大，最大可达5000m。
稳定性差；
受海上气象条件的影响大。
5．半潜式钻井平台
半潜式钻井平台与坐底式钻井平台相似。
在浅水区，沉垫坐于海底，可作为坐底式钻井平台使用，而在30～200m深水区，平台处于漂浮状态，相当于钻井浮船，如图1－10所示。
图1－10半潜式钻井平台
其结构组成包括：
（1）沉垫（浮箱）常制成船形，内有供沉降用的压载舱。
沉垫的横截面为矩形或梯形。
前者压载水舱对称，易于控制排、灌水；
后者能适应钻井船上载荷的不均匀性，拖运时阻力较小，迎浪性能好。
（2）船体可用钢材或钢筋混凝土制成。
应有缺口或做成V形，以便于完井后拖运时不受水下井口装置的阻碍。
半潜式钻井平台的优点是：
稳定性较钻井浮船好。
当沉垫中注水后，可使整个装置下部有20～30m浸没在水中，再加上用锚链固定，故虽处于漂浮状态，但仍比钻井浮船稳定；
另外它移运灵活。
完井后，沉垫排水，形成浮箱，使整个装置升起，至吃水仅7～8m时，即可自航或拖航。
因而，它兼有坐底式钻井平台及钻井浮船的优点。
总之，由于半潜式钻井平台既能满足水深多变的要求，又能较好地解决稳定性及移运性问题，因此，它比其它钻井平台更有发展前途。
现在作业于我国海域的半潜式钻井平台如图1－11所示。
图1－11半潜式钻井平台（长度单位：
米）
（三）海上钻井平台的选择
钻井平台的选择一般应根据海域的水深来考虑，即：
l）水浅、油田已探明或已进入开发阶段，宜选用固定式钻井平台。
2）水深在20～30m间，风浪不大，海底平坦而柔软，且无冲刷海流，可采用坐底式钻井平台。
3）水深虽在30m以内，但浪高大于3m的时间仅占一年内的十分之一以下时：
对勘探井，宜选用带辅助船的自升式钻井平台。
对生产井，可选用固定钻井平台加辅助船。
风浪更大时，因辅助船抗风浪能力差，故宜选用自给式（不带辅助船）的自升式钻井平台。
4）水深超过30m，但在60m以内，风浪较大时：
对生产井，选用固定钻井平台加辅助船。
对勘探井，选用自给式的液压自升式钻井平台。
5）水深超过60m，可选用半潜式钻井平台或钻井浮船。
钻井浮船适用水深更大，可达600m。
6）海上特殊作业如安装平台、吊装重型设备等，宜用自升式钻井平台。
因钻井浮船受海上气象条件影响大。
7）钢筋混凝土钻井平台因强度低，且不易安装设备和移动位置，故不主张用于钻井作业。
二、海上钻井设备的组成
海上钻井设备由以下几部分组成：
（1）动力设备
根据钻井平台能否自航而不同。
不能自航的，实际上是一个独立电站。
能自航的，可使航行用与钻井用动力设备共用或分开。
主要包括：
1）钻井用动力设备
一般用柴油机带动直流或者交流发电机，然后再使用直流电动机驱动。
也可采用燃气轮机发电。
2）航行用动力设备
一般称为轮机，常用大功率的船用柴油机或燃气轮机。
3）浮船定位用动力设备
如动力定位钻井浮船的定位螺旋桨用的直流电动机等。
4）桩腿升降用动力设备
如自升式钻井平台升降桩腿时所需用的电动机等。
5）辅助工作用动力设备
如锚泊、照明、起重等辅助工作用的电动机及备用的柴油机、发电机等。
（2）钻井设备
海上钻井用的绞车、转盘、泥浆泵等与陆上钻井基本相同。
除此之外，特殊需要的设备有：
1）浮动钻井用升沉补偿装置
