海洋石油钻采工艺及设备

海洋石油钻采工艺及设备第一节概述地球上广大而连续的咸水水体称为海洋。

它既是陆地水的主要供给源，又是陆地水的汇聚场所。

根据海洋形态、水文和物理性质的不同，可以讲海洋分为海和洋两部分。

海是海洋的边缘部分，深度较浅，一般在2000m以内，约占海洋总面积的11%。

根据被大陆孤立的程度和周围环境不同，海可分为地中海、边缘海和内海。

地中海又称陆间海，是指位于几个大陆间的海，如南、北美洲间的加勒比海等。

边缘海是指位于大路边缘，一面以大陆为界，另一面以岛屿等与大洋分开的海，如我国的黄海、东海和南海等。

内海是指深入陆地内部，海水水文特征受陆地影响显著的海，如我国的渤海。

位于北大西洋中心的马尾藻海是世界上唯一没有大陆海岸的海，因而成为独特的海中之海。

根据国际水道测量局公布的资料，世界上的海共有54个。

我国主要有渤海、东海和南海等。

洋是海洋的中心部分，深度一般在2000m以上，约占海洋总面积的89%。

世界上有四大海洋：太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。

地球的表面积约为5.1亿km2,海洋的表面积约为3.61亿km2，约占地球表面的71%。

海底是地球表面的一部分。

人们通过地震波及重力测量了解到海底地壳的结构。

海洋地壳主要是玄武岩层，厚约5km，而大陆地壳主要是花岗岩层，平均厚度33km。

大洋底始终都在更新和成长，每年扩张新生的洋底大约有6cm左右。

海底与陆地一样，也有高山、深沟、丘陵和平原。

根据外部形态的不同，海底可分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三部分。

一、大陆边缘大陆边缘分为三部分：大陆架、大陆坡、大陆隆。

1.大陆架大陆架一般是指水深为0～200m的台地。

大陆架是大陆的自然延伸，坡度一般较小，起伏也不大。

世界大陆架总面积约为2700多万km2,平均宽度约为75km，占海洋总面积的8%。

大陆架浅海靠近人类的居住地，与人类关系最为密切，大约90%的渔业资源来自大陆架浅海。

人类自古以来在这里捕鱼、捉蟹、赶海，享“鱼盐之利，舟楫之便”。

随着生产的发展，人们又在这里开辟浴场、开采石油，利用这里的阳光、沙滩和新鲜空气，开辟旅游渡假区。

2.大陆坡由大陆架向外伸展，海底突然下落，形成陡峭的斜坡，这个斜坡叫做大陆坡。

它像一个盆的周壁，又像一条绵长的带子缠绕在大洋底的周围。

各大洋大陆坡的宽度不一样，从十几千米到几百千米，平均宽度约为70km；坡度为几度至20°以上，平均4°30′。

它是地球上最绵长、最壮观的斜坡。

全球大陆坡总面积约2 800万km2，约占海洋总面积的12%。

坡麓横切着许多非常深的大峡谷（称为海底峡谷），规模比陆地上穿过山脉的山涧峡谷还深、还大。

大陆坡是水深为200～2 500m的深海盆地斜坡，处在大陆架外侧的边缘。

3.大陆隆大陆隆又称大陆基，是大陆坡以外到大陆盆地之间的过渡地带，水深 2 500～4 500m。

大陆隆是由浊流滑塌作用而在大陆坡坡麓形成的倾斜平缓的扇形堆积物。

许多大陆隆的下部以前是海沟，后来沉积物充满了海沟，形成了大陆隆。

在大陆边缘中有海沟，它具有陡峭的侧壁和极大地深度。

世界大洋中有29条海沟。

位于太平洋西部的马里亚纳海沟是世界上最深的海沟，深达11 034m。

目前，海洋石油的开发主要集中在大陆架。

二、大洋中脊大洋中脊是大洋底的山脉或隆起，它们是海洋扩张的中心。

大洋中脊顶部的水深约 2 000～3 000m，也有高的地方，露出水面而成为岛屿，如大西洋中的冰岛等。

大陆漂移学说认为，大洋中脊是生成新洋壳的地方，及热地幔物质不断从大洋中脊顶部涌出并不断形成新洋壳，这些新洋壳再不断向两侧推移。

大陆中脊上有火山和地震活动。

三、大洋盆地大洋盆地分布在大路边缘和大洋中脊之间，其形状受制于大洋中脊的分布分局。

大洋盆地主体部分的水深为 4 000～6 000m，称为深海盆地。

深海盆地中最平坦的部分称为深海平原。

大洋盆地底部的深海平原是地球上最平坦的区域，其坡度极小，一般小于1/1 000，有的甚至小于1/10 000.由于大洋盆地中没有阳光而且温度极低，所以海底动物非常少。

但在洋底却有着非常丰富的锰结核资源，世界各国正在研究和开发这一资源。

海底形貌如图12-1所示。

第二节海洋钻井平台在大陆上钻井时，钻机等设备都安装在地面的底座上。

在海上钻井时，不能直接将钻机安装在海里，需要有一个能安装钻机的系统以及配备有相应器材、物资和可供人员作业及生活的海上基地，保证其能在规定的环境条件下稳定地进行钻井作业，并在几十年或百年一遇的环境条件下具有生存能力，这个海上基地就叫做海上平台。

一、海上钻井平台的分类1.按运移性分类海上钻井平台按运移性可分为：（1）固定式钻井平台（2）移动式钻井平台：坐底式钻井平台（包括步行式钻井平台、气垫式钻井平台）、自升式钻井平台、半潜式钻井平台、浮式钻井船（又叫钻井浮船）。

