海洋石油裝備概論-第1章

賈光政第一章概述

東北石油大學機械科學與工程學院2013年09月海洋石油裝備概論

第一章1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境1.2海洋石油開發(fā)的特點1.3海洋石油平臺簡介1.4水下石油裝備簡介1.5海洋石油裝備發(fā)展簡介主要內(nèi)容第一章地球表面積為5.11億平方公里，其中海洋面積約占地球表面積的70.9%，大約是3.62億平方公里。

1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境2002年在巴西召開的世界石油大會上，為了對海洋油氣勘探開發(fā)以水深來進行劃分，將水深在400m以內(nèi)界定為常規(guī)水深，將水深400~1500m界定為深水，將水深超過1500m界定為超深水。

全球海洋平均深度3730m，水深在200m以內(nèi)的近海大陸架水域面積占海洋總面積的7.5%，水深在3000~6000m的占海洋總面積的73.8%。

第一章中國海岸線長約18000km，按聯(lián)合國公約，屬中國管轄的海域約有488萬平方公里。南海面積約為200萬平方公里，是世界上四大海洋油氣聚集中心之一。南海石油儲量估計約有230~300億噸；天然氣儲量約有338萬億立方米，70%在深水。1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境形勢表明：深海油氣資源勘探開發(fā)，必將成為中國未來的海洋石油、天然氣的主戰(zhàn)場。

海洋中蘊藏豐富的石油天然氣資源，100多個國家和地區(qū)在海洋開展了石油鉆采業(yè)務，已在海上發(fā)現(xiàn)1600多個油氣田。

第一章1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境1.海洋石油工程環(huán)境海洋石油開發(fā)環(huán)境總體上比較惡劣，工程建設(shè)期間可能遇到的自然環(huán)境條件有：海風、海浪、海流、潮汐、海冰、地震、海嘯等。還包括：雨雪、霧、霜、溫度、地基土壤、海水腐蝕以及海生物附著等。（1）自然環(huán)境條件第一章1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境1.海洋石油工程環(huán)境

工作環(huán)境條件：是指海洋石油工程在建設(shè)期間以及建成投產(chǎn)運行期間，所經(jīng)常出現(xiàn)的自然環(huán)境條件。工作環(huán)境條件的選定應以工程的正常施工作業(yè)和正常生產(chǎn)運行為標準。（2）設(shè)計環(huán)境條件

極端環(huán)境條件：是指海洋石油工程在建成投產(chǎn)后使用年限內(nèi)，極少出現(xiàn)的極端惡劣的自然環(huán)境條件。極端環(huán)境條件的選定應以保證工程的安全為標準。第一章1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境1.海洋石油工程環(huán)境是指極端環(huán)境條件再次重新出現(xiàn)的時間的長短。對于海洋石油工程來說，一般以不小于50年為宜。對于海洋石油工程中的一些小型結(jié)構(gòu)物，其重視期可以取為結(jié)構(gòu)物的設(shè)計使用期限的2~3倍，但不宜小于30年。（3）重視期第一章1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境2.海洋環(huán)境載荷海洋環(huán)境載荷是指海洋自然環(huán)境所施加給海洋石油工程的載荷。分為：環(huán)境載荷、使用載荷、施工載荷。環(huán)境載荷：主要由海風、海浪、海流、海冰、地震等自然環(huán)境條件所引起的載荷。使用載荷：是指海洋石油工程在服役期間所受到的除環(huán)境載荷以外的其他載荷。包括：固定載荷、活載荷、動力載荷。施工載荷：是指海洋石油工程施工作業(yè)期間所受到載荷。常常是特殊的臨時性載荷。第一章

海水鹽度高，導電率高對金屬腐蝕比較強，特別是海水飛濺區(qū)，腐蝕最為嚴重。需要耐腐蝕強的材料和設(shè)備。海風是指氣壓在水平方向上分布不均勻而產(chǎn)生的空氣從高壓區(qū)向低壓區(qū)的運動。主要用風向和風速表示風的特征。臺風。我國南海臺風較多，東海次之，黃海較少，渤海很少。海洋石油鉆采裝備與結(jié)構(gòu)常以30年一遇或50年一遇的臺風為設(shè)計標準。