用来解决浮动平台随波浪升沉而引起钻柱做上下往复运动的补偿问题。
一般在半潜式钻井平台与钻井浮船上均需配置。
2）钻井用水下井口设备
用以隔绝海水，造成自平台至海底井口装置间的通道。
对于采用水下井口的钻井平台和钻井浮船，均需配置。
3）钻杆排放装置
海上钻井一般多采用卧式钻杆排放装置，因为它与立式者相比，重心低，承受风浪载荷的能力强，平台平稳性好。
它主要包括有立根移送机构、钻杆排放架和控制台等。
4）泥浆配置设备
主要包括有泥浆池、搅拌器、装料泵、混合泵及泥浆储罐等
5）泥浆净化装置
主要有泥浆振动筛、脱气器、除砂器、除泥器等。
6）测井设备
主要有测斜仪、泥浆录井装置、自动测试仪等。
（3）固井设备
为了在海上进行固井，需在平台上配备一套完整的固井设备，一般采用柴油机作为动力。
包括有柴油机动力机组、注水泥泵机组、控制及计量设备、气动下灰装置、水泥搅拌和供水设备等。
（4）试油设备
为了独立地在海上进行试油，平台上需配备有成套试油设备。
包括油气水分离器、加热装置、计量罐、燃烧器、测量仪表等。
（5）起重、锚泊设备
起重设备主要有主甲板上的起重机以及其它辅助工作用的起重机，用以运送人员、物资、器材等。
为了使半潜式钻井平台与钻井浮船定位，为配备锚泊设备，它主要包括大抓力锚、锚链、锚架、链绞车、锚缆绳、绞盘和缆桩等。
（6）平台或船体结构
主要包括有固有平台的导管架、甲板等结构；
移动平台的船舱、甲板、桩腿、沉垫（浮箱）、立柱；
钻井浮船的船舱、甲板等结构。
图1-10（a）、（b）为自升式钻井平台的设备组成及布置图。
图1-10（c）为半潜式钻井平台的甲板布置图。
图1-11为“皮黎肯”号钻井浮船的各部分组成情况。
（7）其它设备
如潜水作业用设备，直升飞机等运输设备，救生艇等安全设备以及海水淡化装置等。
3、海洋石油钻井装备的特殊问题
由于海上的工作条件与陆上区别很大，给海洋石油钻井装备与结构带来了一系列新的问题。
（1）保持定位问题
海上浮动钻井时，由于船或平台处于漂浮状态，因此必须保持对井口的定位。
目前采用的措施主要有：
1）锚泊定位。
锚泊定位是用锚抓住海底，再通过锚链或锚缆将船或平台定位。
常用的锚有4.5、9.1或13.6t等级。
通常多使用锚链，其优点是重量大、悬垂度大，能增加锚抓力；
强度较高。
主要缺点是要求船上具有大容量的储存锚链仓，因而限制了抛锚水深；
再者由于重量大、悬垂度大、反应迟缓、减低了锚泊能力。
2）动力定位。
它是目前较先进的一种保持定位的方法。
这种方法是直接用推进器来及时调整船位。
它是由测量系统（声波测量装置或张紧轮测量装置）给出船相对于水下井口的位置以及船身方向等数据，连续传送到控制系统的电子计算机中。
再计算出船的位移及恢复船位所需要的推动力及力矩，并发出讯号使执行机构（纵向和横向推进器）工作，从而保持浮船定位。
目前在钻井浮船上已使用可变螺距推进器，纵向的约4416kW，横向的船首约为3312kW，船尾约为2208kW。
如图1-11中所示。
动力定位的优点是：
调整时间短，工作水深大。
缺点是：
设备成本高，消耗燃料多。
动力定位不能用于浅水，最大工作水深取决于声波发生器的功率及噪音干扰情况。
