海上石油钻井平台课件.ppt

海洋油气钻井工程,第一章 海上钻井平台第一节 海上钻井平台的分类及特点,一、海上钻井平台的分类,二、固定式钻井平台 固定平台按照自给程度不同，分为：自容型海洋型钻井平台和带辅助船的小型钻井平台两类。 自容型固定平台：型体尺寸较大； 能容纳全部钻井设备及一切队、附属设施，包括各种仓库及生活设施。 因此，需要平台的面积大，建设费用高。为了缩减这类平台的面积，多做成双层平台的型式。,带辅助船的小型固定钻井平台：将部分设备和材料放在辅助船上，以减小平台的尺寸。 这种小型平台建筑面积可以达到最小限度。一般只将井架、绞车、动力联动机及其附属设备放在平台上，而其它设施及食宿等都设置在辅助船上。 优点：平台的投资少，体积小，便于施工，而且当钻完一口油井后，辅助船可以很快转移到另一井位，钻井平台可转化为采油平台使用。,固定式钻井平台的分类：桩基式，重力式；张力式和绷绳塔式四类。 各平台的适应水深：重力式平台适用的水深较浅； 桩基式平台适用的水深稍深； 张力式和绷绳塔式平台可在较深的水域使用。,1、重力式平台 重力式平台是依靠平台基础的巨大的重力压在海底，从而与海底牢固联结。 要求海底很平整。 重力式平台的基础和腿柱中都分为许多舱室，这些舱室本身就是非常好的大型储油罐，在平台安装阶段的拖航和下沉时可作为压载舱。 重力式平台的最大优点是，抗腐蚀能力特别强，另外，防火和抗暴能力，抵御风浪的能力，都比钢质桩基式平台好，还有一个优点是制造成本低。,2、张力腿式平台 张力腿式平台本身是一个浮动平台，平台的贮备浮力远远大于平台的重力，靠缆绳或锚链(称作张力腿)的张力将平台与事先固定在海底的锚桩上拉紧，平衡一部分浮力，并使平台较好地固定在海面上。 这种非刚性地连接，不仅可减小平台的摇摆和倾斜，而且由海底地震引起的海床运动，也在到达平台之前被大大减弱了。,3、绷绳塔式平台 如1983年建于墨西哥湾水深305米的海域，塔架高329米，重19000吨，用钢桩打入海底。但该塔架又瘦又高，柔性较大，在波浪作用下可以允许轻微摇摆。整个塔架靠20根直径227毫米的钢绳作为绷绳向四面八方的海底拉紧，并固定于海底。由于该平台的固有频率，所以平台的摇摆不会对人员健康和生产作业有大的影响。,4、桩基式平台 目前我国建造的固定式钻井平台都是桩基式平台。主要介绍桩基式平台。 桩基式平台是靠向海底打桩，将平台与海底牢牢地固定。桩基式钻井平台所采用的建筑材料不同，有木桩的，钢筋混凝土桩的，钢桩的和铝质桩的几种。,目前国内外应用最多的是钢桩平台。 优点：(1)可事先做成导管架型式，在岸上预制好，然后到海上进行打桩； (2)平台的整体性好，施工快。 缺点：抗海水腐蚀性能差。 所以，有的地方，曾采用过抗海水腐蚀性能好的铝制平台，但因造价昂贵，未能普遍应用。 结构：基础部分和上层建筑。 基础部分是由导管架和桩管组成。导管可事先在岸上预制好。然后，用驳船运至目的地，或依靠中空的浮力拖至目的地，下沉并坐在海底上。再将桩管由导管内插入，并用打桩机打入海底一定深度。,三、坐底式平台 40年代末，坐底式开始应用于海洋钻井，逐渐发展为目前的坐底式钻井装置。,特点：钻井时座在海底，钻完井后能浮起来，然后再拖到新的井位，压载后又下沉坐底重新打井。即须能满足“沉得下，座得稳，浮得起”的要求。 结构：基础部分和上层建筑部分。,(一)上层建筑部分 结构：固定式平台基本上一样。一般也分为上下两层甲板，必要时可增加钻井甲板。 上层甲板的用途：主要放置钻机、井架、钻具、起重设备、各种工作间和生活设施，以及直升飞机平台等。 下层甲板的用途：主要是机泵组，固井设备，泥浆循环系统，以及各种材料库罐等。 平台的尺度：其大小主要依据钻井工艺要求、钻机能力、材料设备、自给程度及工作人数等决定。 平台的形状：在外形上，有矩形、梯形和三角形等形状。考虑到钻完井后平台能够方便地退场而不影响已钻井口装置，钻机都放在平台的尾部，或做成开口形状；或做成舷外伸出式尾部平台。,(二)基础部分 类型：浮筒型，钢瓶型和浮垫型。 我国于1963年自己设计建造的第一个移动式钻井平台，就是浮筒型坐底式平台。此种平台的缺点是下沉和起浮过程中稳定性差，很容易翻倒。所以现在基本被淘汰。 钢瓶型坐底式平台，这是我国建造的第二台移动式平台。