深海半潜式钻井平台的发展

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2007年6月船舶June,2007第3期SHIP&BOATNO.3[综述]3深海半潜式钻井平台的发展刘海霞(708研究所上海200011)[关键词]深海;油气开发;半潜式钻井平台[摘要]介绍深海油气勘探开发的现状,从工作水深、海况适应性、可变载荷、结构、材料、装备、功能等多方面分析了第五、第六代深海半潜式钻井平台的发展特点和趋势,并在现场调研的基础上对新一代半潜式钻井平台GlobalSantaFeDevelopmentDriller进行了技术说明。[中图分类号]U674.38+1[文献标识码]A[文章编号]1001-9855(2007)03-0006-05Developmentofdeep2seasemi2submersibledrillingunitLiuHaixiaKeywords:deep2sea;exploitationofoilandgas;semi2submersibledrillingunitAbstract:Inthispaper,thecurrentsituationofexploitationdeep2seaoil&gasexploitationisintroduced.Thedevelopmentfeatureandtrendofthefifthandsixthgenerationdeep2seasemi2submersibledrillingunitisbeinganalyzedfromaspectsofoperationwaterdepth,adaptabilitytoseaconditions,variableloads,structure,material,equipment,function.ThetechnicalcharacteristicsofGlobalSantaFeDevelopmentDriller—anew2stylesemi2submersibledrillingunitispresentedbasedonfieldresearch.7089m。2001年在超过1000m水深海域的探井[1]1前言数多达130口。这些数据正在随技术的发展进一步提高。海洋占地球表面积70.9%,平均深度约为坐底式平台、重力式平台、导管架平台、自升式3730m,90%以上的水深为200m～6000m,大量平台等主要作业于浅海区域,随着油气勘探开发日海域面积的资源尚待开发,尤其是石油、天然气等重益向深海推进,张力腿平台也显示出其局限性,钻井要经济、战略物资,以解决社会发展面临的巨大能源船和半潜式平台成为主要选择。半潜式平台在波浪压力。据地质学家预测,海底石油天然气总储量约中的运动响应、对恶劣海况的适应性、甲板可变载2500亿吨。荷、自持力等方面有一定的优越性,在深海油气开发海洋油气勘探开发通常按水深区别:500m以[2,3]中承担着至关重要的角色。内为常规水深,500m～1500m为深水,超过1500m为超深水。由于大量的油气资源在更深水2半潜式平台技术特点分析域中被发现,国际上海洋油气资源的开发已从近海向深海发展。目前海洋油气钻井工作水深达3051m,海底采油水深达2196m,海洋勘探井深达半潜式平台自20世纪60年代初出现以来,得[4]9210m,海洋采气井深达7393m,海洋采油井深达到了较大的发展和应用,近期发展情况见表1。3[收稿日期]2006-8-21[作者简介]刘海霞(1978.10-),女,汉族,山东人,工程师,主要从事海洋工程总体设计研究。6©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 深海半潜式钻井平台的发展表1世界半潜式钻井平台数量在分析研究文献[5]所辑录的62艘半潜式钻年份19961997199820002002井平台基础上,列出第五、第六代深海半潜式钻井平台典型技术参数(见表2)。数量132147165170175表2深海半潜式钻井平台技术参数最大作最大钻拖航作业平台平台可变大钩总功最大建造改装井架推进器平台名称入级作业海域业水深井深度吃水吃水长宽载荷载荷率航速定位方式年份年份(ft)(hp)(ft)(ft)(ft)(ft)(ft)(ft)(t)(kips)(hp)(kn)MitsubishiMD50319821998ABS巴西3937295202266343220328340×401000780072×3000常规锚泊CS451999—DNV北海5000300003277386229580084×36130044000118×4350动力定位Odyssey19881999ABS墨西哥湾5500300002680390233783540×40180018120124×2700常规锚泊Victory19732002ABS—70003500041157415324327550048×462000129404—常规锚泊Trendsetter19861997ABS英国西海岸7500300002980370255601440×4020002000072×7000常规锚泊ModifiedEnhanced4×320019811999DNV巴西75003000023604172335500—1500504006动力定位Pacesetter4×4800AkerH-3.2Mod19882000DNV墨西哥湾7500300002675320238660050×50200053083108×4000动力定位Developmentdriller2004—ABS—75003750026194912324258771652×5730004076688×4300动力定位Ensco75002000—ABS墨西哥湾8000350002360240248800040×461928300008138×3000动力定位SedcoExpress2001—ABS西非8500250002915651534922611464167×39205735700104×9383动力定位EVA-4000TM19821998ABS巴西890030000321379342328550040×4019284300066×5000动力定位Bingo90002002—DNV加拿大100003000039147719397279740040×4020006120076×7375动力定位IHI2RBFExploration2001—ABS墨西哥湾100003000028197515396256800048×482000563237158×7345动力定位现就新一代深海半潜式钻井平台的主要技术特业稳定性好,在作业海况下其运动幅值可为升沉[5,6,7]点和发展趋势说明如下。±1m,摇摆±2°,漂移为水深的1/20。211工作水深显著增加随着动力配置能力的增大和动力定位技术的新1998年新建和在建的19艘半潜式平台中,17发展,半潜式平台进一步适应更深海域的恶劣海况,艘工作水深超过1524m(5000ft);2002年末现有甚至可望达全球全天候的工作能力。和在建的175艘半潜式平台中,31艘工作水深超过213可变载荷增大1829m(6000ft),16艘工作水深超过2286m采用先进的材料和优良的设计,半潜式平台自(7500ft),其中IHI2RBFExploration、DeepwaterHo2重相对减轻,可变载荷不断增大,以适应更大的工作rizon、EirikRaude(Bingo9000系列)工作水深达水深和钻深。3048m(10000ft)。平台可变载荷与总排水量的比值,南海2号为未来20年内,工作水深达4000m～5000m的0.127,Sedco602型为0.15,DSS20型为0.175,新型半潜式平台有望出现。半潜平台将超过0.2。甲板可变载荷(包含立柱内)212适应更恶劣海域将达万吨,平台自持能力增强。同时甲板空间增大,半潜式平台仅少数立柱暴露在波浪环境中,抗钻井等作业安全可靠性提高。风暴能力强,稳性等安全性能良好。大部分深海半214外形结构简化,采用高强度钢潜式平台能生存于百年一遇的海况条件,适应风速半潜式平台外形结构趋于简化,立柱和撑杆节达100kn～120kn,波高达16m～32m,流速达2kn点的型式简化、数目减少。立柱从早期的8立柱、6～4kn。立柱、5立柱等发展为6立柱、4立柱,现多为圆立柱半潜式平台在波浪中的运动响应较小,钻井作或者圆角方立柱。斜撑数目从14～20根大幅降低,7©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 2007年6月船舶June,2007第3期SHIP&BOATNO.3以至减为2～4根横撑,并最终取消各种形式的撑杆和节点。下浮体趋向采用简单箱形,平台甲板主体也为规则箱形结构,且甲板结构出现层高1m～2m的双层底。2001年建成的深海半潜平台Bingo9000,结构组成包括箱形上甲板结构、6个圆角方立柱、2个箱形浮体、立柱底部2组K字形水平撑共6根、垂向斜撑4组共8根。更新式的半潜平台,结构组成包括箱形上甲板结构、4或6个圆角方立柱、2个箱形浮体、立柱底部2根水平横撑。2004年建成的深海半潜平台BPSSEDHOSE,结构组成包括箱形上甲板结构、4个圆角方立柱、4个箱形浮体(口形),完全取消了撑杆和节点。新一代半潜平台的典型外形见图1、图2。图2四立柱半潜平台置于驳船上拖航强度钢,以减轻平台钢结构自重,提高可变载荷与平台钢结构自重比,提高总排水量与平台钢结构自重比。如平台总排水量与钢结构自重的比值,DSS20型为2.82,PETROBASXⅧ为3.6,新型半潜平台将超过4.0。215装备先进化深海半潜式平台装备了新一代的钻井设备、动力定位设备和电力设备,监测报警、救生消防、通讯联络等设备及辅助设施和居住条件也在增强与改善,平台钻井作业的自动化、效率、安全性和舒适性等都有显著提高。超深井海洋钻机具有更大的提升能力和钻深能力,钻深达10700m～11430m,电动绞车功率达3728.5kW～5369.04kW(5000hp～7200hp),60.5in大通径转盘与之配套使用。