目前实现自动动力定位的钻井浮船的工作水深已达600m。
（2）升沉运动补偿问题
在海上进行浮动钻井时，钻井船除前后左右发生摇摆外，还将产生上下升沉运动，导致井架及大钩上悬吊着的整个钻柱周期性地上下运动，不利于钻进。
因此，必须解决钻柱上下运动的补偿问题。
在本章的第二节将专门讨论这个问题。
（3）装设钻井用水下井口时，井口在海底，需要在海底井口与水上甲板间装设一套隔绝海水、适应摇摆、控制井口的装置，这套装置统称为钻井用水下井口设备。
钻井用水下井口设备的功用、组成及结构特点将在本章第三节介绍。
（4）防止海水腐蚀问题
海洋钻井设备处于海上腐蚀性强的大气中，还有一部分构件浸入海水中，由于海水对它产生强烈电化学和化学腐蚀，因此侵入海水中的构件的寿命显著降低。
如刚才被海水腐蚀1%，其强度就要降低5~10%。
若钢材两面均有5%的腐蚀就不能使用了。
目前主要防腐措施有：
1.选择耐腐蚀的材料。
我国常用的耐海水腐蚀的金属材料是：
（1）高合金钢。
如钛、钛合金、纯铜、青铜、铜镍合金钢等。
（2）低合金钢。
如铝合金、铅、黄铜等合金钢（黄铜中需含防止脱锌的钾、锡等）。
（3）复合合金钢。
如用铬-铝系、铜-铬系、铬-铝-钼系等各种添加元素复合成的合金钢。
2.设计合理的结构。
如将外形设计成流线形，易腐蚀处适当加厚；
尽量采用等强度设计；
采用不同材料的焊接件及铆接件，以消除有害的阴极接触等。
3.采用先进防腐工艺。
我国常用的防腐工艺是：
（1）外加金属镀层的保护层。
如采用镀锌、镀铬等热镀法，喷锌等喷镀法，镀镍等电镀法，以及包上一层铜镍合金板等机械法。
（2）外加非金属涂层作为保护层。
如采用涂漆、沥青等有机涂层，涂合成高分子化合物的含氧焦油涂料、沥青环氧氨基甲酸乙酯涂料，涂水泥、搪瓷形成无机涂层，磷酸盐处理的非金属膜保护层等。
（3）电化学防腐。
常用阴极保护法：
利用蓄电池或整流器给被保护金属通以直流电作负极，而正极接石墨或废钢铁，这称为外加电流的阴极保护法。
在被保护金属设备上接一种电极电位较低的金属，形成原电池，电位低者为阳极，电位高者为阴极，称为互屏保护或牺牲阳极的阴极保护法。
钢结构常用锌、镁、铝等为牺牲阳极。
（5）抵抗海洋环境载荷问题
海洋钻井装备与结构承受严重的波浪力、风力、海流力和冰力等海洋环境载荷的作用，因此在强度设计、设备选择、估算寿命时，均需考虑这些承载特点。
第2节海洋浮动钻井船的升沉补偿装置
深海钻井时，需采用半潜式钻井平台或钻井浮船。
它们在波浪作用下，将产生周期性升沉运动，并使钻柱上下往复运动。
因而造成井底钻压变化，影响钻进，甚至使钻头脱离井底，无法钻进，故必须采取钻柱升沉运动的补偿措施。
1、钻柱升沉措施的补偿措施
（1）增加伸缩钻杆
这种办法实在钻柱的钻铤上方加一根可伸缩的钻杆。
伸缩钻杆由内、外管组成，沿轴向可作相对运动，行程一般为2m。
当平台上下升沉运动时，伸缩钻杆的内管随伸缩钻杆以上的钻柱作轴向运动，而与伸缩钻杆外管相连的钻铤则基本不作升沉运动。
因而可保持钻压恒定，同时还可避免平台上升时提起钻铤，平台下沉时压弯钻柱。
1、伸缩钻杆的组成
目前应用的有全平衡式和部分平衡式两种，全平衡式伸缩钻杆的结构如图1-12所示。