这种平台的主要缺点是在下沉和上浮过程中稳定性差，现在也趋于淘汰。 浮垫型坐底式平台，是目前应用最为广泛的坐底式平台。 在我国还有一种步行坐底式平台。它是属于浮垫型坐底式平台。这种平台在深水区可以拖航，在浅水区或在海滩和海岸上，则可以自己步行移动。 坐底式平台是出现最早的移动式钻井平台。目前主要用于内河、湖泊以及浅海域。而且要求海底较为平整，坡度小，波浪和海流都要求很小。,四、自升式钻井平台 自升式钻井平台，又称为桩脚式钻井平台，是目前国内外应用最为广泛的钻井平台。 结构：船体、桩脚和升降机构三大部分。 需要打井时，将桩脚插入或坐入海底，船体还可顺着桩腿上爬，离开海面，工作时可不受海水运动的影响。打完井后，船体可顺着桩腿爬下来，浮在海面上，再将桩脚拔出海底，并上升一定高度，即可拖航到新的井位上。,(一)船体 相当于前述平台的上层建筑部分，分为两层甲板。 主甲板的用途：井场(管子堆场)、各工种的工作间、所有人员的生活区(楼房)、直升飞机平台、钻井甲板及钻井设备等等。 主甲板下面是机舱甲板，用途：发电机组、钻井泵系统、固井系统、泥浆处理系统、机加工车间等等。 机舱平台下面是底舱，内存有燃油、淡水压载水等。 形状：往往与桩脚的数量和布置方式有关。有矩形、正方形、三角形、五角形等。,(二)桩脚 作用：在钻井过程中，使整个钻井平台支撑于海底，并使平台离开海面，免受海水运动的影响。 类型：为插入式和底垫式两种。,桩脚的主体部分称为桩腿。有的插入式桩脚在桩腿的最底端带有桩脚箱。 桩腿的类型：有圆柱形的、有桁架结构的，类型很多。 桩腿发展的总趋势：由圆柱形截面发展为桁架结构，尺寸由小向大发展。 在桩腿的最底端是所谓的桩脚箱(也简称桩脚)。桩脚箱的作用： 1增大桩腿与海底的接触面积，使海底可承受更大的平台重量； 2桩脚箱的形状要有利于减小插入的阻力； 3桩脚箱的形状要有利于增大插入海底后的稳定性； 4桩脚箱中设置可冲洗海底的系统，以便顺利拔桩。 底垫式桩脚的底垫形状常见的有A型、方型及双流线型等。底垫的轮廓尺寸多与船体形状相同。这是因为在拖航时，要将底垫上升到距离船体最近(0.1米)，以减小拖航的阻力。船体与底垫相同，则便于升降操作。,(三)升降机构 类型：升降机构有两种。一种是孔穴插销液压升降装置，一种是马达驱动的齿轮齿条升降装置。前者适用于圆柱形桩腿，但液压系统较为复杂，升降速度较慢，有时易于出现漏油，使升降力不够。后者适用于桁架结构的桩腿，升降连续性好，速度快，但缺点是升降机构庞大。 无论是孔穴插销液压升降机构，还是齿轮齿条电动升降机构，在完成插桩和将船体升离海面一定高度以后，船体和桩腿之间的相对位置应该固定下来，否则船体将会在重力作用下掉下来。 升降任务完成之后，升降机构应当停止工作，以便检修。在拔桩以后并将桩腿升起，准备拖航移位时，也存在桩腿与船体之间的位置的固定问题。解决此间题的方法是用楔子自锁固定。拖航时上楔系统锁定，钻井作业期间下楔系统锁定。 实际的升降系统，除了上述动力设备外，还要有一套控制系统，在中央控制室集中进行控制操作。,除钻井作业以外，自升式平台在海上的所有作业，可概括为：“降、拔、拖、压、升”五项作业。 降：平台的船体顺着桩腿从距离海面一定高度处降到海面上； 拔：将桩腿从海底拔出来，并将桩腿升起到足够高度，减小拖航中桩腿在海水中的阻力； 拖：拖航，这时平台处在浮动状态下； 压：指平台到达新的井位后，将桩腿下放到海底，并依靠平台的重力将桩腿压到海底以下一定深度； 升：指压桩完成之后，桩腿已经牢牢地固定于海底，然后平台的船体沿着桩腿向上爬，升离海面一定高度，准备新的厂口井的作业。从上述五项作业可以看出，有四项是升降作业。 升降机构的好坏，是评价一个自升式平台性能优劣的重要标志。,五项作业是顺利钻井的基础和前提条件。顺利完成五项作业，除了良好的升降系统和熟练的作业技术外，还要注意选择好的天气条件和海况条件。 五项作业期间是自升式平台最易出事故的阶段。在中外海洋钻井史上，这方面的教训是很深刻的。,五、钻井船 钻井船从结构上说很简单，外形就是一条船。所有的钻井设备、工具，材料以及作业人员的工作间和生活区，直升飞机平台等都在船上。 钻井船在海上只能进行浮式钻井作业。 作业期间，船体受到风、浪、流的作用，会产生各种运动。