淺談海洋鉆機的一般特點

1、淺談海洋鉆機的一般特點(中國石油集團科學技術(shù)研究院江漢機械研究所摘要從海洋鉆井工藝,法律,法規(guī)等方面對海洋鉆機總體提出了特殊要求,并闡述海洋鉆機系統(tǒng)和各部件配置特點,分析了海洋鉆機和陸地鉆機的不同之處.最后指出海洋石油勘探開發(fā)投資高,風險大,鉆機要注重安全,環(huán)保,使用先進技術(shù)以適應(yīng)海洋鉆井的需要.海洋石油勘探開發(fā)投資高,風險大,在海上鉆井作業(yè)實踐中,要注重安全,環(huán)保,使用技術(shù)先進,適應(yīng)海洋特殊鉆井條件和要求的海洋鉆機.海上石油天然氣的鉆井工藝與陸上基本相同,所不同的是陸上鉆機不受場地限制,可以分散布置,而海洋鉆機必須集中布置在面積不大的海上平臺上,自然條件惡劣,操作工況十分復雜.此外,海洋鉆井

2、遠離陸地,運輸十分困難.這些特點決定了海洋鉆機除了必須達到陸上設(shè)備的要求外,還要滿足一些特殊要求.同時,由于鉆井環(huán)境條件的不同,海洋鉆機系統(tǒng)和部件配置又有其自身的特點.一,海洋鉆井對鉆機總體特殊要求1.法律,法規(guī)海上施工和設(shè)備必須符合政府法律,法規(guī)的有關(guān)規(guī)定和要求;所使用的作業(yè)方法必須符合政府環(huán)保和保護海洋環(huán)境有關(guān)政策法規(guī)的規(guī)定.如:中華人民共和國海洋石油勘探開發(fā)環(huán)境保護條例,中華人民共和國能源部海上固定平臺安全規(guī)則,中華人民共和國船舶檢驗局海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則等.鉆機必須由發(fā)證檢驗機構(gòu)實行全過程的檢驗,包括:設(shè)計,制造,海上工程作業(yè)和試運轉(zhuǎn)等過程檢驗及投產(chǎn)前的最終檢驗.2.安全性海上鉆井平臺

3、離岸較遠,平臺空間不大,設(shè)備布置無足夠的安全距離,操作者的活動空間有限,平臺常年處于風,浪,潮之中,一旦發(fā)生事故,救援困難,后果嚴重;海洋石油鉆井設(shè)備的安全系統(tǒng)主要有:壓力安全保護系統(tǒng),流動安全保護系統(tǒng),溫度安全保護系統(tǒng),液位安全保護系統(tǒng),火災,可燃氣體和有毒氣體探測報警系統(tǒng),應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng),以及防污染設(shè)計.3.可靠性各類海洋鉆井平臺的造價都很高,若租用鉆井平臺,日租金也非常昂貴,如果鉆機性能不佳導致經(jīng)常停修,停產(chǎn)損失和維修費用巨大.因此,要求鉆機各部件的性能都要可靠性高,且經(jīng)久耐用.一次性投入后,在足夠長的規(guī)定使用周期內(nèi),不需要維修或只進行簡單維修,直到失效更換.例如:防噴器在整個鉆井周期內(nèi)可

4、靠度必須達到100%,鉆機的柴油發(fā)電機組的大修壽命必須大于2萬小時.4.冗余設(shè)計海洋鉆機的重要系統(tǒng)和部件必須配備應(yīng)急設(shè)備,如柴油發(fā)電機組配有應(yīng)急柴油發(fā)電機,轉(zhuǎn)盤配有應(yīng)急驅(qū)動鏈輪,泥漿泵配有應(yīng)急泵.當主要機組出現(xiàn)故障時,相應(yīng)的應(yīng)急設(shè)備立即啟動,避免卡鉆等鉆井事故的發(fā)生.5.技術(shù)先進,效率高海洋鉆井平臺的空間十分有限,因此,平臺上所采用的海洋鉆機零部件必須技術(shù)先進,體積小,質(zhì)量輕,效率高.在同樣技術(shù)性能的前提下,設(shè)備體積越小,鉆井平臺的建造費用也就越低.6.鉆深能力配備海上鉆井遠離后方基地,設(shè)備故障所造成的損失及修復所需要的時間均大大超過陸上,因此,海上鉆井一般選用工作能力較大的設(shè)備以減少故障發(fā)生

