第32页第四章海洋钻井设备概述陆上钻井时，钻机等设备都安装在地面上底座上；在海上钻井时，不可能将钻井设备安放在海里，因此就需要一个安放钻井设备等场所，这个场所就是海洋钻井平台。§4-1海上钻井平台类型与性能一、海上钻井平台分类（一）按运移性可分为两类：1、固定式钻井平台2、移动式钻井平台（坐底式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台、浮式钻井船、步行式、气垫式）（二）按钻井方式分可分为：1、浮动式（浮式）钻井用平台：半潜式、浮船、张力腿式2、稳定式（稳式）钻井用平台：固定、自升、坐底二、海上钻井平台结构及特点1、固定式钻井平台它是从海底架起一个高出水面构筑物，上面铺设平台，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。（1）结构组成：a、导管架这是整个平台支撑部分，是用钢管焊接而成一个空间钢架结构。它制造工艺复杂，就拿两管相交处相贯线加工来说，一般切割工艺都不能满足规定的要求，必须用数控切割机床来加工，这就需要先求出相贯线方程，输入机床控制台，才可以进行切割。再如管节点焊接，一定要采用手工电弧焊，多层多道焊接，焊完后需进行超声波无损探伤，如发现夹渣或焊不透，必须刨掉重焊，一次返工后仍不合格，则这个管节点就得报废。也许有的人觉得这样要求太苛刻了，但这并不过分。因为导管架大部分浸于海水中，受到海洋环境载荷作用，很容易产生腐蚀疲劳破坏，管节点是导管架薄弱点，这个课题在全球范围内，已进行了多年研究。86年国家经委组织了国内一些科研机构对这样的一个问题进行了研究，我室也有幸参与了这一科研工作，做了大量实验研究，到目前为止，这样的一个问题还没完全解决。第33页1）管节点导管架薄弱环节是管节点，管节点类型有许多种，如下图所示。由两根正交管子构成管节点叫做T型管节点。如撑杆与主管以锐角相交，该连接称为Y型节点。如果两根撑杆都在弦管一侧，即每根撑杆中心线与弦管轴线形成锐角，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，该节点称为N型节点。当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，该连接称为X型节点或十字型节点。2）偏心连接在一个平面节点内，在两个或多个纵向轴交叉处，从撑杆轴与弦管轴交叉点至弦管轴垂直距离定义为偏心距，如下图。如果此距离在弦管轴向着撑杆一边，则偏心距为负值；如果在背着杆一边则为正值。负偏心距引起撑杆搭接；正偏心距促使弦杆上撑杆分开。对于具有静力载荷薄壁弦管，负偏心距与零偏心距连接相比可提高承载能力。然而，具有搭接撑杆节点与无搭接节点比，其节点疲劳寿命可能降低。管节点力学剖析与计算很复杂。其不利情况是应力集中。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，然后在导管与桩环形空间注水泥，使两者连成一体，这样导管架就固定好了。b、帽其作用是连结导管架与上部平台这也是一个空间刚架结构，它与导管架连结处，焊有第34页销桩，就位时，先插入销桩，然后焊成一体。c、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）安装导管架海上安装有如下方法：1）提升法主要是依靠起重船，所以受其起重能力与起重高度限制，导管架不能太重，也不能太高，如果太重，要将其分成几块预制，分别吊放入海后在海上安装，增加了海上施工困难。2）滑入法把导管架导管先密封，再用有下水滑道驳船运到现场。到现场后，驳船倾斜，导管架就沿滑道下滑入水，并浮在水面上。这时向导管内灌水，再用一个不大起重船帮助，就能把导管架平稳地放在海底。3）浮运法把导管架两端密封后，靠它自身浮力浮在水面上，用拖船把它拖到井位后，再向导管内灌水使它下沉，并立在海底。也许还有其它方法，你们可以研究。第35页工作平台安装1）吊装2）浮装大型海洋平台海上浮装就位就是将平台及其设备在码头上安装、调试好后，整体运到安装地点来安装就位。