这些运动有时非常剧烈，例如严重的摇摆，升沉和横向漂移，给钻井作业带来很大的影响，甚至使钻井作业无法进行而中断。所以，钻井浮船需要使用锚泊系统定位，或者使用自动动力定位系统定位。,钻井船的发展： 为了增大钻井船抵抗风、浪、流的能力，提高稳定性，钻井船不断有新的发展。 1、吨位增大。现代用于深水钻井的浮船都在15000吨以上，吨位大则抗风能力强。例如1981年建成的“POLLYBRESTOL钻井船，排水量为18360吨。荷兰建造的“Neddrill I”排水量达到24000吨。 2、做成双体船。至今全世界共建造过三条双体船。如： (1)美国建造的“贝克号”双体船。但其缺点有：没有自航能力，移位时需要拖航；在工作时需要有一条货船，一条客船和一条日用船配合作业；即使在海况不是非常坏的海域(如墨西哥湾)，由于天气原因而停工的时间仍很长。该船后来因一口井发生井喷失火而倾翻。,(2)我国1974年自己设计建造的“勘探一号”双体钻井船。 由两条各长99.23米，宽14.3米的3000吨的货轮改装而成。先将两条船之间用巨大的桁架连接起来，成为一个整体，然后在上面铺设钻井甲板。拼装后排水量达到8000吨，并可利用原船的动力自航。 钻井作业期间用锚系定位。该船在我国黄海水深28米68米海域共打井7口后退役。,六、半潜式平台 半潜式平台是目前应用最多的浮式钻井装置。 结构：上部平台、下部浮体、中部立柱。 上部平台任何时候都处在海面以上一定高度。 下部浮体在航行状态下是浮在海面上，浮体的浮力支撑着整个装置的重量。在钻井作业期间，下部浮体潜入海面以下一定的深度，躲开海面上最强烈的风浪作用，只留部分立柱和上部平台在海面以上。 由于在工作期间一半潜入海面以下这种特点，被命名为半潜式钻井平台。这种钻井平台在水深较浅时，也可以坐在海底进行钻井，与坐底式一样。,1、上部平台 半潜式是从坐底式发展而来，所以上部平台部分，与坐底式平台类似，但比坐底式平台要先进得多。 上部平台的结构：一般分两层，上层为主甲板，下层为机舱。 主甲板的用途：主要放置钻机、井架、钻具、起重设备、消防、救生设备、各种工作间和生活区(一幢楼房)，还有直升飞机平台等。 下层机舱的用途：主要是机泵组、固井设备、泥浆循环系统，以及各种材料库罐等。 平台的尺度都相当大，所以有很高的自持能力。上部平台的形状以矩形最为常见，此外还有三角形、五角形、八角形，甚至还有十字形和中字形。,2、下部浮体 下部浮体的作用：为整个平台提供浮力，整个装置的重力以及各种外力载荷都要靠此浮力支撑。 目前半潜式平台一般都有自航能力和自动动力定位系统。自航和动力定位的推进器都装在下部浮体上。 巨大的浮体内分成许多隔舱，可以作为压载舱室，也可以作为各种液体材料的储藏室。依靠改变压载水量，可以使浮体潜入海面以下或浮到海面上。 浮体的形状：可分为长条形和浮箱形两种。,3、中间立柱 立柱的作用：(1)将上部平台与下部浮体连接起来，起到支撑平台的作用。 (2)巨大的立柱空间，在潜入水下时为平台提供浮力。 (3)内部可以存储各种材料，还可设置人梯或电梯，提供从平台到浮体的通道。 立柱的形状：圆柱形。 如： (1)我国的“南海二号”半潜式钻井平台。 (2)我国自己设计建造的具有自航能力的“勘探三号”半潜式钻井平台。 (3)法国建造的“五角81”半潜式钻井平台。,优点：在钻井过程中抵抗风浪的能力大，稳定性好。 缺点：平台结构复杂，造价高，自持能力稍差，机动性也稍差，自航速度低，有的甚至不能自航而需要拖航。 钻井浮船的优缺点正好与半潜式平台相反，在钻井作业中整个船体都处在风浪影响最大的海面处，稳定性不如半潜式。但它结构简单，造价低廉，机动性很好，自航速度最高，自持力也比半潜式大得多。 选择原则：半潜式平台适用于所有海域，特别是海况条件恶劣的深海海域。在海况条件不是很恶劣的情况下，选用钻井浮船比半潜式更经济。,第二节 海洋钻井装置的特性介绍,一、底撑式平台的稳固性1、定义 底撑式平台是相对于浮动式平台而言。在钻井作业过程中，依靠海底支撑整个平台的重量并将平台与海底牢牢地连接在一起，使平台不随海水的剧烈运动而运动，平台与海底之间没有相对运动，这样的平台称为底撑式平台。 在底撑式平台上钻井，除了井口装置不同外，整个钻井作业都与陆上钻井没有多大区别。