浅谈海洋钻机的一般特点

浅谈海洋钻机的一般特点

(中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所)

摘要从海洋钻井工艺,法律,法规等方面对海洋钻机总体提出了特殊要求,并阐述海洋钻机系统和各部件配置特点,分析了海洋钻机和陆地钻机的不同之处.最后指出海洋石油勘探开发投资高,风险大,钻机要注重安全,环保,使用先进技术以适应海洋钻井的需要.

海洋石油勘探开发投资高,风险大,在海上钻井作业实践中,要注重安全,环保,使用技术先进,适应海洋特殊钻井条件和要求的海洋钻机.海上石油天然气的钻井工艺与陆上基本相同,所不同的是陆上钻机不受场地限制,可以分散布置,而海洋钻机必须集中布置在面积不大的海上平台上,自然条件恶劣,操作工况十分复杂.此外,海洋钻井远离陆地,运输十分困难.这些特点决定了海洋钻机除了必须达到陆上设备的要求外,还要满足一些特殊要求.同时,由于钻井环境条件的不同,海洋钻机系统和部件配置又有其自身的特点.

一,海洋钻井对钻机总体特殊要求

1.法律,法规

海上施工和设备必须符合政府法律,法规的有关规定和要求;所使用的作业方法必须符合政府环保和保护海洋环境有关政策法规的规定.如:《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护条例》,《中华人民共和国能源部海上固定平台安全规则》,《中华人民共和国船舶检验局海船法定检验技术规则》等.钻机必须由发证检验机构实行全过程的检验,包括:设计,制造,海上工程作业和试运转等过程检验及投产前的最终检验.

2.安全性

海上钻井平台离岸较远,平台空间不大,设备布置无足够的安全距离,操作者的活动空间有限,平台常年处于风,浪,潮之中,一旦发生事故,救援困难,后果严重;海洋石油钻井设备的安全系统主要有:压力安全保护系统,流动安全保护系统,温度安全保护系统,液位安全保护系统,火灾,可燃气体和有毒气体探测报警系统,应急关断系统,以及防污染设计.

3.可靠性

各类海洋钻井平台的造价都很高,若租用钻井平台,日租金也非常昂贵,如果钻机性能不佳导致经常停修,停产损失和维修费用巨大.因此,要求钻机各部件的性能都要可靠性高,且经久耐用.一次性投入后,在足够长的规定使用周期内,不需要维修或只进行简单维修,直到失效更换.例如:防喷器在整个钻井周期内可靠度必须达到100%,钻机的柴油发电机组的大修寿命必须大于2万小时.

4.冗余设计

海洋钻机的重要系统和部件必须配备应急设备,如柴油发电机组配有应急柴油发电机,转盘配有应急驱动链轮,泥浆泵配有应急泵.当主要机组出现故障时,相应的应急设备立即启动,避免卡钻等钻井事故的发生.

5.技术先进,效率高

海洋钻井平台的空间十分有限,因此,平台上所采用的海洋钻机零部件必须技术先进,体积小,质量轻,效率高.在同样技术性能的前提下,设备体积越小,钻井平台的建造费用也就越低.

6.钻深能力配备

海上钻井远离后方基地,设备故障所造成的损失及修复所需要的时间均大大超过陆上,因此,海上钻井一般选用工作能力较大的设备以减少故障发生,即在相同井深条件下,海洋平台上配备的钻机能力一般比陆地上的大20%～25%.如移动式钻井平台多选用钻深能力6000,7600,9000和11000m,乃至更深的钻机.

7.驱动动力的提供方式

海上钻井平台离岸较远,无工业电网供电.均是采用多台大功率柴油发电机组发电,供各电动机分别驱动钻井绞车,泥浆泵,转盘,顶部驱动装置等钻机的工作机.

8.可钻多口井

由于海上钻井平台的费用较高,所以在一个平台上不能只钻一口井,而要钻十几到几十口生产井.这种丛式钻井法,在狭小的范围内可钻很多油井以控制较大的油,气藏面积,实际上也就是钻很多口定向斜井.因此,海洋钻机要能在平台上纵,横移动,即从一个井位很快移到另一个井位.目前,世界上有的平台最多可钻96口井,一般的平台可钻几口至几十口井.

9.设备模块化

为了节省时间和空间,海洋钻机大多数加以模块化,以便于在海上迅速吊装联接.这些模块包括钻机主体(绞车,转盘)和具有x-y移动装置的底座模块,泥浆泵模块,泥浆处理模块,动力模块,马达控制中心(MCC)模块等.

