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钻井平台

钻井平台是主要用于钻探井的海上结构物。平台上装有钻井、动力、通讯、导航等设备,以及安全救生和人员生活设施,是海上油气勘探开发不可缺少的手段。

(1)移动式平台: 坐底式平台、自升式平台、钻井船、半潜式平台、张力腿式平台、牵索塔式平台

(2)固定式平台:导管架式平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台固定式钻井平台大都建在浅水中,它是借助导管架固定在海底而高出海面不再移动的装置,平台上面铺设甲板用于放置钻井设备。支撑固定平台的桩腿是直接打入海底的,所以,钻井平台的稳定性好,但因平台不能移动,故钻井的成本较高。

为解决平台的移动性和深海钻井问题,又出现了多种移动式钻井平台,主要包括:坐底式钻井平台、自升式钻井平台、钻井浮船和半潜式钻井平台。

坐底式钻井平台又叫钻驳或插桩钻驳,适用于河流和海湾等30m以下的浅水域。坐底式平台有两个船体,上船体又叫工作甲板,安置生活舱室和设备,通过尾郡开口借助悬臂结构钻井;下部是沉垫,其主要功能是压载以及海底支撑作用,用作钻井的基础。两个船体间由支撑结构相连。这种钻井装置在到达作业地点后往沉垫内注水,使其着底。因此从稳性和结构方面看,作业水深不但有限,而且也受到海底基础(平坦及坚实程度)的制约。所以这种平台发展缓慢。然而中国渤海沿岸的胜利油田、大港油田和辽河油田等向海中延伸的浅海海域,潮差大而海底坡度小,对于开发这类浅海区域的石油资源,坐底式平台仍有较大的发展前途。80年代初,人们开始注意北极海域的石油开发,设计、建造极区坐底式平台也引起海洋工程界的兴趣。目前已有几座坐底式平台用于极区,它可加压载坐于海底,然后在平台中央填砂石以防止平台滑移,完成钻井后可排出压载起浮,并移至另一井位。

自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构组成,平台能沿桩腿升降,一般无自航能力。工作时桩腿下放插入海底,平台被抬起到离开海面的安全工作高度,并对桩腿进行预压,以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面,拔出桩腿并全部提起,整个平台浮于海面,由拖轮拖到新的井位。1953年美国建成第一座自升式平台,这种平台对水深适应性强,工作稳定性良好,发展较快,约占移动式钻井装置总数的1/2。中国自行制造的自升式钻井平台“渤海一号”平台的四根桩腿是由圆形的钢管做成的,桩腿的高度有七十多米,升降装置是插销式液压控制机构。该型钻井平台造价较低、运移性好、对海底地形的适应性强,因而,中国海上钻井多使用自升式钻井平台。

钻井平台桩腿的高度总是有限的,为解决在深海区的钻井问题,又出现了漂浮在海面上的钻井船。

钻井船是浮船式钻井平台,它通常是在机动船或驳船上布置钻井设备。平台是靠锚泊或动力定位系统定位。按其推进能力,分为自航式、非自航式;按船型分,有端部钻井、舷侧钻井、船中钻井和双体船钻井;按定位分,有一般锚泊式、中央转盘锚泊式和动力定位式。浮船式钻井装置船身浮于海面,易受波浪影口向,但是它可以用现有的船只进行改装,因而能以最快的速度投入使用。钻井船的排水量从几千吨到几万吨不等,它既有普通船舶的船型和自航能力,又可漂浮在海面上进行石油钻井。由于钻井船经常处于漂浮状态,当遇到海上的风、浪、潮时,必然会发生倾斜、摇摆、平移和升降现象,因此钻井船的稳定性是一个非常关键的问题。目前,海上钻井船的定位常用的是抛锚法,但该方法一般只适用于200m以内的水深,水再深时需用一种新的自动化定位方法。

半潜式钻井平台(SEMI)由坐底式平台发展而来,上部为工作甲板,下部为两个下船体,用支撑立柱连接。工作时下船体潜入水中,甲板处于水上安全高度,水线面积小,波浪影响小,稳定性好、自持力强、工作水深大,新发展的动力定位技术用于半潜式平台后,工作水深可达900-1200米。半潜式与自升式钻井平台相比,优点是工作水深大,移动灵活;缺点是投资大,维持费用高,需有一套复杂的水下器具,有效使用率低于自升式钻井平台。到目前为止,半潜式钻井平台已经经历了第一代到第六代的历程。据统计,目前世界范围内有深水自升式钻井平台65艘,大部分工作在墨西哥湾和北海。其运营商主要为美国石油公司。

