淺談海洋鉆機(jī)的一般特點(diǎn)

1、淺談海洋鉆機(jī)的一般特點(diǎn)(中國石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院江漢機(jī)械研究所摘要從海洋鉆井工藝,法律,法規(guī)等方面對(duì)海洋鉆機(jī)總體提出了特殊要求,并闡述海洋鉆機(jī)系統(tǒng)和各部件配置特點(diǎn),分析了海洋鉆機(jī)和陸地鉆機(jī)的不同之處.最后指出海洋石油勘探開發(fā)投資高,風(fēng)險(xiǎn)大,鉆機(jī)要注重安全,環(huán)保,使用先進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)大,在海上鉆井作業(yè)實(shí)踐中,要注重安全,環(huán)保,使用技術(shù)先進(jìn),適應(yīng)海洋特殊鉆井條件和要求的海洋鉆機(jī).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(jī)不受場(chǎng)地限制,可以分散布置,而海洋鉆機(jī)必須集中布置在面積不大的海上平臺(tái)上,自然條件惡劣,操作工況十分復(fù)雜.此外,海洋鉆井

2、遠(yuǎn)離陸地,運(yùn)輸十分困難.這些特點(diǎn)決定了海洋鉆機(jī)除了必須達(dá)到陸上設(shè)備的要求外,還要滿足一些特殊要求.同時(shí),由于鉆井環(huán)境條件的不同,海洋鉆機(jī)系統(tǒng)和部件配置又有其自身的特點(diǎn).一,海洋鉆井對(duì)鉆機(jī)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(hù)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(hù)條例,中華人民共和國能源部海上固定平臺(tái)安全規(guī)則,中華人民共和國船舶檢驗(yàn)局海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則等.鉆機(jī)必須由發(fā)證檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)實(shí)行全過程的檢驗(yàn),包括:設(shè)計(jì),制造,海上工程作業(yè)和試運(yùn)轉(zhuǎn)等過程檢驗(yàn)及投產(chǎn)前的最終檢驗(yàn).2.安全性海上鉆井平臺(tái)

3、離岸較遠(yuǎn),平臺(tái)空間不大,設(shè)備布置無足夠的安全距離,操作者的活動(dòng)空間有限,平臺(tái)常年處于風(fēng),浪,潮之中,一旦發(fā)生事故,救援困難,后果嚴(yán)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(hù)系統(tǒng),流動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng),溫度安全保護(hù)系統(tǒng),液位安全保護(hù)系統(tǒng),火災(zāi),可燃?xì)怏w和有毒氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng),應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng),以及防污染設(shè)計(jì).3.可靠性各類海洋鉆井平臺(tái)的造價(jià)都很高,若租用鉆井平臺(tái),日租金也非常昂貴,如果鉆機(jī)性能不佳導(dǎo)致經(jīng)常停修,停產(chǎn)損失和維修費(fèi)用巨大.因此,要求鉆機(jī)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(jìn)行簡單維修,直到失效更換.例如:防噴器在整個(gè)鉆井周期內(nèi)可

4、靠度必須達(dá)到100%,鉆機(jī)的柴油發(fā)電機(jī)組的大修壽命必須大于2萬小時(shí).4.冗余設(shè)計(jì)海洋鉆機(jī)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(jī)組配有應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī),轉(zhuǎn)盤配有應(yīng)急驅(qū)動(dòng)鏈輪,泥漿泵配有應(yīng)急泵.當(dāng)主要機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí),相應(yīng)的應(yīng)急設(shè)備立即啟動(dòng),避免卡鉆等鉆井事故的發(fā)生.5.技術(shù)先進(jìn),效率高海洋鉆井平臺(tái)的空間十分有限,因此,平臺(tái)上所采用的海洋鉆機(jī)零部件必須技術(shù)先進(jìn),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(tái)的建造費(fèi)用也就越低.6.鉆深能力配備海上鉆井遠(yuǎn)離后方基地,設(shè)備故障所造成的損失及修復(fù)所需要的時(shí)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(tái)上配備的鉆機(jī)能力一般比陸地上的大20% 25%.如移動(dòng)式鉆井平臺(tái)多選用鉆深能力6000,7600,9000和11000m,乃至更深的鉆機(jī).7.驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的提供方式海上鉆井平臺(tái)離岸較遠(yuǎn),無工業(yè)電網(wǎng)供電.均是采用多臺(tái)大功率柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電,供各電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)鉆井絞車,泥漿泵,轉(zhuǎn)盤,頂部驅(qū)動(dòng)裝置等鉆機(jī)的工作機(jī).8.可鉆多口井由于海上鉆井平臺(tái)的費(fèi)用較高,所以在一個(gè)平臺(tái)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(shí)際上也就是鉆很多口定向斜井.因此,海洋鉆機(jī)要能在平臺(tái)上縱,橫移動(dòng),即從一個(gè)井位很快移到另一個(gè)井位