它既不受浮吊能力限止，又大幅度的降低了海上安装成本。该技术难点包括三个方面：一是潮差变化规律难以掌握。浮装时要充分的利用即时潮差变化，通过驳船调载，来实现浮装；二是平台或大型构件陆上牵引滑移装船调载技术；三是到安装的地方时调载下沉，实现平台或构件与桩基对接技术。由于浮装时多种外来作用因素随机变化性：如风速、风向随机性、海浪随机性、海潮随机性、驳船载重量及重心与浮心随机性等。它们同时作用于驳船上，使平台滑移装船与浮装就位始终处于不稳定状态之中，难以控制。如何预测以上随机变化海洋环境条件与驳船条件，并对此加以必要判断与控制，是浮装就位技术成功关键。大型海洋平台海上浮装就位实施工程技术是一个系统工程，涉及到工程力学、机械学、计算机仿真、海洋学、电子学、控制工程、海洋工程等众多学科。大型平台海上浮装就位技术起源于美国，在国外已得到应用。海上体积、重量较大结构采用该技术安装是一个发展的新趋势。A基础与临时支撑设计、建造平台上设备在陆地上来安装前，首先要在码头上建造平台基础，在基础上放平台临时支撑，临时支撑上放平台。基础要能承受整个平台、临时支撑及所有要安装设备重量，刚度要大。临时支撑要能承受整个平台及所有要安装设备重量，不能产生大变形。B平台上设施安装C平台滑移上船牵引技术第36页将平台从码头牵引到驳船上，需要一套牵引系统。最好方法是用液压缸牵引，目前国外普遍采用此技术，但用液压缸牵引设备投资高。结合我国国情，在真实的操作中采用了滑轮组牵引。牵引系统如图所示。用滑轮组牵引优点是设备投资低，但其缺点也是显而易见：钢丝绳弹性变形大，易发生断裂，出现事故；两边牵引力不均匀，容易拉偏；中间连接环节多，牵引速度小，结构与操作复杂。D驳船调载计算在将平台牵引上驳船前，必须预先确定平台牵引到平台上位置。由于平台重心不在其形心上，驳船重心也不在其中心位置。因此，必须首先计算平台重心位置。E平台拖航到位将平台牵引到驳船上后，必须将平台固定到驳船上，以便拖航。这时船与平台重心将会很高。将平台由码头运到海上就位地点时，由于海洋环境载荷作用，船会发生摇摆等运动，弄不好会翻沉。为此，一定要进行平台强度校核、稳心计算与适航性计算。计算采用了国际通用标准与大型有限元结构剖析软件ANSYS，确定了适航海洋环境条件，如风级等。将平台运到离永久支撑一定距离后，就要将平台抛锚定位，以防在风、流、浪作用下，船撞击永久支撑，造成其报废。然后，在低平流时，用图4所示方法将平台拖到精确就位位置，并限制好其运动。F平台就位计算平台精确就位后，向驳船舱中压水，使驳船慢慢下降。直到桩尖进入导管，平台轻轻坐到永久 支撑上。在压水时，要从始至终保持驳船水平下降，压水时要考虑潮水涨落影响。 接着，开始切割临时支撑，将它与平全脱开。随后，加速向驳船压水舱中压水，使临时支 撑与平台相隔一定距离后，再用适当方法将驳船拖离导管架就位区域。 G 实例 采用上述方法，使用“重任1501”号驳船，于2019 年10 月成功地将重达3256 吨EDC 平台整 体浮装在胜利油田埕岛海域。创造了国内海洋平台海上整体浮装先例。 （3）特点 影 响 线 卷扬机 卸扣 滑轮组 钢丝绳 平台 驳船 管子 拖 船 绞 车 驳船 第 37 页 评价钻井平台优劣指标有四个 稳定性 好 运移性 差 适用水深 浅 经济性 到目前为止，仅在我国渤海区域先后建成了几十座固定式钻井平台，现在已拆除了 3 座，报废 两座，其余都改装成采油平台，渤海北油田A、B 平台，每座设计钻井32 口，现在已改装成采油平 台。 介绍胜利埕岛情况。 2、坐底式钻井平台 这是一种具有沉垫浮箱移动式平台，如图所示是我国自行设计创造“胜利一号”坐底式钻井平 台，目前正在胜利油田浅海区钻井。 1）结构组成： a) 工作平台：其作用如前述 b) 立柱：支撑平台，连接平台与沉垫 c) 沉垫：这是一个浮箱结构，有许多各自独立舱室，每个舱室都装有供水泵与排水泵，它用充 水排气及排水充气来实现平台升降，就位时，向沉垫中注水，平台就慢慢下降，控制各舱室供水量， 可保持平台平衡，沉垫坐到海底后，可进行钻井作业。 