牵索塔式钻井平台得名于它支撑平台的结构如一桁架式的塔,该塔用对称布置的缆索将塔保持正浮状态。在平台上可进行通常的钻井与生产作业。原油一般是通过管线运输,在深水中可用近海装油设施进行输送。牵索塔式平台比导管架式平台、重力式平台更适合于深水海域作业,它的应用范围在200米~650米。

固定平台包括导管架式平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台等。钢质导管架式平台使用水深一般小于300米,通过打桩的方法固定于海底,它是目前海上油田使用广泛的一种平台。自1947年第一次被用在墨西哥湾6米水域以来,发展十分迅速,到1978年,其工作水深达到312米,目前世界上大于300米水深的导管架平台有7座。

混凝土重力式平台的底部通常是一个巨大的混凝土基础(沉箱),用三个或四个空心的混凝土立柱支撑着甲板结构,在平台底部的巨大基础中被分隔为许多圆筒型的贮油舱和压载舱,这种平台的重量可达数十万吨,正是依靠自身的巨大重量,平台直接置于海底。现在已有大约20座混凝土重力式平台用于北海。不过由于混凝土平台自重很大,对地基要求很高,使用受到限制。图中八角形处为直升机起降平台。

固定平台的钻井模块既可以放到固定平台上,也可以采用移动式平台,但是上部模块价格比较贵,一套要好几亿美元以上,所以一般都可以移植到移动式上面,一般是打一枪换一个地方。

张力腿式钻井平台(TLP)是利用绷紧状态下的锚索产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。

张力腿式钻井平台也是采用锚泊定位的,但与一般半潜式平台不同。其所用锚索绷紧成直线,不是悬垂曲线,钢索的下端与水底不是相切的,而是几乎垂直的。用的是桩锚(即打入水底的桩为锚)或重力式锚(重块)等,不是一般容易起放的抓锚。张力腿式平台的重力小于浮力,所相差的力量可依靠锚索向下的拉力来补偿,而且此拉力应大于由波浪产生的力,使锚索上经常有向下的拉力,起着绷紧平台的作用。张力腿式平台自1954年提出设想以来,迄今已有40年的历史。

作用于张力腿式钻井平台上的各种力并不是稳定不变的。在重力方面会因载荷与压载水的改变而变化;浮力方面会因波浪峰谷的变化而增减;扰动力方面因风浪的扰动会在垂向与水平方向产生周期变化,所以张力腿的设计,必须周密考虑不同的载荷与海况。对于平台的水下构件,不论垂向或水平的,都会因波浪的波峰与波谷的作用而产生影响,因此如何选取水下构件的形状与尺度,使波浪扰动力的作用为最小,减小平台在波浪中的运动以及锚索上的周期性载荷,是张力腿式平台的研究课题之一。一般张力腿式平台的重心高、浮心低,非锚泊情况时要求初稳性高为正值,为此要求稳心半径大或水线面的惯性矩大,这样在平台发生严重事故时,仍能正浮于水面。要求达到此目的,就要把立柱设计得较粗,这样必然会使平台在波浪中的运动响应较大。也有一种把立柱设计得很细,虽然初稳性高可能出现负值,但在锚索拉力的作用下也是稳定的。这种平台在波浪中的运动响应较小,造价也可能低些,不过安全性差些。