1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境海洋石油開發(fā)環(huán)境總體上比較惡劣，海水、風、海浪、海流、潮汐、海冰、海嘯等第一章海浪是大風掀起的，隨著風的持續(xù)，海浪持續(xù)拍打海上平臺等鉆采設(shè)施，會產(chǎn)生持續(xù)載荷，因此需要高強度的材料來抵御海浪。

海流是海水大規(guī)模相對穩(wěn)定的沿著一定方向、路線連續(xù)不斷的流動。海面上的風所引起的影響深度僅僅幾百米，是表層流，它的流動隨深度而減弱。

海水溫度與鹽度變化導致海水密度分布變化，并決定海洋壓力場的海水流動。

海流不僅使平臺樁柱或基礎(chǔ)周圍的海底發(fā)生沖刷和淤積，還會對樁柱本身產(chǎn)生一定的沖擊力，會影響水下的結(jié)構(gòu)和設(shè)施。1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境第一章潮汐是由于太陽和月球引力引發(fā)的海水周期性的漲落。包括兩種運動：一種是垂直性漲落，另一種是水平方向的流動。

由于潮汐的運動，平臺會上下浮動，左右擺動，對于鉆井定位和鉆進深度有較大影響。

海冰是在高緯度地區(qū)特有的水文現(xiàn)象。海冰是由于海水溫度過低而形成的。海冰破壞力極大，海冰可以推移油輪，擠壓船體，擱淺船只，推倒平臺。

1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境第一章海嘯是由海底地震、海底火山噴發(fā)、海底崩塌、海岸的岸坡塌方及滑坡引起的。海嘯從中心開始，波高很小，一般幾十厘米，波長卻極大，移動速度可高達800km/h。對近海鉆井采油裝備影響是致命的。

1.1海洋石油開發(fā)環(huán)境第一章1.2海洋石油開發(fā)特點海上油田開發(fā)工程涉及了海上物探工程技術(shù)、海上油藏工程技術(shù)、海上鉆井工程技術(shù)、海上采油工程技術(shù)、海上油氣集輸工程技術(shù)、海上建筑工程技術(shù)、海上施工技術(shù)、海上定位導航技術(shù)、海上搜救技術(shù)，海場保護技術(shù)、海上通信遙控技術(shù)、海上安全保障技術(shù)、海上運輸、海洋氣象、海上工程地質(zhì)以及現(xiàn)代工程技術(shù)管理等諸多技術(shù)領(lǐng)域。

海洋石油工程開發(fā)是一個知識、資金、技術(shù)密集而又具有風險的系統(tǒng)工程。

（1）技術(shù)復雜、難度大

第一章1.2海洋石油開發(fā)特點開發(fā)海上油田，要在惡劣的海洋環(huán)境中建造平臺、鋪設(shè)海底管道，確保海上油氣生產(chǎn)作業(yè)的安全，這不僅技術(shù)復雜，而且所需的設(shè)備質(zhì)量高，使得海上油田投資巨大。據(jù)統(tǒng)計，海上油田投資額將隨海區(qū)環(huán)境以及水深的不同而比陸地上高出3~10倍。（2）投資巨大

第一章1.2海洋石油開發(fā)特點由于惡劣的海洋環(huán)境會給海洋石油開發(fā)帶來災害，所以開發(fā)海洋石油具有一定的風險。尤其是海洋環(huán)境具有很強的區(qū)域特性，人們難以沿用其他海區(qū)的開發(fā)經(jīng)驗，同時在開發(fā)過程中會出現(xiàn)一些難以預料的問題，因此風險大。

（3）風險大

第一章1.2海洋石油開發(fā)特點海上油田從勘探到開發(fā)一般需3到5年，從開發(fā)到投產(chǎn)需3到4年，總建設(shè)期長達6~10年（陸上油田建設(shè)周期一般在2年以內(nèi)）。

在油田投入開發(fā)后，考慮到在惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè)，存在海上平臺的腐蝕及結(jié)構(gòu)的疲勞問題，以及昂貴的海上操作費用，一般采用加快開采速率的辦法，盡可能縮短在風險環(huán)境中的作業(yè)時間。因此，海上油田開發(fā)壽命比較短，中、小油田一般都在8~10年左右。

（4）開發(fā)建設(shè)周期長，油田壽命短第一章1.2海洋石油開發(fā)特點由于海上石油平臺的空間有限，在發(fā)生事故后逃生的途徑相對較少，救援工作也非常困難，只能依靠守護船舶和直升機，離較遠的平臺直升機從陸地起飛到平臺需要幾個小時，還要受到天氣和海況的限制。