二,海洋钻机各系统和部件配置的特点

海洋钻机与陆地钻机大部分设备可通用,如天车,游车,大钩,水龙头,泥浆泵,钻井仪表,气控元件,钻井工具等.由于钻井环境条件的不同,海洋钻机系统和部件配置又有其自身的特点.

1.驱动形式

陆地钻机大多采用柴油机联合机械驱动,这种传动形式的最大缺点是占地面积大,功率损失大.海洋钻机采用电驱动,即采用柴油机带动交流发电机发电,一部分电流经可控硅整流后输出直流电,然后由直流电动机驱动钻机的各工作主机,而另一部分电流经变压器变压后,供给钻井平台所有辅机.海上平台采用这种可控硅交/直流转换电驱动(亦称SCR电驱动)形式,不仅可以使平台的设备布置更紧凑,而且降低了平台电站的燃油消耗,提高了电站利用率.近年来,随着陆地钻机交流变频数字控制钻机的快速发展和成功应用,海洋钻机也开始采用这种电驱动方式.交流变频传动系统是柴油机驱动交流发电机,发电机发出的交流电通过变频装置,将交流电变换为可大范围调整频率的交流电,控制交流变频电动机,驱动绞车,转盘及钻井泵等.

一方面,交流变频电传动钻机的绞车,转盘可实现无级调速,调速范围宽,这样不仅可去掉绞车,转盘内换档变速系

统,且使绞车结构简化,质量减轻,体积缩小,为工程作业提供非常优越的施工条件.

另一方面,交流变频电传动钻机可使电动机短时过载倍数达2倍以上,提高了钻机提升和处理事故能力,尤其是在带负载情况下,可平稳启动,制动和调速,具有软启动性能,可降低供电电源容量;可采用计算机数字自动控制技术,便于对现场情况的监控;对于交流变频电传动钻机钻井泵排量,冲数,转盘转数,扭矩等参数,可实现全数字显示,实现钻机的自动化,智能化和对外界变化的自适应控制.

与SCR直流传动系统相比,交流变频电传动钻机具有能耗制动功能,可实现辅助刹车;采用计算机自动控制技术,可实现主电动机自动送钻.交流电动机没有碳刷换向器,维护费用低,使用安全可靠,易于操作管理,具有安全保护功能,可实现电动机的免维护运行;负载功率因数高,能耗低,传动效率高.

目前,世界重要钻机制造商均将交流变频电驱动大功率钻机配备在半潜式钻井平台或钻井浮船上.

2.井架及底座

海洋钻机大多采用塔式井架,井架不用绷绳固定,底面积宽.在半潜式钻井平台和浮式钻井船上,为了安装升沉补偿装置及防止游车大钩摆动,井架上装有导轨.为适应拖航过程中的摇摆(周期为10s,单面摇摆不超过20°),要求井架结构强度高;为适应作业海域大风条件,要求井架抗风载能力高.为满足钻丛式井的要求,底座具有x,y方向移动的装置.

3.转盘开口直径大

因要通过大直径的隔水套管等水下器具,海洋钻机转盘的开口直径比陆上钻机的大.转盘的开口直径大多数选用φ1257mm(491/2英寸),最小也不小于φ953mm(371/2英寸).

4.绞车功率大

海洋钻井绞车采用电驱动,可实现无级调速,绞车驱动功率较大,最大功率可达2200kw,比陆上同级别钻机绞车的功率约高1倍.为了节省空间,减少设备重量,绞车与转盘实现联合驱动.

5.机组由司钻集中控制

由于海上作业人员精干,对钻机的自动监控和集中控制程度要求高.海上钻机的主工作机组采用分组或单独驱动,为了操作方便,由司钻集中控制.司钻控制台上除装有一般的控制手柄外,还装有指示,记录,报警等各种仪表.

6.泥浆泵

海洋钻机的泥浆泵一般采用排量较大,压力较高者.现在大多选用两,三台12—P—160或F—160泥浆泵.由于井下双动力钻具和高压喷射钻井的需要,2000～3000HP的大功率泥浆泵以及工作压力达34.5MPa,51.7 MPa以及69MPa 的泥浆泵会在深井(6000m～9000m)和超深井(9000m以上)的海洋钻机上配套使用.

7.采用五级泥浆净化设备

海上钻井作业的泥浆成本和弃置成本很高,泥浆经净化处理循环使用可节省大量成本.海上钻井作业采用成套的泥浆净化设备,以便减少泥浆中的固相颗粒,保持泥浆稳定的性能.配有:振动筛,除气器,除砂器,除泥器,离心机