5、,即在相同井深條件下,海洋平臺上配備的鉆機能力一般比陸地上的大20% 25%.如移動式鉆井平臺多選用鉆深能力6000,7600,9000和11000m,乃至更深的鉆機.7.驅(qū)動動力的提供方式海上鉆井平臺離岸較遠,無工業(yè)電網(wǎng)供電.均是采用多臺大功率柴油發(fā)電機組發(fā)電,供各電動機分別驅(qū)動鉆井絞車,泥漿泵,轉(zhuǎn)盤,頂部驅(qū)動裝置等鉆機的工作機.8.可鉆多口井由于海上鉆井平臺的費用較高,所以在一個平臺上不能只鉆一口井,而要鉆十幾到幾十口生產(chǎn)井.這種叢式鉆井法,在狹小的范圍內(nèi)可鉆很多油井以控制較大的油,氣藏面積,實際上也就是鉆很多口定向斜井.因此,海洋鉆機要能在平臺上縱,橫移動,即從一個井位很快移到另一個井位

6、.目前,世界上有的平臺最多可鉆96口井,一般的平臺可鉆幾口至幾十口井.9.設(shè)備模塊化為了節(jié)省時間和空間,海洋鉆機大多數(shù)加以模塊化,以便于在海上迅速吊裝聯(lián)接.這些模塊包括鉆機主體(絞車,轉(zhuǎn)盤和具有x-y移動裝置的底座模塊,泥漿泵模塊,泥漿處理模塊,動力模塊,馬達控制中心(MCC模塊等.二,海洋鉆機各系統(tǒng)和部件配置的特點海洋鉆機與陸地鉆機大部分設(shè)備可通用,如天車,游車,大鉤,水龍頭,泥漿泵,鉆井儀表,氣控元件,鉆井工具等.由于鉆井環(huán)境條件的不同,海洋鉆機系統(tǒng)和部件配置又有其自身的特點.1.驅(qū)動形式陸地鉆機大多采用柴油機聯(lián)合機械驅(qū)動,這種傳動形式的最大缺點是占地面積大,功率損失大.海洋鉆機采用電驅(qū)動

7、,即采用柴油機帶動交流發(fā)電機發(fā)電,一部分電流經(jīng)可控硅整流后輸出直流電,然后由直流電動機驅(qū)動鉆機的各工作主機,而另一部分電流經(jīng)變壓器變壓后,供給鉆井平臺所有輔機.海上平臺采用這種可控硅交/直流轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(亦稱SCR電驅(qū)動形式,不僅可以使平臺的設(shè)備布置更緊湊,而且降低了平臺電站的燃油消耗,提高了電站利用率.近年來,隨著陸地鉆機交流變頻數(shù)字控制鉆機的快速發(fā)展和成功應(yīng)用,海洋鉆機也開始采用這種電驅(qū)動方式.交流變頻傳動系統(tǒng)是柴油機驅(qū)動交流發(fā)電機,發(fā)電機發(fā)出的交流電通過變頻裝置,將交流電變換為可大范圍調(diào)整頻率的交流電,控制交流變頻電動機,驅(qū)動絞車,轉(zhuǎn)盤及鉆井泵等.一方面,交流變頻電傳動鉆機的絞車,轉(zhuǎn)盤可實

8、現(xiàn)無級調(diào)速,調(diào)速范圍寬,這樣不僅可去掉絞車,轉(zhuǎn)盤內(nèi)換檔變速系統(tǒng),且使絞車結(jié)構(gòu)簡化,質(zhì)量減輕,體積縮小,為工程作業(yè)提供非常優(yōu)越的施工條件.另一方面,交流變頻電傳動鉆機可使電動機短時過載倍數(shù)達2倍以上,提高了鉆機提升和處理事故能力,尤其是在帶負載情況下,可平穩(wěn)啟動,制動和調(diào)速,具有軟啟動性能,可降低供電電源容量;可采用計算機數(shù)字自動控制技術(shù),便于對現(xiàn)場情況的監(jiān)控;對于交流變頻電傳動鉆機鉆井泵排量,沖數(shù),轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù),扭矩等參數(shù),可實現(xiàn)全數(shù)字顯示,實現(xiàn)鉆機的自動化,智能化和對外界變化的自適應(yīng)控制.與SCR直流傳動系統(tǒng)相比,交流變頻電傳動鉆機具有能耗制動功能,可實現(xiàn)輔助剎車;采用計算機自動控制技術(shù),可實現(xiàn)