1979年11月25日凌晨3時30分左右，石油部海洋石油勘探局的渤海二號鉆井船，在渤海灣遷往新井位的拖航中翻沉。因為風浪大、天氣寒冷，當時船上74人，72人死亡，直接經(jīng)濟損失3700萬元。

。（5）救援工作難度大

第一章海上石油裝備主要包括：海上鉆井設(shè)備系統(tǒng)，海上油氣開采設(shè)備系統(tǒng)，海上油氣集輸設(shè)備系統(tǒng)，海上修井設(shè)備系統(tǒng)等。1.3海洋石油裝備簡介

海上鉆井設(shè)備系統(tǒng)主要是鉆井平臺，鉆井平臺分為移動式鉆井平臺和固定式鉆井平臺。

海上油氣開采設(shè)備系統(tǒng)包括固定平臺開采系統(tǒng)，浮式開采系統(tǒng)和水下開采系統(tǒng)。

海上油氣集輸系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)管匯，測試管匯，油氣匯集系統(tǒng)，油氣處理系統(tǒng)，注水系統(tǒng)，儲運系統(tǒng)等。

海上修井設(shè)備主要包括固定平臺修井裝置，自帶支持系統(tǒng)修井裝置，修井輔助裝置、泵送工具等。第一章1.3海洋石油平臺簡介

海洋平臺是在海洋上進行石油鉆探與生產(chǎn)作業(yè)所需的平臺，主要分鉆井平臺和生產(chǎn)平臺兩大類。在鉆井平臺上設(shè)鉆井設(shè)備，在生產(chǎn)平臺上設(shè)采油設(shè)備。平臺與海底井口有立管相通。第一章1.3海洋石油平臺簡介

導管架海洋平臺(Jacket)

鋼樁穿過導管打入海底，并由若干根導管組合成導管架。適用于淺近海。第一章1.3海洋石油平臺簡介

坐底式海洋平臺

平臺分本體與下體（即浮箱），由若干立柱連接平臺本體與下體，平臺上設(shè)置鉆井設(shè)備、工作場所、儲藏與生活艙室等。坐底式鉆井平臺是早期在淺水區(qū)域作業(yè)的一種移動式鉆井平臺。第一章1.3海洋石油平臺簡介

自升式海洋平臺(Jack-up)

由一個上層平臺和數(shù)個能夠升降的可接地的樁腿所組成的海上平臺。平臺既要滿足拖航移位時的浮性、穩(wěn)性方面的要求，又要滿足作業(yè)時著底穩(wěn)性和強度的要求，以及升降平臺和升降樁腿的要求。適用于不同海底土壤條件和較大的水深范圍。第一章1.3海洋石油平臺簡介

半潛式海洋平臺（Semi）大部分浮體沉沒于水中的一種小水線面的移動式平臺，由平臺本體、立柱和下體或浮箱組成。平臺上設(shè)有鉆井機械設(shè)備、器材和生活艙室等，供鉆井工作用。平臺本體與下體之間連接的立柱，具有小水線面的剖面，主柱與主柱之間相隔適當距離，以保證平臺的穩(wěn)性，所以又有立柱穩(wěn)定式之稱。第一章1.3海洋石油平臺簡介

張力腿海洋平臺（TLP）

張力腿式平臺利用繃緊狀態(tài)下的錨索鏈產(chǎn)生的拉力與平臺的剩余浮力相平衡。張力腿式平臺的重力小于浮力，所相差的力可依靠錨索向下的拉力來補償，且此拉力應大于波浪產(chǎn)生的力，使錨索上經(jīng)常有向下的拉力，起著繃緊平臺的作用。第一章1.3海洋石油平臺簡介

Spar海洋平臺

主體是單圓柱結(jié)構(gòu)，垂直懸浮于水中，特別適宜于深水作業(yè)，在深水環(huán)境中運動穩(wěn)定、安全性良好。第一章1.3海洋石油平臺簡介