世界现代石油工业最早诞生于美国宾西法尼亚州的泰特斯维尔村。一个叫乔治比尔斯的人于1855年请美国耶鲁大学西利曼教授对石油进行了化学分析,得出了石油能够通过加热蒸馏分离成几个部分,每个部分都含有碳和氢的成分,其中一种就是高质量的用以发光照明的油。1858年比尔斯请德雷克上校带人打井,1859年8月27日在钻至69英尺时,终于获得到了石油。从此,利用钻井获取石油、利用蒸馏法炼制煤油的技术真正实现了工业化,现代石油工业诞生了。 随着人类对石油研究的不断深入,到了20世纪,石油不仅成为现代社会最重要的能源材料,而且其五花八门的产品已经深入到人们生活的各个角落,被人们称为“黑色的金子”,“现代工业的血液”,极大地推动了人类现代文明的进程。高额的石油利润极大推动了石油勘探开采活动,除了陆地石油勘探外,对于海洋石油资源的开发也日益深入。近海石油的勘探开发已有100多年的历史。1897年,在美国加州Summer land滩的潮汐地带上首先架起一座76.2米长的木架,把钻机放在上面打井,这是世界上第一口海上钻井。1920年委内瑞拉搭制了木制平台进行钻井。1936年美国为了开发墨西哥湾陆上油田的延续部分,钻成功第一口海上油井并建造了木制结构生产平台,两年后,于1938年成功地开发了世界上第一个海洋油田。第二次世界大战后,木制结构平台改为钢管架平台。1964-1966年英国、挪威在水深超过100米、浪高达到30米、最高风速160千米/小时、气温至零下且有浮冰的恶劣条件下,成功地开发了北海油田。标志着人们开发海上油田的技术已臻成熟。目前已有80多个国家在近海开展石油商业活动,原油产量占世界石油总产量的30%左右。1897年,在世界上第一口海上钻井的旁边,美国人威廉姆斯在同一个地方造了一座与海岸垂直的栈桥,钻机、井架等放在上面钻井。由于栈桥与陆地相连,物资供应就方便多了。另外,钻机在栈桥上可以随意浮动,从而在一个栈桥上可打许多口井。在海边搭架子,造栈桥基本上是陆地的延伸,与陆地钻井没有差别。能否远离岸边在更深的海里钻井呢? 1932年,美国得克萨斯公司造了一条钻井驳船“Mcbride”,上面放了几只锚,到路易斯安那州Plaquemines地区“Garden”岛湾中打井。这是人类第一次“浮船钻井”,即这个驳船在平静的海面上漂浮着,用锚固定进行钻井。但是由于船上装了许多设备物资器材,在钻井的时候,该驳船就坐到海底了。从此以后,就一直用这样的方式进行钻探。这就是第一艘坐底式钻井平台。同年,该公司按设计意图建造了一条坐底式钻井驳船“Gilliasso”。1933年这艘驳船在路易斯安那州Pelto湖打了“10号井”,钻井进尺5700英尺。以后的许多年,设计和制造了不同型号的许多坐底式钻井驳船,如1947年,john hayward设计的一条“布勒道20号”,平台支撑件高出驳船20多米,平台上备有动力设备、泵等。它的使用标志着现代海上钻井业的诞生。

由于经济原因,自升式钻井平台开始兴起,滨海钻井承包商们认识到在40英尺或更深的水中工作,升降系统的造价比坐底式船要低得多。自升式钻井平台的腿是可以升降的,不钻井时,把腿升高,平台坐到水面,拖船把平台拖到工区,然后使腿下降伸到海底,再加压,平台升到一定高度,脱离潮、浪、涌的影响,得以钻井。1954年,第一条自升式钻井船“迪龙一号”问世,12个圆柱形桩腿。随后几条自升式钻井平台,皆为多腿式。1956年造的“斯考皮号”平台是第一条三腿式的自升式平台,用电动机驱动小齿轮沿桩腿上的齿条升降船体,桩腿为×架式。1957年制造的“卡斯二号”是带有沉垫和4条圆柱形桩腿的平台。 随着钻井技术的提高,在一个钻井平台上可以打许多口井而钻井平台不必移动,特别是近海的开发井。这样,固定式平台也有发展。固定式平台就是建立永久性钻井平台,大都是钢结构,打桩,然后升出海面;也有些是水泥结构件。至今工作水深最深的固定平台是“Cognac”,它能站立在路易斯安那州近海318米水深处工作。