9、主電動機自動送鉆.交流電動機沒有碳刷換向器,維護費用低,使用安全可靠,易于操作管理,具有安全保護功能,可實現(xiàn)電動機的免維護運行;負載功率因數(shù)高,能耗低,傳動效率高.目前,世界重要鉆機制造商均將交流變頻電驅(qū)動大功率鉆機配備在半潛式鉆井平臺或鉆井浮船上.2.井架及底座海洋鉆機大多采用塔式井架,井架不用繃繩固定,底面積寬.在半潛式鉆井平臺和浮式鉆井船上,為了安裝升沉補償裝置及防止游車大鉤擺動,井架上裝有導軌.為適應(yīng)拖航過程中的搖擺(周期為10s,單面搖擺不超過20°,要求井架結(jié)構(gòu)強度高;為適應(yīng)作業(yè)海域大風條件,要求井架抗風載能力高.為滿足鉆叢式井的要求,底座具有x,y方向移動的裝置.3.轉(zhuǎn)

10、盤開口直徑大因要通過大直徑的隔水套管等水下器具,海洋鉆機轉(zhuǎn)盤的開口直徑比陸上鉆機的大.轉(zhuǎn)盤的開口直徑大多數(shù)選用1257mm(491/2英寸,最小也不小于953mm(371/2英寸.4.絞車功率大海洋鉆井絞車采用電驅(qū)動,可實現(xiàn)無級調(diào)速,絞車驅(qū)動功率較大,最大功率可達2200kw,比陸上同級別鉆機絞車的功率約高1倍.為了節(jié)省空間,減少設(shè)備重量,絞車與轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)聯(lián)合驅(qū)動.5.機組由司鉆集中控制由于海上作業(yè)人員精干,對鉆機的自動監(jiān)控和集中控制程度要求高.海上鉆機的主工作機組采用分組或單獨驅(qū)動,為了操作方便,由司鉆集中控制.司鉆控制臺上除裝有一般的控制手柄外,還裝有指示,記錄,報警等各種儀表.6.泥漿泵海

11、洋鉆機的泥漿泵一般采用排量較大,壓力較高者.現(xiàn)在大多選用兩,三臺12P160或F160泥漿泵.由于井下雙動力鉆具和高壓噴射鉆井的需要,20003000HP的大功率泥漿泵以及工作壓力達34.5MPa,51.7 MPa以及69MPa 的泥漿泵會在深井(6000m9000m和超深井(9000m以上的海洋鉆機上配套使用.7.采用五級泥漿凈化設(shè)備海上鉆井作業(yè)的泥漿成本和棄置成本很高,泥漿經(jīng)凈化處理循環(huán)使用可節(jié)省大量成本.海上鉆井作業(yè)采用成套的泥漿凈化設(shè)備,以便減少泥漿中的固相顆粒,保持泥漿穩(wěn)定的性能.配有:振動篩,除氣器,除砂器,除泥器,離心機等泥漿凈化設(shè)備.8.井口機械化設(shè)備為了提高起下鉆速度,減輕鉆

12、井工人的體力勞動,各類海上鉆井平臺上的鉆機都安裝有井口機械化設(shè)備,并且在浮式鉆井船及半潛式鉆井平臺上裝有自動化鉆桿擺放裝置.現(xiàn)在的海洋鉆機要求配備頂部驅(qū)動裝置及鉆具排放系統(tǒng).9.高性能防噴器鉆井可能發(fā)生井涌(井噴,一旦發(fā)生井噴,必須迅速啟動裝在井口的防噴裝置把井封住.常用的防噴器組主要由萬能球型防噴器,單閘板防噴器,雙閘板防噴器及鉆井四通等組成.根據(jù)工作水深和鉆深,選用不同通徑和封井壓力的井控系統(tǒng),導流器及其控制系統(tǒng).如對于自升式平臺,則選用通徑為346mm,封井壓力選用103.42MPa(海底至目的層深度大于等于40005000m或137.89MPa(海底至目的層深度大于等于5000m或特殊