6、.目前,世界上有的平臺(tái)最多可鉆96口井,一般的平臺(tái)可鉆幾口至幾十口井.9.設(shè)備模塊化為了節(jié)省時(shí)間和空間,海洋鉆機(jī)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(jī)主體(絞車,轉(zhuǎn)盤和具有x-y移動(dòng)裝置的底座模塊,泥漿泵模塊,泥漿處理模塊,動(dòng)力模塊,馬達(dá)控制中心(MCC模塊等.二,海洋鉆機(jī)各系統(tǒng)和部件配置的特點(diǎn)海洋鉆機(jī)與陸地鉆機(jī)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(jī)系統(tǒng)和部件配置又有其自身的特點(diǎn).1.驅(qū)動(dòng)形式陸地鉆機(jī)大多采用柴油機(jī)聯(lián)合機(jī)械驅(qū)動(dòng),這種傳動(dòng)形式的最大缺點(diǎn)是占地面積大,功率損失大.海洋鉆機(jī)采用電驅(qū)動(dòng)

7、,即采用柴油機(jī)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的各工作主機(jī),而另一部分電流經(jīng)變壓器變壓后,供給鉆井平臺(tái)所有輔機(jī).海上平臺(tái)采用這種可控硅交/直流轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)(亦稱SCR電驅(qū)動(dòng)形式,不僅可以使平臺(tái)的設(shè)備布置更緊湊,而且降低了平臺(tái)電站的燃油消耗,提高了電站利用率.近年來,隨著陸地鉆機(jī)交流變頻數(shù)字控制鉆機(jī)的快速發(fā)展和成功應(yīng)用,海洋鉆機(jī)也開始采用這種電驅(qū)動(dòng)方式.交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)是柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)絞車,轉(zhuǎn)盤及鉆井泵等.一方面,交流變頻電傳動(dòng)鉆機(jī)的絞車,轉(zhuǎn)盤可實(shí)

8、現(xiàn)無級(jí)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(dòng)鉆機(jī)可使電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載倍數(shù)達(dá)2倍以上,提高了鉆機(jī)提升和處理事故能力,尤其是在帶負(fù)載情況下,可平穩(wěn)啟動(dòng),制動(dòng)和調(diào)速,具有軟啟動(dòng)性能,可降低供電電源容量;可采用計(jì)算機(jī)數(shù)字自動(dòng)控制技術(shù),便于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的監(jiān)控;對(duì)于交流變頻電傳動(dòng)鉆機(jī)鉆井泵排量,沖數(shù),轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù),扭矩等參數(shù),可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字顯示,實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)化,智能化和對(duì)外界變化的自適應(yīng)控制.與SCR直流傳動(dòng)系統(tǒng)相比,交流變頻電傳動(dòng)鉆機(jī)具有能耗制動(dòng)功能,可實(shí)現(xiàn)輔助剎車;采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù),可實(shí)現(xiàn)

9、主電動(dòng)機(jī)自動(dòng)送鉆.交流電動(dòng)機(jī)沒有碳刷換向器,維護(hù)費(fèi)用低,使用安全可靠,易于操作管理,具有安全保護(hù)功能,可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的免維護(hù)運(yùn)行;負(fù)載功率因數(shù)高,能耗低,傳動(dòng)效率高.目前,世界重要鉆機(jī)制造商均將交流變頻電驅(qū)動(dòng)大功率鉆機(jī)配備在半潛式鉆井平臺(tái)或鉆井浮船上.2.井架及底座海洋鉆機(jī)大多采用塔式井架,井架不用繃?yán)K固定,底面積寬.在半潛式鉆井平臺(tái)和浮式鉆井船上,為了安裝升沉補(bǔ)償裝置及防止游車大鉤擺動(dòng),井架上裝有導(dǎo)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(qiáng)度高;為適應(yīng)作業(yè)海域大風(fēng)條件,要求井架抗風(fēng)載能力高.為滿足鉆叢式井的要求,底座具有x,y方向移動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)盤的開口直徑比陸上鉆機(jī)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(dòng),可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速,絞車驅(qū)動(dòng)功率較大,最大功率可達(dá)2200kw,比陸上同級(jí)別鉆機(jī)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(shí)現(xiàn)聯(lián)合驅(qū)動(dòng).5.機(jī)組由司鉆集中控制由于海上作業(yè)人員精干,對(duì)鉆機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控和集中控制程度要求高.海上鉆機(jī)的主工作機(jī)組采用分組或單獨(dú)驅(qū)動(dòng),為了操作方便,由司鉆集中控制.司鉆控制臺(tái)上除裝有一般的控制手柄外,還裝有指示,記錄,報(bào)警等各種儀表.6.泥漿泵海