液缸升降型钻机、全静液传动钻机、全自动控制钻机成为海上石油图1六立柱半潜平台钻井装备发展的重要方向。新一代的顶驱系统以交流变频驱动取代AC2立柱数量适当减少,而增大立柱截面积,可提高SCR2DC驱动,静液驱动的比率有所提高,并出现了稳性。撑杆、K型和X型等节点的减少以至取消,短尺寸紧凑型组合顶驱。变频电驱动、大功率的高降低了焊接、建造工艺难度,减少了疲劳破坏,提高压泥浆泵得到应用,并发展了一种特轻型泥浆泵,该了平台寿命。口形浮体的出现提高了强度,增大了泵为静液驱动、无曲轴、无连杆、可调排量与压力型。平台装载量,但导致航行阻力增大,故一般置于大型防喷器组工作压力更大,闸板BOP封井工作压力达驳船上拖航移位。138MPa,环形(万能)BOP达69MPa。BOP尺寸和平台建造正越来越多地使用高强度钢。在过去重量进一步降低,配置更安全。并发展了高压旋转10年里,高强度钢(σs=420MPa～460MPa)的使用BOP,以及适应深水的特殊水下设备控制系统。占海上工程结构钢的25%～50%,目前正进一步普深海半潜平台配备大功率的主动力系统和高精及化。甚高强度钢(σs=700MPa～827MPa)已用度的动力定位系统(DPS23),动力定位采用先进的于建造平台的重要结构,超高强度钢(σs≥局部声纳定位系统和差分全球定位系统(DGPS)1000MPa)可望投入实际应用。等。采用强度高、韧性好、可焊性好的高强度和甚高8©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 深海半潜式钻井平台的发展电力设备有单机功率达3800kW、性能优越、3.1平台主参数寿命长的柴油发电机组和800kW以上变频机组,表3主尺度单机功率大于300kW、性能优良、运转可靠、启动便作业水深2286m(7500ft)捷的应急发电机组等。钻井深度11430m(37500ft)平台总长×总宽(m)115.70×90.40216多功能化,系列化浮体长×宽×高(m)98.82×20.12×8.54深海半潜式平台的造价较高,如BPSSEDHOSE立柱长×宽×高×角半径15.86×15.86×18.86×3196造价为4.4亿美元。最大程度地利用平台在实际运(m)主甲板长×宽(m)74.42×74.42营中受到关注,许多平台具有钻井、修井、采油、生产至主甲板高(m)36.0处理等多重功能。配有双井系统的平台,可同时进钻台长×宽(m)17.1×23.5行钻修井作业,钻井平台上增加油、气、水生产处理至钻台高(m)45.7装置及相应的立管系统、动力系统、辅助生产系统、井架长×宽×高(m)15.85×17.37×68.96吃水20.0m～1710m生产控制中心等,即成为生产平台。平台利用率的作业状态排水量46389t～43257t提高降低了深海油气勘探开发的成本。吃水15.0m自存状态排水量41168t部分平台具有一定批量性,如Amethyst系列6吃水8.2m拖航状态艘,Bingo9000系列4艘,SedcoExpress、WestVen2排水量32985tture系列3艘,DevelopmentDriller、Odyssey、Sedco最大甲板可变载荷7000t700、Victory等系列各2艘。小批量的系列化,缩短表4储存能力了设计建造周期,减少了设计建造成本。33压载水14678m重晶石/土粉295m33钻井水1456m水泥480m3海水775m泥浆原料5500袋3新式半潜平台GlobalSantaFeDe233饮用水708m燃油3248m[8,9]33velopmentDrillerIII介绍泥浆1093m原油729m3备用泥浆1892m半潜式钻井平台GlobalSantaFeDevelopment表5作业环境Driller系列共两艘,由Friede&Goldman设计、PPL作业状态作业状态自存拖航Shipyard承建,于2004年交付,作业海域为墨西哥风速(kn)(墨西哥湾)(巴西海域)状态状态湾和巴西海域,入级符号ABSA1,AMS,CDS,DPS2414776/2。流速(kn)217313016/有义波高(m)51066191311414波周期(s)10151416141010103.2平台特点1)DevelopmentDriller平台结构组成为双浮体、4圆角方立柱、4杆形横撑和上层甲板结构。考虑到一横撑损毁时的平台安全性,首尾立柱底部各设2个横撑。上层甲板结构为8.6m高的箱形体,含1.7m高的双层底,可设管线,并有利于结构强度。平台采用高强度钢,主船体用钢为AH36、EH36,局部更高。全部钢材重15000t,空船重28000t。2)充分利用立柱内空间,布置有备用泥浆舱、绞车舱、饮用水舱、污油舱等。隔水管立放于甲板,与卧式放置相比节省甲板面积,明显提高作业效率。3)钻井系统、推进系统、锚绞机均为交流变频图3GSFDevelopmentDriller半潜平台电驱动,控制、维修更方便高效。