2、类型 底撑式平台包括：坐底式平台，自升式平台二类。坐底式和自升式平台在钻完井后，需要浮在海面上，以便进行移位，这时它们处于浮动状态，有稳定性的问题。主要讨论，底撑式平台在钻井过程中，如何保持底撑良好，具有可靠的稳固性，保证钻井作业的安全顺利进行。,(一)在外力作用下的强度破坏问题 固定平台在外力作用下出现强度破坏，在海洋石油勘探开发的历史上是时有发生的。下面我们从几个方面谈谈解决强度破坏问题的一般原则。1、把好平台设计关 这是解决强度破坏问题的首要环节。 设计的首要条件是充分调查研究平台使用海域的海洋环境。 确定了海洋环境因素的大小之后，还要使用可靠的海洋环境载荷计算方法。 在设计时还要充分考虑海洋条件对构件的腐蚀问题，选择足够大的安全系数。2、把好建造关 实际破坏的原因往往不是设计不安全，而是在建造过程中留下内部隐患，特别是铸件的夹砂气孔，热处理及焊接过程中留下的残余应力等。3、把好使用关 使用中的一个问题是，严格按照设计条件规定的范围使用，不要在超过设计海域的环境荷载条件的海域使用。,(二)坐底作业中的滑移、掏空和倾斜问题1、坐底滑移问题 坐底式钻井平台坐在海底之后，在风、浪、流等外力作用下，会沿着海底横向滑移。这种滑移将给钻井工艺带来很大的麻烦，甚至造成重大事故。坐底式平台的滑移是一个较为普遍性的问题。 解决滑移问题的方法： (1)一般可采取增大压载，即增大浮垫与海底的摩擦力。 (2)可在浮垫周围设立裙板，裙板可插入海底，协助抗滑。 (3)可在浮垫周围用打桩机打桩，阻挡平台的滑移。在滑移严重的海域，最有效最经济的方法还是抗滑桩。,2、坐底掏空问题 坐底式平台的掏空是浅海钻井的一大难题。(1)掏空的原因： a、掏空首先与水深、波速、流速有关。 b、掏空与海底砂质有关。 c、掏空与船体浮垫的形状有关。,(2)解决的办法 a、一般不太严重的掏空，可以采取及时填放沙袋和石块的办法加以解决。但严重时会将沙袋和石块下面继续掏空，使沙袋与石块不起作用。 b、在掏空现象严重的海域，需要对海底事先作预处理，用大量的贝壳在海底铺上厚厚一层，改变海底的砂质。 c、在掏空现象严重的海域，可采取在浮垫周围用活动的钢质裙板，将周围5米以内的海底覆盖保护，使悔底砂粒不致被冲走。 d、改变波浪的水流方向。如我国胜利浅海钻井公司研制了一种防浪板，与浮垫铰接连接，在浮垫周围形成斜坡。波浪或海流冲来时，会沿着防浪板向上冲，而不是向下去掏空海底。,3、坐底倾斜问题 出现倾斜的原因： 1、海底有一定的坡度，一般要求坡度不得大于1。； 2、事先对海底平整不够，海底局部高低不平； 3、海床地基的承载能力不均，在坐底后产生不均匀的下沉； 4、坐底后波浪海流对一部分海底进行冲刷和掏空； 5、在坐底过程中，作业方法不当，引起平台倾斜； 6、平台上出现较大的不均荷载，重心偏移，等。 坐底式平台的倾斜将给钻井带来严重后果。应该针对上述出现倾斜的原因，在坐底前，坐底中，和坐底后，逐项予以解决。 掏空，滑移和倾斜在一个平台上也会同时出现。如我国的“胜利三号”坐底式钻井平台曾在两口井上出现大的掏空，滑移和倾斜。,(三)自升式平台的插桩失效和整体倾翻问题 统计表明：从1955年到1982年，全世界375台自升式钻井平台，共出现由桩腿导致的事故31次。其中插桩失效事故约占三分之一。其余，或为桩腿折断，或为平台整体倾翻。自升式平台每年的事故率约为2.6，大大高于其它类型钻井平台的事故率。 事故率高的原因：主要是这种平台有一个所谓的“五项作业”。 平台从与海底牢固结合的静止状态，拔桩后变成平台和桩腿都完全自由于水中的浮动状态，插桩后又变成与海底牢固结合的静止状态。 在静动转换的时刻是最为危险的，最容易出事故的。这个问题的严重性和重要性还在于，全世界使用这种钻井平台的数量在移动式平台中属最多。,1、插桩失效问题 (1)插桩失效的几种类型： 桩腿已经插到最深(桩腿的可插入长度已经全部插完)时，海底的承载能力仍达不到预定要求的载荷。 插入一定深度后，在预压载期间桩脚刺穿承压层，进入下面较软的地层中，使预压载压不上去。 在钻井作业期间，由于风暴荷载的作用，超过了平台在预压载时的桩腿荷载，以致使该桩腿下的地层发生刺穿。 在海水不太深的海域，且海况条件较恶劣，有可能出现桩腿和桩脚周围的海底被掏空。