2）特点 稳定性 好 运移性 好 适用水深 浅 经济性 3、半潜式钻井平台 这种平台与坐底式平台相似，也是具有沉垫浮箱移动式平台，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，不用半潜式代用；在深水区，处于漂浮状态。 目前我国有多座半潜式钻井平台，一为从挪威阿光公司引进 Aker H3 号，后改名为“南海二号”一 座是我国自行设计制造“勘探三号”，已在东海勘探井两口。 第 38 页 去年通过国家技术鉴定，还有87 年新引进自加生产“南海五号”。 1） 结构组成 与坐底式平台相似 a) 工作平台 b) 立柱 c) 沉垫（下船体） d) 锚泊系统 用于给平台定位，通过锚与锚链来控制平台水平位置，把它限定在一些范围内， 以满足钻井工作要求。 2）特性 稳定性 好 运移性 好 使用水深 深 经济性 4、自升式钻井平台 它是一种可沿桩腿升降移动式平台，平台就位时，先将桩腿放下插入海底，然后将工作平台沿 桩腿升起到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，即可搬家。 1） 结构组成 a 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。 b 桩腿 其作用是在钻井时插入海底，支撑上部平台，有圆柱型与桁架型两种，圆柱型桩腿， 结构相对比较简单，制造容易，但由于直径大，承受波浪力较大，故使用于浅水，桁架型桩腿与之相反。桩 腿根数及布置（成三角形、正方形„.）以及桩腿本身端面形状均有多种。 第 39 页 桩腿升降方式有气动，液压与齿轮、齿条传动三种，圆柱型桩腿一般都会采用气动或液压传动；木 行架型桩腿采用齿轮、齿条传动。 c 底垫 其作用是增加海底对桩腿反力，防止由于海底局部冲刷而造成平台倾斜。 2） 特点 稳定性 好 运移性 好 使用水深 中深 经济性 5、浮式钻井船 它是一种移动式钻井平台，它是用改装普通轮船或专门设计船作为工作平台，其船体可以是一 个或两个，前者必须在海底完井，否则船移运时会撞坏井口装置，后者可在海面完井。 浮动钻井船一般都会采用锚泊定位，但现在已开始慢慢地采用动力定位。 我国曾有一艘浮动钻井船“勘探一号”是由两艘退役军舰改装成双体般，在东海打了多口探井 后已报废。 1） 结构组成： (1)船体：相当于平台工作平台 (2)锚泊系统 作用同半潜式平台锚泊系统 (3)自航系统 这是浮动钻井船区别于其它钻井船特点，其他钻井平台搬迁要依靠拖轮，而浮动 第 40 页 钻井船具有自航能力，所以其运移性能最好。 2） 特点： 稳定性 差 横向最差 运移性 好 适用水漏 深 经济性 6、步行式平台 这是我国自行设计、制造，世界上独一无二钻井平台。它既可以在极浅海或潮间带行走，又能 在深海中拖航，属于两栖钻井平台。 1）结构组成 a 内船体 它是由沉垫、支撑以及甲板等组成。沉垫为中空舱室，漂浮时，提供浮力；行走或坐 底作业时，起支撑作用。支撑由立柱与斜撑组成，它连接甲板与沉垫。甲板用以安装钻井设备等。 b 外船体 它也是由沉垫、支撑以及甲板等组成。不同是甲板上有四条长为 15 米步行轨道，用 来提升外体或顶升内体。 c 步行机械与液压控制管理系统 它是由在内外体组合部四个大型顶升液缸、牵引油缸等组成。 2)工作原理 外体坐于海底，支撑整个平台，四个顶升液缸将内船体顶起，由两个牵引液缸拉着内船体沿着 外船体上轨道运行一个步长。接着，内船体坐于海底，四个顶升液缸将外船体顶起，由两个牵引液 缸拉着外船体沿着内船体上轨道运行一个步长，如此往复。 3）特点 适合水深0.6-8 米浅水及潮间带；运移性好，既能自行又行拖航。步行速度50-60 米/小时； 要求作业区海底为泥砂质软土，坡度小于1/2000；结构复杂。
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