13、高壓油氣層;對于浮式鉆井平臺(半潛式平臺或鉆井船,則選用井控系統(tǒng)的通徑為476.3mm(工作水深一般在600m以內(nèi)或425.5mm(工作水深大于600m,選用封井壓力為68.95,103.42,137.89 MPa(視工作水深,海底至目的層深度和是否為特殊高壓的油氣層而定.為了適應(yīng)欠平衡鉆井的需要,井口防噴器組合要配置高壓旋轉(zhuǎn)防噴器,即隨鉆壓力控制系統(tǒng)PCWD(Pressure Control While Drilling.Shaffer公司的產(chǎn)品主要技術(shù)性能:最大封井壓力:靜態(tài)時34.5Mpa;動態(tài)(旋轉(zhuǎn)時21 Mpa;封零時17.5 Mpa;最高轉(zhuǎn)速200rpm;球形膠芯壽命:過鉆桿259

14、00m.10.升沉補償?shù)妊b置海上鉆機比陸地鉆機多了隔水管系統(tǒng),張緊系統(tǒng),升沉補償?shù)妊b置.隔水管系統(tǒng)也稱水下器具,它是海上鉆井裝置不可缺少的,它的完善與否直接關(guān)系到深海鉆井的成敗.隔水管系統(tǒng)的功用主要是提供從海底井口到海上鉆井裝置上的泥漿循環(huán)和起下鉆具的通道.通常隔水管系統(tǒng)的部件有活節(jié)聯(lián)接器,球節(jié),伸縮節(jié),張力器,分流器,運動補償器,水下防噴設(shè)備,水下井口設(shè)備,撓性隔水管和防噴器連接器等.張緊系統(tǒng):鉆井裝置的隔水管系統(tǒng)必須依靠作用于隔水管系統(tǒng)頂部的軸向張力或向上的浮力來支撐.在海上鉆井作業(yè)中,張緊系統(tǒng)控制著隔水管系統(tǒng)的應(yīng)力大小,并影響著隔水管系統(tǒng)的彎曲度.合理設(shè)計的張緊器運動形成必須超過鉆井裝置

15、的升沉,還要考慮到潮汐作用,連接件的調(diào)整和鉆井裝置吃水深度的變化.張緊器一般由活塞缸,鋼繩和控制裝置組成.升沉補償:在海上鉆井裝置進行鉆井作業(yè)時,為了減弱波浪引起的鉆井裝置上下起伏,必須設(shè)置升沉補償器.升沉補償器可使鉆壓基本保持均衡,提高機械鉆速,延長鉆頭壽命.常用的升沉補償器有游動滑車型和天車型.11.輔助系統(tǒng)的配備海洋鉆井需要額外配備:固井/灰罐系統(tǒng),鉆井水系統(tǒng),鉆井污水處理及排放系統(tǒng)等.鉆井平臺要有固井能力,配備的設(shè)備有:水泥,灰罐,下灰器,漏斗,混合器,泥漿罐,灌注泵,水泥泵.固井系統(tǒng)的排出管路是鉆井平臺各系統(tǒng)中,工作壓力最高的,因此管系在制造安裝時對質(zhì)量要求最高,接頭焊縫要100%探

16、傷檢驗和壓力試驗.海上鉆井的排污受到海洋鉆井環(huán)境的限制,需要專門的分離,輸送,儲存裝置.可直接排放的物體有專門的通道和位置進行排放.三,結(jié)束語與陸上鉆井相比,海洋鉆井工藝,條件有其特殊性.海洋鉆機必須達到陸上設(shè)備的要求外,還要滿足一些特殊要求.海洋鉆井投資高,風險大,技術(shù)難度高,要注重安全,環(huán)保,使用技術(shù)先進,適應(yīng)海洋特殊鉆井條件和要求的海洋鉆機,實現(xiàn)海洋鉆井的安全,高效.參考文獻1 朱江. 海洋鉆井設(shè)備綜述. 中國海上油氣(工程,2000,12(6:44462 廖謨圣. 21世紀初的世界海洋石油鉆機. 石油礦場機械,2000,29(1:593 姜偉. 淺談海洋石油鉆井完井機械及工具的國產(chǎn)化.