采用主动式升沉补偿系统,钻柱的升沉补偿由绞车自身完成,能随波浪9©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 2007年6月船舶June,2007第3期SHIP&BOATNO.3响应,可实现恒速下管。综合协调的结果。例如选用材料都为高强度钢,则单井架双钻井系统,主系统钻井,辅系统接管,不利于疲劳、板稳定性、刚度、腐蚀等方面。动力定以减少停工时间,提高作业效率。相应的大井口槽位系统精度过高,平台对恶劣风浪缺乏一定的实时(42.7m×8.5m,140ft×28ft)对结构要求较高。应变,为避免甲板上浪而损失相当的吃水,而且动力主系统大钩载荷1000t,液压绞车功率5219.9kW定位功率需增大、经济性亦差。(7000hp),顶驱载荷1000t,主转盘60.5in。辅系2)由于深水或超深水勘探作业费用巨大,目前统大钩载荷500t,液压绞车功率3355.7kW有能力(无论是资金或技术实力)进行深海石油勘(4500hp),顶驱载荷500t,转盘49.5in。探开发的公司主要有BP、Shell、Exxon、Mobil、Chev2隔水管张紧系统,6组张紧器、12根张紧索,单ron、Texaco、Petrobras等大石油公司。近年来,各大个张紧器补偿能力250kips。石油公司在深海领域的投资不断增加。2001年全4台泥浆泵三用一备,功率1640.50kW球在深海的石油开发投资超过110亿美元,尚不包(2200hp),额定工作压力7500Pa。括勘探及评价投资;2003年现有深海油田及新项目配有多种起重处理设备以适应不同需要。2台的投资超过150亿美元。可见,向海洋和深海要油甲板起重机分别位于左右舷,静载负荷150t×气,发展新一代以半潜平台为代表的移动式钻采装21.6m,动载负荷100t×21.6m。1台折臂式起重置是世界油气工业发展必不可少的重要一环。机用于管子处理系统,负荷为10t×35m,15t×3)目前我国油气勘探开发集中在浅海、近海区25m。1台隔水管龙门起重机,负荷为40t。2台域,深海开发技术能力与国际水平差距较大,尤其是BOP龙门起重机,承载为100t。动力定位钻井船和深海半潜式钻井平台的研制。自4)双系统定位,动力定位DPS22辅以8/12/161984年国内自行研制的半潜式钻井平台“勘探三点锚泊定位。号”投入使用后,技术研究工作未见实质性进展。动力定位配8套3200kW吊舱推进器,具有专为了解决当前经济发展面临的能源危机,我国正在门优化的倾斜角度,最小化的易损件,低维修率,简大力发展深海勘探技术,现已专门立项进行新型半单的水下安装方式,更高的效率。锚绞车备于平台潜式钻井平台的研制,旨在完成目标平台(钻井作主甲板,部分锚链由抛锚作业辅船提供。飓风时用业水深为2500m～3000m,钻井深度为9000m～12/16点锚泊定位,平台经受百年一遇的墨西哥湾10000m)的初步设计和建造方案,这将在一定程度飓风时,仍可实现安全定位。双定位系统提高了平上促进我国深海勘探开发的技术进步。台正常作业的可靠性。动力定位耗能多,精度高,用[参考文献]于钻井作业;锚泊定位耗能少,精度低,可靠性高,用[1]廖谟圣.三论我国海洋石油工业技术装备之国产化于生产、修井作业等。[J].中国海洋平台,2004,19(4):1～7.[2]RobertE.Randall著,包丛喜译.海洋工程基础[M].5)8台主发电机3800kW,11kV,60Hz。1台上海:上海交通大学出版社,2002.应急发电机1450kW,480V,60Hz。[3]安国亭、卢佩琼.海洋石油开发工艺与设备[M].天2套11kV中压主配电板,30套480V低压配津:天津大学出版社,2001.电板,和应急配电板。[4]廖谟圣.国外超深水钻采平台的发展给我们的启迪平台自动化、网络化程度高,全船综合系统I/O[J].中国海洋平台,2003,18(5):1～5.约12000点。[5]半潜式钻井平台主要性能参数[R].中国船舶工业第6)采用新的建造工艺,根据平台功能分块,不708研究所档案信息中心,2003.同区块可同时施工,缩短了建设周期。GSFDevel2[6]张阳春等.石油钻采设备-第三轮国内外技术发展水opmentDrillerI建造、调试约为25个月,船体用时仅平跟踪与分析[M].北京:中国石油和石油化工设备占20%。上下体连接时,用压载水调节法取代浮吊工业协会钻采机械专业委员会,2000.[7]当前世界上大型、先进的半潜式钻井平台[J].中国海吊重法,提高了精度。洋平台,2002,17(3):46.[8]新型多功能半潜式钻井平台研制-赴新加坡技术考4结语察总结汇报[R].中国船舶工业第708研究所,2005.[9]Fletoverview/newbuildsconstruction/developmentdril21)良好的平台设计是多种矛盾因素相互平衡、ler.http://www.globalsantafe.com/10©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net