使桩腿不稳或下陷。 由于插桩太深，或其他原因拔桩阻力过大使桩腿不能拔出来。,(2)影响因素： 显然，插桩是否有效，与平台预压载的要求、海底土质的承载能力、桩腿和桩脚的形状等因素有关。所有这些因素的影响，最终都落脚在桩腿的插入深度上。 海底的不同深度有不同的承载能力。不同的桩腿和桩脚形状承压机理和承压面积不同，要求的插入深度也不同。所以，插入深度的确定，是自升式钻井平台插桩成功的关键。,插入深度的确定： 第一步，在插桩前先作井位附近的海底土质调查。 调查的方法：(1)在预定井位附近进行钻孔和取样； (2)在钻井平台到达井位后，由钻井平台进行钻孔取样。这种方法在国外也曾有人采用过。 第二步，在实验室进行土样的物理力学实验。 求得每层土样的剪切强度。对砂性土质还要作粒度分析。,第三步，是根据桩腿和桩靴的形状、尺寸，以及土样的剪切强度，选择恰当的公式，计算桩靴在每层土层可以承受的最大承载力。 也可以画出插入深度与最大承载力之间的关系曲线。 有了这条试验计算数据和曲线就可以最后确定插入深度。计算土层最大承载力的公式有多种，应该通过本地的实践进行优选(包括式中常数、系数值的确定)。,在漂浮插深阶段，船体仍处在漂浮状态，这段的插入深度主要靠桩腿自己的重力插入。升船插深阶段，船体逐渐离开海面，这段的插深动力，除了桩腿重力外再加上船体的重力。第二阶段结束时，船体应升离海面12米，每个桩腿应均匀承受的平台重力。预载插深。预载插深的方法是将平台的重力有顺序地轮番加到每个桩腿上，使每个桩腿插入更深，可承受更大的载荷。,需要预载插深的原因： 一是在钻井过程中还会有可变载荷增加到平台上，如果没有预载插深，这些后加上去的载荷就会引起钻井过程中桩腿下沉，这是非常危险的。 二是插桩时都选择好的天气，但在钻井过程中可能会出现预计的暴风，暴风载荷会使桩腿受力过大而继续下沉，增加危险性。 三是考虑一定的安全系数。,在计算了插入深度和做好插桩设计后，实际的插桩过程是较为复杂的。 首先，海底实际的土层，并不是均质的 这种不均质一方面表现在深度方向上，不同深度土质的承压能力不同。虽然总的趋势是承压能力随深度增加而增加，但经常有软硬交错，在硬壳层的下面会出现一层软弱层。 这种不均质还表现在横向上，往往出现一个平台的几个桩腿在相同深度遇到的阻力不同，所以最后的插入深度不同。 其次，在实际插入过程中，桩脚向下走时，一方面将海底土壤挤向四周，同时也将海底土壤压实。压实后的土壤承载能力会增大，于是会出现曲线变平，当压力继续增大后，原被压实的土层会突然破裂。 根据这些特点，现场实际采用的插深与承载力曲线并非象图132那样理想。而且实际的插入深度，并不完全按照曲线上标志的深度，而是根据每个桩腿实际的压力是否达到预载要求为准。,2、整体倾翻问题 这里所说的整体倾翻，并不是平台在浮动状态下的失稳倾翻，而是在底撑状态下受到过大的风浪载荷导致整体倾翻。 这种整体倾翻主要发生在插桩和拔桩的过程中，桩腿与海底还未形成稳固的连接，桩腿和平台之间也没有稳固连接。如果此时恰遇较大的风浪流作用，就有可能将平台整体倾翻，导致巨大的灾难。 是否会发生整体倾翻，可以根据预计的风浪力和平台的尺寸进行计算。 平台在使用过程中，应根据风力大小，进行整体倾翻可能性计算，作到防患于未然。,二、浮动钻井平台的稳定性与摇摆性 浮动钻井平台在海上作业，有两条最起码的要求： 第一，平台不能翻倒，否则将是巨大的海难事故； 第二，平台不能倾斜过大，否则将无法进行正常的钻井作业。(一)浮动钻井平台的静水力要素1、重量、重心、重心高度 一个钻井平台是由许多个部分组成的。船体、桩腿、房屋、井架钻井设备。各部分有各部分的重量。所有部分重量之和就是平台总重量。一个浮动平台可简化成一个浮在水面上的立方体，并建立OXYZ坐标。,要支撑一个物体，支撑力的方向线必须通过物体的重心G。否则就支撑不住。 重心所在的铅垂线与OXY平面的交点，以K表示。K点至G点的距离称为重心高度，在口语中称作“KG高度”。KG高度实际上就等于重心的Z轴坐标ZG。,2、浮体、浮力、浮心、浮轴 浮体：一部分处在液面以下，一部分处在液面以上，完全依靠液体浮力支撑的物体，称为浮体。 浮动式钻井平台属于浮体。