2.按钻井方式分类海上钻井平台按钻井方式可分为：（1）浮动式（浮式）钻井平台：半潜式钻井平台、浮式钻井船、张力腿式平台。

（2）稳定式（海底支撑式）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。

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，如图12-2所示。

下面简单介绍固定式钻井平台的结构组成。

（1）导管架。

这是整个平台的支撑部分，是用钢管焊接而成的一个空间桁架结构。

一个导管架上有许多管节点。

管子相交构成的节点称为管节点。

管节点是平台结构的一个组成部分，它是用焊接的方法将作为拉筋构件的一根或多跟管状构件连接到作为弦杆的另一根构件的外表面上形成的。

构件的截面可以使圆形、正方形或矩形。

管节点是导管架的薄弱环节。

与判断平台失效的标准一样，判断管节点是否损坏也有许多不同的标准。

例如，管节点所受的应力达到材料的弹性极限；管节点所受的应力达到材料的屈服极限；在受拉力的管节点内发现有裂纹，，裂纹达到了一定的值（临界值或规定的值）；在明显的变形出现之前，节点始终处于极限压缩载荷作用下等。

管节点算的主要损坏形式有：弦管壁的损坏（穿孔剪切）；拉伸拉筋与弦管间出现相分离的裂纹；在承受压缩载荷的拉筋周围，弦管壁产生局部翘曲；整个弦管横截面的剪切破坏；在受拉伸载荷的拉筋周围，弦管壁出现层状撕裂。

如果从三维几何形状来分析，管节点的布置形式有多种，即使只考虑位于同一平面内的管节点，其类型也有许多种。

图12-3给出了常见的一些管节点。

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，则该连接成为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，则该连接称为K型节点。

如果一根撑杆与弦管垂直，另一根以锐角相交，则该节点称为N型节点。

如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，则该连接称为X型节点或十字型节点。

如此等等。

管节点的力学分析和计算非常复杂，其不利情况是应力集中。

在危险位置处所达到的峰值应力相当于正常应力的倍数称为应力集中系数。

不同形状的管节点，其应力集中系数是不同的，因此要尽量采用用力集中系数小的管节点形状。

一般导管架是在岸上焊好，然后用拖轮整体运输，到达井位后用浮吊就位。

就位后再从导管中插入钢桩，用打桩机将其打入海底基岩，然后再导管与桩的环形空间注水泥，使两者连成一体，这样导管架就固定好了。

（2）帽。

它的作用是连接导管架与上部平台。

这也是一个空间桁架结构，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。

（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.坐底式钻井平台这是一种具有沉垫浮箱的移动式平台。

图12-4所示是我国自行设计创造的“胜利一号”坐底式钻井平台。

1）结构组成结构组成如下：（1）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）立柱。

它用于支撑平台，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。

每个舱室都装有抽水泵和排水泵。

沉垫用充水排气及排水充气来实现平台的升降。

就位时，向沉垫中注水，平台就慢慢下降。

控制各舱室的供水量可保证平台的平衡。

沉垫坐到海底后，可进行钻井作业。

2）特点坐底式钻井平台的特点是稳定性好、运移性好、适用水深浅，经济性较好。

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，如图12-5所示。

在浅水区，沉垫完全坐于海底，作为坐底式平台使用（但一般坐底式是专门设计制造，而不用半潜式平台代用）；在深水区，整个平台处于漂浮状态。

目前我国有多座半潜式钻井平台。

其中，一座为从挪威阿克公司引进额Aker H3号，后改名为“南海二号”；另一座是我国自行设计制造的“勘探三号”，已在东海钻成了多口勘探井。

此外，还有1987年引进的“南海五号”等。

目前，半潜式平台已发展到第六代，其作业水深达到了 3 000 m,钻井深度达10 000 m。

1）结构组成半潜式钻井平台与坐底式平台相似，其结构组成如下：（1）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）立柱。

它用于支撑平台，连接平台与沉垫。

（3）沉垫（下船体）。

它也是一种浮箱结构，有许多各自独立的舱室。

每个舱室都装有供水泵和排水泵。

它用于充水排气及排水充气来实现平台的升降。

（4）定位系统。

包括动力定位和锚泊定位系统。

2）特点半潜式钻井平台的特点是稳定性好、运移性好、使用水深深、经济性好。

4.自升式钻井平台它是一种可沿桩腿升降的移动式平台，如图12-6所示。

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一定高度即可进行钻井作业，打完井后，工作平台降至海面，提起桩腿即可搬运。

1）结构组成自升式钻井平台的结构组成如下：（1）工作平台。

它是一个驳船结构，拖航时浮在海面，支撑整个重量。

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）桩腿。

它的作用是在钻井时插入海底，支撑上部平台。

桩腿有圆柱型和桁架型两种。

圆柱型桩腿结构简单，制造容易，但由于直径大，承受的波浪力较大，故适用于浅水；桁架型桩腿与之相反。

桩腿的根数及布置（成三角形、正方形等）以及桩腿本身的端面形状均有多种。

桩腿的升降方式有气动、液压和齿轮齿条传动三种。

圆柱型桩腿的升降一般采用气动或液压传功；桁架型桩腿的升降则采用齿轮齿条传动。

（3）底垫。

它的作用是增加海底对桩腿的反力，防止由于海面局部冲刷而造成的平台倾斜。

2）特点自升式钻井平台的特点是稳定性好、运移性好、使用水深中深、经济性好。

5.浮式钻井船它是一种移动式钻井平台，如图12-7所示。

它用改装的普通轮船或专门设计的船作为工作平台。

船体可以是一个或两个。

前者必须在海底完井，否则船体移运时会撞坏井口装置；后者可在海面完井。