伸缩钻杆工作时，在内管和下工具接头间的环形截面上作用有钻柱内的高压泥浆，因而产生张开力。
同时，从井筒中返回的泥浆作用在伸缩钻杆外以上部分受压，故必须采取措施平衡此张开力。
为此，在伸缩钻杆中间设的置一个密封的平衡压力缸，它和流经伸缩钻杆内孔的高压泥浆相通，并使高压泥浆在平衡缸中产生的轴向力和张开力平衡，所以叫全平衡式。
部分平衡式没有平衡压力缸，只是尽量减小内管心轴尾端的壁厚，从而减小它与工具接头间的环形截面积，实现部分地减小泥浆所产生张开力。
伸缩钻杆的扭矩是依靠均布在径向的传扭销来传递。
传扭销轴向安装，固定在传递套筒上，可沿内管心轴的凹槽上下滑动。
为了密封关内外的泥浆以及平衡缸，伸缩钻杆配置有四组密封。
每组密封由主密封、挡圈、隔离环组成。
主密封材料系耐高温的合成橡胶，挡圈材料为玻璃纤维，隔离环由含尼龙纤维的橡胶制成，用以挡住硬的小颗粒。
为了使伸缩钻杆的外圆不易磨损，在其顶部安装有防磨环，环外圆堆焊硬质合金。
多节式伸缩钻杆一般采用螺纹连接。
2.伸缩钻杆存在的问题
（1）钻压不能调节。
增加伸缩钻杆后，钻压大小取决于伸缩钻杆以下的钻铤部分重量。
因而不能随岩层的变化调节钻压。
（2）承载条件恶劣。
伸缩钻杆即承受泥浆的高压，传递钻柱的扭矩；
又承受因内外管周期性轴向运动所引起的交变载荷，承载条件十分恶劣。
（3）不利于特殊作业。
当不压井钻井时关防喷器后，由于伸缩钻杆以上的钻柱随船体升沉做周期性上下运动，使防喷器的芯子反复摩擦，对于作业不利。
正由于存在这些缺点，近年来许多国家正在研制和采用升沉补偿装置。
（二）增设升沉补偿装置
这种办法是在浮动平台或钻井船的钻机部件中增设一套钻柱升沉补偿装置，以保持钻柱基本上不随平台升沉。
升沉补偿装置一般采用液压传动。
如在游动滑车与大钩间装设双液缸，缸体与游动滑车相连，如图1-13所示。
当平台升沉时，游动滑车带动液缸的缸体作周期性上下运动；
而活塞与大钩则基本保持不动。
这时，整个钻柱的重量由活塞下面的液压所支承。
液体压力可保持恒定，也可根据需要调节，以控制钻柱拉力，随时调节井底钻压。
二、升沉补偿装置的结构类型与工作原理
（一）游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置
1.结构
如图1-13a所示，它主要有以下几部分：
1）液缸两个液缸用上框架与游动滑车相连，随平台升沉而上下运动。
2）活塞两个液缸中的活塞通过活塞杆与固定在大钩上的下框架连接，大钩载荷由活塞下面的液压所支承。
3）储能器储能器与液缸相通。
储能器中有活塞，其下端的液体通过软管与液缸相通；
其上端的气体通过管线与储气罐相通。
这样，液缸中液体压力由储能器中气体压力所决定。
调节气体压力即可以改变液体压力。
4）锁紧装置用以将上下两个框架锁紧成一体，从而使游动滑车与大钩连接在一起，进行起下钻工作。
图1-13b为我国“南海2号”半潜式钻井平台上的新型补偿装置。
2.工作原理
1）正常钻井时：
大钩上悬挂的钻柱总重量Q，井底钻压W和补偿装置的液缸中的液压
间的平衡关系式如下
（1-1）
将
代入式（1-1）中，则可得
（1-2）
式中
—每米钻柱的重量，N/m；
—钻柱的全长，m;