自升式钻井平台和坐底式钻井平台，在插桩或坐底的过程中，同时受到液体支撑和固体(海底)支撑，这种情况下的钻井平台，属于“半浮体”，这种情况下的稳定问题更为复杂。下面主讲完全浮体的稳定性问题。 浮力。浮体在液体中要受到液体的浮力。 浮心：浮力作用点的位置在浮体排开液体的体积的形心处，称浮心。 如果浮体入水的体积形状较为复杂，可以分别求得各部分的入水体积及其形心。,浮轴 正浮状态：浮动钻井平台在水面上静止不动的情况下，浮心与重心处在同一条铅垂线上，此时称作正浮状态。 浮轴：在正浮状态下，浮心与重心的联线，称作浮轴。 浮心高度：浮心的Z轴坐标，又称为浮心高度。,3、水线、浮面、漂心 水线：浮体与水面交线，称为水线。 浮面：水线围成的面积称为浮面。 漂心：浮面的形心，称为漂心。 半潜式钻井平台的入水部分，往往是不规则的，并且有多个浮面。总浮面等于各部分浮面之和。,4、储备浮力 排水量：浮体排开液体的重量，称为排水量，即等于浮体所受到的浮力。 浮体是完全依靠液体支撑的，所以浮体的重量与所受到的浮力应该相等。平台上增加重量以后，总重量即增加，则平台吃水深度增加，排水量同时增加，浮力也同时增加。 吃水深度不同，浮力也就不同，浮心位置就会不同。 干弦高度：吃水深度不能无限增加，不能超过甲板，而且要有一定的安全系数，否则在平台稍有运动时舱室内就会进水。吃水线至甲板的距离，称作干弦高度。所有的船舶和钻井平台都必须保持足够的干舷高度。 储备浮力：干舷高度这部分体积的排水量就是储备浮力，起安全系数的作用。在实际作业中，不能随意动用这部分储备浮力。,(二)与浮动平台稳性有关的概念1、两种倾侧 倾侧：浮动平台在海上运动时，浮轴偏离铅垂线，称为倾侧。 横倾：以X坐标为转轴的倾侧，称为横倾。 纵倾：以Y坐标为转轴的倾侧，称为纵倾。 钻井平台在浮动状态下，可能受来自任何方向的风浪力的作用，可能向任何方向倾侧。任意方向的倾侧，都可以看成是纵倾和横倾的合成。都可以分解成纵倾和横倾。,2、六种运动 浮动钻井平台有三种直线运动和三种绕轴运动。 三种直线运动： 进退沿X轴平移运动； 横漂沿Y轴平移运动； 升沉沿Z轴平移运动； 三个绕轴运动： 横摇绕X轴摇摆运动； 纵摇绕Y轴摇摆运动； 平摇绕Z轴摇摆运动，也称首尾摇。,3、三种稳性(1)静稳性 静稳性：在静力作用下平台的稳定性，称为静稳性。 静力：作用到平台上的力，是从零逐渐增大到某个值，逐渐推动平台发生倾侧。此作用力减小时也是逐渐减小到零。这样，在外力作用过程中，平台没有获得速度或角速度，即没有动能。在受外力过程中，只有力与力的平衡，力矩与力矩的平衡。外力矩与平台的反抗力矩总是平衡的。 静稳性又称为倾侧稳性。静稳性又分为初稳性和大倾角稳性。,(2)动力稳性 实际情况下，在一定方向的风浪力的作用下，平台的运动是来回摆动。摆动幅度大小(或倾角大小)，是与外力的大小有一定的关系。 摆动的原因：在风浪等外力作用下，浮动平台将获得一定的速度(或角速度)，因而具有一定的动能。即使外力小于平台的反抗力，平台仍然要按原来速度(或角速度)的方向运动，通过功能转换，平台又会向相反方向摆回来。 动力稳性也称为摇摆稳定性。(3)破损稳性 平台受到局部破坏的情况下仍能保持稳定。,4、钻井平台稳性与船舶稳性的差别 所有船舶的结构形状都差不多，都具有一个完整的船体。而钻井平台结构则较复杂。浮体部分有的是浮箱，有的是浮脚，有的是立柱形，船体有单体船，双体船，甚至有三体船，等等。所以钻井平台的稳性计算较为复杂。 (1)船舶的稳定性一般指横向稳定性，而钻井平台的纵稳性和横稳性同样重要 船舶的纵向稳性一般远远大于横向稳性，所以船舶稳性都是指其横向稳性。但对钻井平台来说，长宽尺寸差不多，所以纵稳性和横稳性都很重要。 同时由于浮体形状复杂，也可能最危险状态不是横倾和纵倾，而是某个方向上的倾斜。,(2)对钻井平台，改变船头增加稳性很难 钻井平台一般都是靠拖航，改变船头方向的灵活性很差。当风力很大时，想以船头对准风向来增大稳性，则比较难。有自航能力的半潜式平台或浮船，在作业期间往往都要抛锚(扩展锚系)，在这种锚系下也无法改变船头方向来适应风浪。 (3)钻井平台在作业过程中的稳性会发生变化 钻井平台在浮动状态下，还要进行一些重大作业(插桩、拔桩、坐底、起浮)，在这些重大作业中，由于重心、浮心、浮力、以及海底支撑力等变化，平台的稳性可能发生很大变化，需要特别重视。