17、 石油機械,2001,29(1:574 趙峰. 海洋平臺及設(shè)備可靠性的評價與監(jiān)測. 石油機械,2000,28(11:5355目前我國海洋鉆機制造剛剛起步,基本不具備海洋平臺和鉆機船的設(shè)計、制造能力。海洋鉆井平臺是鉆井設(shè)備立足海上的基礎(chǔ)。據(jù)“世界石油”2003年底統(tǒng)計報導,我國現(xiàn)有在用的移動式鉆井平臺14艘,其中10艘是我國設(shè)計,國外建造,4艘是我國自行設(shè)計和建造。國內(nèi)設(shè)計單位有上海708所,原地質(zhì)部海洋局、渤海石油公司等,建造廠是大連船廠、上海船廠等。這14座鉆井平臺中9座是自升式,即南海1號、4號,渤海4號、5號、7號、8號、9 號、10號、12號。5座半潛式平臺,即南海2號、5號、6號,勘

18、探3號、4號。這14座鉆井平臺上的鉆井裝備全部是美國公司產(chǎn)品,其中美國 NationalSupply公司10套、美國Emsco公司4套。專家剖析滯后成因海上鉆井裝備從技術(shù)上說與陸上類似,但在系統(tǒng)配制上、可靠性、自動化程度等方面都比陸上鉆機要求更苛刻。我國國產(chǎn)鉆機至今還沒有正式用在國產(chǎn)移動式鉆井平臺,在國際上移動式鉆井平臺上的鉆井裝備幾乎被世界上少數(shù)幾家名牌產(chǎn)品所壟斷,如美國的NationalSupply公司,其鉆機約占世界海上鉆機的40%,我國的鉆井設(shè)備可以上固定鉆井平臺,但要上移動式鉆井平臺還有一定差距海洋采油平臺上的采油裝備與陸上有較大差別。海洋一般采用三種完井方式,即水上完井(平臺完井、

19、海底完井和近水面完井三種方式。水上完井主要用于固定平臺,在平臺上裝備采油樹。海底完井主要用于浮式采油平臺,采油樹安裝在海底,系統(tǒng)設(shè)備就比較復雜些。近水面完井方式是將采油樹安裝在水面下2030米的大型浮箱上,用撓性管與油井和平臺相連結(jié)。我國目前可提供水上完井所用的70Mpa以下采油樹。而水下采油設(shè)備還有差距,還不能設(shè)計建造海底完井和近水面完井所需要的采油設(shè)備,如海底濕式采油樹、干箱式采油樹等。全球第二大陸地鉆機生產(chǎn)商宏華(00196.HK前日宣布,與持股5.23%的策略股東中國海洋石油總公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議,為期3年。宏華表示,該協(xié)議可助其拓展海洋鉆機市場,并進一步鞏固其在全球陸地鉆機裝備市場的領(lǐng)導地位。 宏華公告披露，此次雙方合作的協(xié)議內(nèi)容大致包括：宏華為中海油的海洋工程設(shè)備提供研 發(fā)及設(shè)計； 宏華成為中海油的海洋和陸地鉆井裝備優(yōu)先供應(yīng)商； 而中海油可享有優(yōu)先權(quán)參與宏華的收購兼并交易。 受此利好推動，宏華昨日大漲 13.71，報收于 3.98 港元。 作為我國最大的陸上石油鉆機生產(chǎn)企業(yè)，宏華一直 在向海上石油鉆機市場進軍。宏華主席張弭曾表示，對發(fā)展海洋鉆機巿場，公司決心很大。為此已作了多項部署， 包括：在今年 3 月的上市募集資金中以 60（接近