1953年,Cuss财团造成的“Submarex”钻井船是世界第一条钻井浮船,它由海军的一艘巡逻舰改装建成,在加州近海3000尺水深处打了一口取心井。1957年,“卡斯一号”钻井船改装完毕,长78米,宽12.5米,型深4.5米,吃水3米,总吨位3000吨,用6台锚机和6根钢缆把船系于浮筒上。用浮船钻井会带来一系列问题,由于波浪、潮汐至少给船带来三种运动,即漂移、摇晃、上下升沉,钻头随时可能离开井底,泥浆返回漏失,钻遇高压油气大直径的导管伸缩运动而不能耐高压等等。这样就把防喷器放到海底。该船首先使用简易的水下设备,从而把浮船钻井技术向前推进了一步。 浮船钻井的特点是比较灵活,移位快,能在深水中钻探,比较经济。但它的缺点是受风浪海况影响大,稳定性相对较差,给钻井带来困难。

1962年,壳牌石油公司用世界上第一艘“碧水一号”半潜式钻井船钻井成功。“碧水一号”原来是一条坐底式平台,工作水深23米。当时为了减少移位时间,该公司在吃水12米的半潜状态下拖航。在拖航过程中,发现此时平台稳定,可以钻井,这样就受到了启示,后把该平台改装成半潜式钻井平台。1964年7月,一条专门设计的半潜式平台“碧水二号”在加州开钻了。第一条三角形的半潜式平台是1963年完工的“海洋钻工号”,第二条是1965年完工的“赛德柯135”。

随着海上钻井的不断发展,人类把目光移向更深的海域。半潜式钻井平台就充分显示出它的优越性,在海况恶劣的北海,更是称雄,与之配套的水下钻井设备也有发展,从原来简单型逐渐趋于完善。半潜式钻井平台的定位一般都是用锚系定位的,而深海必须使用动力定位。第一条动力定位船是“Cussl”,能在12000英尺水深处工作,获取600英尺的岩心。以后出现了动力定位船“格洛玛挑战者号”,它于1968年投入工作,一直用于大洋取心钻井。世界上真正用于海上石油勘探的第一条动力定位船是1971年建成的“赛柯船445”钻井船,工作水深在动力定位时可达600米以上。 半潜式平台有自航和非自航的。动力定位船所配套的水下设备是无导向绳的水下钻井设备。后来,钻井平台又有新的型式出现。如张力腿平台和“Spar”。科学在进步,时代在发展,海上钻井技术也在飞速发展,人们现在已向更深的海域进军,无论是钻井井深、钻井水深、钻井效率都有新的世界纪录出现。

中国石油工业起步比较晚,上世纪50年代末,当时的石油部领导提出了“上山下海,以陆推海”的海洋石油发展大略。1963年,在对海南岛和广西地质资料进行详尽分析的基础上,决定在南中国海建造海上石油平台。此后的2年间,广东茂名石油公司的专家们用土办法制成了中国第一座浮筒式钻井平台,在莺歌海渔村水道口外距海岸4公里处钻了3口探井,并在400米深的海底钻获了15升原油。1966年12月31日,中国的第一座正式海上平台在渤海下钻,并于1967年6月14日喜获工业油流,从此揭开了中国海洋石油勘探开发的序幕。

1981年地矿部为了开展海洋石油勘探,决定建设一台半潜式的海洋钻井船,取名叫“勘探三号”。1984年6月由上海708研究所、上海船厂、海洋地质调查局联合设计,上海船厂建造的中国第一座半潜式钻井平台勘探3号建成。其后转战南北,共打出15口海底油、气井。它为发现中国东海平湖油气田残雪构造,作出了重要贡献。

“勘探3”号由一座箱式甲板(亦称平台甲板)6根大型立柱、一座高大井架和两只潜艇式的沉垫组成的半潜式钻井平台。从沉垫底部到平台的上甲板有35.2米高,相当于一座12层的高楼,如果算到井架顶部总高有100米,总长91米,总宽71米,工作排水量219910吨,工作吃水20米,平台上装有900项,8600多台件机电设备。平台甲板被6根直径9米的主柱高高地托在高空,远远看去像是一座岛屿。它除了包括钻井、泥浆、固井、防喷系统在内的全套钻探设备外,还配置了4组(8台)150吨的电动锚机,5组660千瓦的柴油发电机组。同时,船上还配有潜水钟和甲板减压舱组成的200米饱和潜水系统,防火、防爆和可燃性气体自动报警系统等现代化设备。“勘探3”号平台上设有地质楼、报务室、应急发电机室、水文气象室、中心控制室和居住室等现代化的生活设施,水电通讯一应齐全,甲板顶还有可供直升飞机起降的停机坪。