,(三)浮动平台的静稳性 定义：静稳性，即静力稳定性，其含义是在一定外力作用下，平台将倾侧一定的角度，外力如果不再增加，则倾侧角度也不再增加。外力若减小，则倾侧角度随之减小。 当外力减至零时，平台将会回到正浮状态。 同时，外力矩是逐渐地缓慢地施加到平台上的，在施加过程中，不会引起平台加速度和角速度。,(四)钻井平台的动力稳定性 定义：在实际工作中，由于常见到的外力是风浪作用力，在短时间内一下子施加到平台，平台受到风浪力的作用后，获得一定的角速度和角加速度，即具有一定的动能。当扶正力矩等于外力矩时，平台并不能静止下来，而是继续倾斜。 在这种情况下，平台最大可倾斜多大角度，如何保证不进水，不翻船，这就是动力稳性问题。,(五)破损稳定性 定义：破损稳定性是指平台局部性的破坏之后仍然具有足够的稳性保证不翻船。 在设计完整稳性时，增大储备稳性。或增大动稳性安全系数。安全系数越大则储备稳性越大。 在平台设计建造时，也可以用多种假设的方法，检验平台的破损稳定性。例如假设某个舱室大量进水，或某个大腿或立柱折断，计算平台是否具有足够的稳性。 许多钻井平台在设计建造时，都具有很大的破损稳定性。例如，法国建造的五角形半潜式钻井平台，共有五个大腿，假设断掉一个大腿，或断掉不相邻的两个大腿，根据计算平台都不会翻沉。 但是在使用中，情况是千变万化的。,(六)浮动平台的摇摆性1、摇摆的类型 钻井平台和船舶一样，漂浮在风浪作用的大海上，要发生摇摆。由于外力作用的风向不同，产生的摇摆分为横摇、纵摇和首尾摇三种。2、平台摇摆的描述 无论何种摇摆，都会给海上钻井带来巨大的影响。摇摆在物理学上就是振动。物理学上用振幅、周期和频率，来描述摇摆的振动特性。对平台的摇摆来说，就是用摇摆倾角、周期和频率来描述。,3、对摇摆的要求 从钻井操作要求出发，摇摆角越小越好。 这和对稳性的要求是一致的。摇摆角大，则不仅人员站立不稳，而且整个钻井悬吊系统和钻柱将无法工作。同时，摇摆角度大，则前述的最小倾覆力矩将减小。 摇摆周期越大越好，即摇摆频率越小越好。 摇摆周期越小，说明频率越大，船体运动的加速度就越大，所有参与摇摆的零部件所受的惯性力就越大，从平台的强度来说，越容易造成破坏。从工作人员的感觉来说，摇摆周期越小，感觉越不舒服，越容易引起晕船呕吐。特别是当平台的自由摇摆周期与波浪的周期相等或相近，或成倍数关系时，将会产生共振现象，平台将出现剧烈的摇摆。这时不仅无法正常作业，而且会造成平台倾覆。 所以，摇摆性是平台的一个重要性能。,4、减摇措施 上述的改善摇摆性能，是设法增大摇摆周期，或减小摇摆频率，并不能减小摇摆角度。摇摆角度与摇摆周期或与摇摆频率无关。要减小摇摆角度，需要采取减摇措施。 阻力减摇：在平台下面设置减摇板。这种减摇板还可以作成活动的，可以转动，自动控制。总是使减摇板平面对准摇摆方向。,被动式减摇罐,减摇板,减摇罐：有被动式、有主动式多种方式。 主动式减摇罐设在船体的左右两侧。采用大泵在短时间内将左边罐的水打向右边罐，或相反打水，形成与平台摇摆方向相反的力矩，从而减小摇摆。也有将减摇罐设置在平台的较高位置，在摇摆周期需要减小(改变Tx)时，用泵将水打到减摇罐(将下面的水移到上部)，等于改变了重量的分布，从而改变稳心高度GM。 被动式减摇罐是将左右两边的罐在下部连通起来。依靠调整连通管的流阻，使左右两边罐的水自己来回流动，形成与平台摇摆方向相反的力矩，从而减小摇摆。,惯性减摇 这种方法从原理上说很有效，但需要的设备太复杂，且要占据较大的地方。 原理：一个巨大的回转体，轴线与摇摆轴线垂直，回转体绕轴高速旋转(3000转分)，象陀螺一样形成强大的定轴力，从而减小摇摆。改变船头的方向 这是通常首先采取的措施。主要是防止平台自由摇摆周期与波浪周期成倍数而产生的共振。,三、浮动平台的定位问题 本部分将讲述横漂，纵漂和平摇问题。升沉问题将在下面讲述。 横漂、纵漂和平摇问题，实质上就是防止漂移问题，但已被习惯地称作定位问题。(一)“定位”的含义 浮动平台在航行过程中，需要随时知道平台所在的具体位置，以便保持正确的航线，这是一种定位。 浮动平台到达井位附近以后，要使平台的船井井口与预计的海底井口准确对正，这也是一种定位。 