左到右依次是導管架平臺，自升式平臺，半潛式平臺，鉆井船，張力腿平臺。

第一章鉆井隔水管系統(tǒng)從鉆井平臺一直延伸到水下防噴器，形成了鉆井液的循環(huán)通道。其主要作用是隔離海水，支撐各種控制管線（主要包括節(jié)流和壓井管線、鉆井液補充管線、液壓傳輸管線等），吊裝水下防噴器，為鉆桿、鉆具順利下入井口提供導向。

1.4水下石油裝備簡介

國外主要生產(chǎn)商有Vet-Co、Cameron、AkerKvaerner等公司。

（1）鉆井隔水管系統(tǒng)第一章水下防噴器是海洋石油鉆井過程中的重要設(shè)備，它能夠有效防止井噴事故發(fā)生，是石油勘探鉆井過程中的安全保障。水下防噴器組一般由4~6部單雙閘板防噴器和1部環(huán)形防噴器組成，上部連接隔水管裝置，下部連接海底井口裝置。與陸地防噴器相比，水下防噴器具有通徑大、耐高壓、防腐蝕、耐沖擊、自動化控制程度高、安全性好、可靠性高等特點。

1.4水下石油裝備簡介

國外主要生產(chǎn)商有Cameron、Shaffer、Hydril等公司。

（2）水下防噴器

第一章水下采油樹的使用始于1967年。至今已有l(wèi)200多套水下采油樹應用在250多個采油項目中。它需要滿足海水壓力、腐蝕、風浪、暗流等復雜環(huán)境的使用要求，工作壓力較高，采用電、液控制。

1.4水下石油裝備簡介

國外主要生產(chǎn)商有FMC、Vetco、AkerKvaemer、Cameron、Dill-Quip等公司。

（3）水下采油樹第一章水下集輸系統(tǒng)是指在鉆完井后，用于油氣集輸?shù)纳a(chǎn)管線、出油管、井口之間的連接設(shè)備。其主要功能是：提供生產(chǎn)管線、出油管線和鉆井的交互界面；注入氣體和化學物質(zhì)，控制流體；分配電力和液力控制系統(tǒng)；支撐管匯、出油管線以及纜線；保護管線和閥門正常工作；在水下機器人操作過程中提供支撐平臺。1.4水下石油裝備簡介

（4）水下集輸系統(tǒng)

國外主要生產(chǎn)商有FMC、Vetco、AkerKvaemer、Cameron、Dill-Quip等公司。

第一章1897年，世界首次進入海洋鉆井，美國加利福尼亞州Summerland離岸約76m，木架碼頭。1.5國內(nèi)外發(fā)展概述

1911年，世界第一座固定平臺鉆井裝置豎立在美國路易桑納州Caddo湖上。1925年，蘇聯(lián)在里海建造人工島進行石油鉆井。1932年，世界首次浮船鉆井（鉆井駁船Mcbride號），在美國路易桑納州Garden灣。1933年，世界首座坐底式平臺（Giliasso號），在美國路易桑納州Pelto湖。第一章海洋石油981深水半潛式鉆井平臺于2008年4月28日開工建造，是中國首座自主設(shè)計、建造的第六代深水半潛式鉆井平臺，由中國海洋石油總公司全額投資建造，整合了全球一流的設(shè)計理念和一流的裝備，是世界上首次按照南海惡劣海況設(shè)計的，能抵御200年一遇的臺風；選用DP3動力定位系統(tǒng)，1500米水深內(nèi)錨泊定位，入級CCS（中國船級社）和ABS（美國船級社）雙船籍。整個項目按照中國海洋石油總公司的需求和設(shè)計理念引領(lǐng)完成，中國海油擁有該船型自主知識產(chǎn)權(quán)。該平臺的建成，標志著中國在海洋工程裝備領(lǐng)域已經(jīng)具備了自主研發(fā)能力和國際競爭能力。1.5國內(nèi)外發(fā)展概述

第一章“海洋石油981”，是中國海油深海油氣開發(fā)“五型六船”之一，是根據(jù)中國海洋石油總公司（簡稱“中海油”）的需求和設(shè)計理念，由中國船舶工業(yè)集團公司第七〇八研究所設(shè)計、上海外高橋造船有限公司承建的，耗資60億元，中海油擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，由中海油服租賃并運營管理。

2012年5月9日，“海洋石油981”在南海海域正式開鉆，是中國石油公司首次獨立進行深水油氣的勘探，標志著中國海洋石油工業(yè)的深水戰(zhàn)略邁出了實質(zhì)性的步