—补偿装置的液缸中的活塞面积，
。
从式（1-2）中可看出：
（1）为了保持钻压，只要保持液缸中的液体压力
为一定值即可；
而为了调节钻压，只要调节储能器中进气压力即可。
（2）为了实现自动送进，只要调节液缸中液体压力
，使
略小于整个钻柱的悬重，并使液缸中活塞行程大于升沉位移即可。
正常钻进时大钩处的受力情况如图1-14所示。
2）绳索作业时：
当进行电测、试井等绳索作业时，因下入井内的器具很轻，升沉补偿装置不能发挥作用，故应另加一根传感绳，使绳底端固定在隔水管顶部，再通过大钩上悬挂的滑轮，将绳固定在井架底座上。
这样，传感绳作用在大钩上的拉力
即相当于钻柱的悬重。
因此，仍可发挥升沉补偿装置的作用，在绳索作业时，进行运动补偿。
绳索作业时，送器具的工作绳，自绞车引出后，通过悬挂在大钩上的另一个滑轮，下入井内。
此滑轮与传感绳通过的滑轮保持一定距离，但都固定在同一杆件上。
由于钻井的升沉运动，因此传感绳的固定端及工作绳、绞车也随钻台上下运动。
这样，两绳在大钩处的滑轮上时松时紧，将引起两绳作用在大钩处的拉力时大时小。
但当升沉补偿装置液缸中的液压一定时，若传感绳松，拉力减小，则恒定的液压推动活塞上行，带动大钩上提，使传感绳又恢复拉紧。
而若传感绳拉力增大时，则由于恒定压力比传感绳的拉力小，于是活塞及大钩被拉下行，又可使传感绳放松。
这样，即可使传感绳及工作绳均对大钩保持张力，又可使升沉运动得到补偿，正常进行绳索作业。
绳索作业时，大钩处受力情况如图1-15所示。
（2）天车上装设的升沉补偿装置
如图1-16所示，天车升沉补偿装置主要由以下几部分组成：
（1）浮动天车它通过滚轮在垂直轨道内移动。
天车本身除具有普通天车的滑轮外，另多装有两个辅助滑轮，辅助滑轮的轴与天车滑轮的轴之间用连杆连接。
快绳及死绳分别通过两个辅助滑轮引出。
这样，当天车沿着垂直轨道移动时，只是辅助滑轮轴动作，而通过辅助滑轮的钢丝绳与滑轮间无相对运动，可延长钢丝绳的寿命。
（2）主气缸它是支持浮动天车用的，相当于大型弹簧，共四个，倾斜放置，由甲板上的压气机供气。
（3）液缸共两个，垂直放置，由甲板上油泵供油。
它只作为液力缓冲用的安全液缸，以克服大钩载荷的惯性影响。
（4）储能器它安装在井架上，有管路与四个主气缸相通，用以调节主气缸中的气体压力。
1）补偿升沉由浮动天车来实现补偿。
当浮动平台上升或下降时井架沿轨道上下运动，主气缸中气体压缩或膨胀，相当于一个大弹簧，而天车及大钩基本上保持不动，于是升沉运动得以补偿。
2）控制钻压司钻利用甲板上的调压阀，控制自空气罐至主气缸系统的空气压力，使井底钻压调至合适值。
3）自动送进正常钻井时，将气缸中气压调节到略低于大钩上载荷，于是，浮动天车在大钩载荷带动下，沿轨道下行，实现自动进尺。
当浮动天车下行至最低点时，司钻即放松绞车滚筒上钢丝绳，使浮动天车上行至最高点，然后再继续自动进尺。
4）防止事故当大钩载荷突然减少或主气缸严重漏气时,可借助液缸支持着钻柱重量，并使其减速，以防止事故，保证安全。
5）绳索作业绳索作业时，可另加一根传感绳，使
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