还有一种是浮动平台在井位上钻井过程中，受风浪的作用有可能漂移，为了防止漂移而采取措施，使平台始终保持在预计的位置上。,前两种定位实际上是导航定位，是通过各种定位手段，计算出平台目前实际的坐标位置，与预定的坐标位置进行比较，不断测量和修订，使平台达到预定的位置。 本节所讲的乃是后一种定位，实际上是防止平台漂移(横漂、纵漂和平摇)，采取的方法是锚泊定位或自动动力定位。为了与习惯叫法一致，本节也将防止漂移称作平台定位。 浮动平台在钻井过程中的定位问题是极其重要的。因为浮动平台在钻井过程中如果出现较大的漂移，钻井井口与海底井口不对正，则井口装置和隔水管将发生严重的弯曲，并导致破坏；钻柱是穿过隔水管和井口装置钻向地层的，也必然随之而发生严重弯曲井导致破坏。显然过大的漂移是钻井工艺所不允许的。,(二) 漂移率 衡量平台漂移大小的参数是“漂移率”。漂移率是指平台横向漂移量A与平台所在位置的水深h的比值，以表示。即=A/h。(三)对平台定位的要求 在工作期间，必须做到10%时，钻井平台必须与隔水管、井口装置脱开，即处在撤离状态。(四)浮动平台的定位方法 目前为浮动平台定位的方法有两种，一种是锚泊定位，一种是自动动力定位。,(五)锚泊定位系统1、扩展锚系 定义：海上钻井平台不可能采用普通船只那种单根锚缆系泊，而必须采用多根锚缆不同方向扩展出去，进行系泊。因为钻井平台在海上钻井作业的时间可能是很长的，几个月甚至一年，要经过多个季节，要经受来自不同方向的风力和波浪力。这种系泊方法称作扩展锚系。 类型：常见的扩展锚系型式有八点锚系、九点锚系、十点锚系。 选择哪种型式的锚系，要看使用的浮动平台的形状。锚系型式的选择，一般是根据风浪荷载的方向、大小及出现的频率和平台的形状。在风浪荷载最大的时候，船头应该对准来风方向。在此条件下，计算整个锚系的受力，最后确定锚系的型式。,所有这些锚系型式有一个共同的特点，就是锚缆分布相对于平台纵轴是对称的。一般来说，平台对来自船头方向的风浪的抵抗能力较强。但对来自两侧方向的风浪的抵抗能力较弱，而且平台两侧的挡风面积也较大，所以两侧要布置较大的锚系拉力。 还有一种扩展锚系，用锚缆作锚索，所有锚缆都集中缠绕在井口的专用转盘上，称为旋转锚系。钻井平台可以旋转而不影响锚索。这样钻井平台就可以随时旋转到使船头始终对准风向或有利的海况方向。,(六)动力定位系统 随着水深的增加，锚泊定位系统越来越不能满足工作的需要，而且繁琐的锚系作业占用了钻井平台的大量工作时间。从理论上讲，锚泊定位系统可以用到1200米水深，但实际上，超过300米水深效果就很不好。动力定位系统就是这样顺应需要而出现和发展的。1、定义： 动力定位系统是依靠平台上的动力系统抵抗外力的影响，自动地保持平台在海上的位置。 动力定位系统最早出现是1961年，初期用于在海底进行取芯钻井船上，现已发展成一项重大技术。初期的做法是人工观察或雷达监测平台位移，人工手动操作推进器。现已发展为从测量位移到操作推进器，实现完全自动化。推进器的功率发展到几万马力，最大达到42000马力。现在动力定位系统不仅用在钻井平台定位，而且用到其它海上作业船的定位，例如海洋调查船，铺管船，打捞救生船，潜水工作船等。,2、组成 动力定位系统最少由三部分组成：位置测量系统，计算机控制系统，推进器系统。 位置测量系统的作用，是测量平台相对于海底井口的位置变化； 计算机系统根据测量的位置变化，计算并确定推进器的工作方案，并发出控制指令； 推进器系统的任务是依照计算机的指令推动平台回到原始位置。,本节重点1、海上钻井平台的分类及特点。2、固定式钻井平台(重力式平台、张力腿式平台、绷绳塔式平台、桩基式平台)、坐底式平台、自升式钻井平台、钻井船、半潜式平台的类型、定义、所适应的水深、优缺点、结构。3、自升式钻井平台的“降、拔、拖、压、升”五项作业4、钻井船的发展及定位问题5、钻井平台的选择原则6、坐底式钻井平台平台的稳固性7、坐底式钻井平台坐底作业中的滑移、掏空和倾斜问题8、自升式平台的插桩失效和整体倾翻,9、插入深度的确定10、浮动钻井平台的稳定性与摇摆性11、储备浮力12、两种倾侧、六种运动、三种稳性13、钻井平台稳性与船舶稳性的差别14、浮动平台的摇摆性15、浮动平台的定位问题16、漂移率、对平台定位的要求、定位方法17、锚泊定位系统、动力定位系统,