11、洋鉆機(jī)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(tái)12P160或F160泥漿泵.由于井下雙動(dòng)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(dá)34.5MPa,51.7 MPa以及69MPa 的泥漿泵會(huì)在深井(6000m9000m和超深井(9000m以上的海洋鉆機(jī)上配套使用.7.采用五級(jí)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(dòng)篩,除氣器,除砂器,除泥器,離心機(jī)等泥漿凈化設(shè)備.8.井口機(jī)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(dòng),各類海上鉆井平臺(tái)上的鉆機(jī)都安裝有井口機(jī)械化設(shè)備,并且在浮式鉆井船及半潛式鉆井平臺(tái)上裝有自動(dòng)化鉆桿擺放裝置.現(xiàn)在的海洋鉆機(jī)要求配備頂部驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dǎo)流器及其控制系統(tǒng).如對(duì)于自升式平臺(tái),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(duì)于浮式鉆井平臺(tái)(半潛式平臺(tái)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(shí)34.5Mpa;動(dòng)態(tài)(旋轉(zhuǎn)時(shí)21 Mpa;封零時(shí)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(bǔ)償?shù)妊b置海上鉆機(jī)比陸地鉆機(jī)多了隔水管系統(tǒng),張緊系統(tǒng),升沉補(bǔ)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(jì)的張緊器運(yùn)動(dòng)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(bǔ)償:在海上鉆井裝置進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí),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(bǔ)償器.升沉補(bǔ)償器可使鉆壓基本保持均衡,提高機(jī)械鉆速,延長鉆頭壽命.常用的升沉補(bǔ)償器有游動(dòng)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(tái)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(tái)各系統(tǒng)中,工作壓力最高的,因此管系在制造安裝時(shí)對(duì)質(zhì)量要求最高,接頭焊縫要100%探

16、傷檢驗(yàn)和壓力試驗(yàn).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(chǔ)存裝置.可直接排放的物體有專門的通道和位置進(jìn)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(jī)必須達(dá)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(fēng)險(xiǎn)大,技術(shù)難度高,要注重安全,環(huán)保,使用技術(shù)先進(jìn),適應(yīng)海洋特殊鉆井條件和要求的海洋鉆機(jī),實(shí)現(xiàn)海洋鉆井的安全,高效.參考文獻(xiàn)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(jì)初的世界海洋石油鉆機(jī). 石油礦場(chǎng)機(jī)械,2000,29(1:593 姜偉. 淺談海洋石油鉆井完井機(jī)械及工具的國產(chǎn)化.

17、 石油機(jī)械,2001,29(1:574 趙峰. 海洋平臺(tái)及設(shè)備可靠性的評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè). 石油機(jī)械,2000,28(11:5355目前我國海洋鉆機(jī)制造剛剛起步,基本不具備海洋平臺(tái)和鉆機(jī)船的設(shè)計(jì)、制造能力。海洋鉆井平臺(tái)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(jì)報(bào)導(dǎo),我國現(xiàn)有在用的移動(dòng)式鉆井平臺(tái)14艘,其中10艘是我國設(shè)計(jì),國外建造,4艘是我國自行設(shè)計(jì)和建造。國內(nèi)設(shè)計(jì)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(tái)中9座是自升式,即南海1號(hào)、4號(hào),渤海4號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9 號(hào)、10號(hào)、12號(hào)。5座半潛式平臺(tái),即南海2號(hào)、5號(hào)、6號(hào),勘

18、探3號(hào)、4號(hào)。這14座鉆井平臺(tái)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(dòng)化程度等方面都比陸上鉆機(jī)要求更苛刻。我國國產(chǎn)鉆機(jī)至今還沒有正式用在國產(chǎn)移動(dòng)式鉆井平臺(tái),在國際上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)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(jī)約占世界海上鉆機(jī)的40%,我國的鉆井設(shè)備可以上固定鉆井平臺(tái),但要上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)還有一定差距海洋采油平臺(tái)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(tái)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(tái),在平臺(tái)上裝備采油樹。海底完井主要用于浮式采油平臺(tái),采油樹安裝在海底,系統(tǒng)設(shè)備就比較復(fù)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(tái)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(jì)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(jī)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(jī)市場(chǎng),并進(jìn)一步鞏固其在全球陸地鉆機(jī)裝備市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)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(jì)； 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(dòng)，宏華昨日大漲 13.71，報(bào)收于 3.98 港元。 作為我國最大的陸上石油鉆機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，宏華一直 在向海上石油鉆機(jī)市場(chǎng)進(jìn)軍。宏華主席張弭曾表示，對(duì)發(fā)展海洋鉆機(jī)巿場(chǎng)，公司決心很大。為此已作了多項(xiàng)部署， 包括：在今年 3 月的上市募集資金中以 60（接近