半潜式钻井平台具有优良的抗风浪性能和较大的可变载荷,并可在较深海域进行钻探作业。当时世界上只有少数几个国家能建造,而且造价昂贵。为了能设计出适应中国大陆架实际情况的半潜式钻井平台,3个单位的设计人员收集了大量的水文气象资料,并通过深入实际的调查研究,对5种方案进行了严格筛选,最后正式确定采用矩形半潜式钻井平台的方案。其主要性能参数为;工作水深35~200米,最大钻井深度6000米。

1984年6月25日上午,“勘探3”号在中国最大的拖轮“德大”号的拖引下,离开上海港到东海温州湾外的海域进行各种性能试验。试验表明,“勘探3”号辐射状锚泊系统布置合理,十分适应该平台的精确定位和作业。其间“勘探3”号在试验的狂风巨浪中接受了中国船舶检验局和美国ABS船级社的入级签证,美国船级社的日籍验船师木下博敏把“勘探3”号称作为中国现代海上工程的标志。国外一般海洋钻探公司获悉中国有这样高质量的钻井平台后,纷纷前来探询租用或合资经营“勘探3”号钻探承包作业的可能性。

目前世界海洋石油的勘探开发主要集中在靠近陆地的称之为大陆边缘的部分。大陆边缘又分为大陆架、大陆坡和大陆隆三部分。中国大陆架是世界最宽的大陆架之一,总面积473万平方千米。据有关专家估计仅大陆架石油地质储量约250亿吨,天然气80000亿立方米。如果再考虑整个大陆边缘,其发展前景更不可限量。根据1994年的数据,中国海上采集地震测线57万公里,打探井363口,发现油气构造88个,获得石油地质储量11.88亿吨、天然气地质储量1800亿立方米,年产量达到了647万吨。目前年产油量2500万吨,年产气量约50亿立方米。

2008年6月6日,中国石油天然气集团公司宣布:目前全球最大的座底式钻井平台中油海三号座底式钻井平台安全抵达冀东南堡油田。该平台投用后,将大大提高中国石油滩海地区勘探开发的能力。中油海三号是由中国石油海洋公司与上海708所联合研制,由山海关造船厂制造。该平台长78.4米,宽41米,上甲板高20.9米,空船总重量5888吨,适合10米以内水深的海上作业,是目前全球最大的座底式钻井平台。中国石油海洋公司组建于2004年11月,2006年,公司在渤海湾三个油田海上钻完井17口,试油试采11.2万吨,动用自有船舶8艘、外雇船舶19艘,安全完成了19次海上平台的拖航、移位。目前,中国石油海洋公司已拥有各类移动式平台七座,包括五座自升式钻井平台和两座生活平台,还有正在新加坡建造三座自升式钻井平台,预计将于20082009年间陆续完成。

目前中国正在设计、建造的超深水钻井平台(船)主要有:

一、由708所与上海外高桥造船厂设计、建造3000米工作水深的半潜式钻井平台。

二、中国船舶重工集团公司大连造船新厂建造了BG9000型4艘超深水半潜式钻井平台。

三、由中国与韩国合资的江苏韩通船舶重工有限公司承担建造、舍凡钻井公司(Sevan Drilling)拥有的“舍凡钻工(Sevan Driller)”号半潜式平台,工作水深达当前创世界纪录的12500英尺(3810米);中部具有双井架的、钻深能力亦达当前创世界纪录的40000英尺(12200米)超深井钻机;是世界第一艘SSP(即舍凡稳定性(减摇)钻井平台)。

四、由上海船厂与美国Frontter公司签订于2007年3季末以后开始建造4-5万吨动力定位深水钻井船。

以上均是中国垮入超深水钻井平台建造的重要标志,目前中国在建造平台、船体吨位总量方面仅次于韩国而居世界第2位,但在自行设计建造用于平台、船上的主机、特别是浮式钻井专用设备方面几乎还是空白,这需要国内海洋装备企业瞄准世界顶尖水平继续努力。  五、 “海洋石油981”是中国首次自主设计、建造的第六代3000米深水半潜式钻井平台,代表了当今世界海洋石油钻井平台技术的最高水平,堪称海工装备里的“航空母舰


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