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(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院2013年09月海洋石油裝備概論

第一章1.1海洋石油開(kāi)發(fā)環(huán)境1.2海洋石油開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)1.3海洋石油平臺(tái)簡(jiǎn)介1.4水下石油裝備簡(jiǎn)介1.5海洋石油裝備發(fā)展簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)環(huán)境2002年在巴西召開(kāi)的世界石油大會(huì)上，為了對(duì)海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)以水深來(lái)進(jìn)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(guò)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(guó)海岸線長(zhǎng)約18000km，按聯(lián)合國(guó)公約，屬中國(guó)管轄的海域約有488萬(wàn)平方公里。南海面積約為200萬(wàn)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(chǔ)量估計(jì)約有230~300億噸；天然氣儲(chǔ)量約有338萬(wàn)億立方米，70%在深水。1.1海洋石油開(kāi)發(fā)環(huán)境形勢(shì)表明：深海油氣資源勘探開(kāi)發(fā)，必將成為中國(guó)未來(lái)的海洋石油、天然氣的主戰(zhàn)場(chǎng)。

海洋中蘊(yùn)藏豐富的石油天然氣資源，100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)在海洋開(kāi)展了石油鉆采業(yè)務(wù)，已在海上發(fā)現(xiàn)1600多個(gè)油氣田。

第一章1.1海洋石油開(kāi)發(fā)環(huán)境1.海洋石油工程環(huán)境海洋石油開(kāi)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(fēng)、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(kāi)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(yùn)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(yīng)以工程的正常施工作業(yè)和正常生產(chǎn)運(yùn)行為標(biāo)準(zhǔn)。（2）設(shè)計(jì)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(yīng)以保證工程的安全為標(biāo)準(zhǔn)。第一章1.1海洋石油開(kāi)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(shí)間的長(zhǎng)短。對(duì)于海洋石油工程來(lái)說(shuō)，一般以不小于50年為宜。對(duì)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(jì)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(kāi)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(fēng)、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(dòng)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(shí)性載荷。第一章

海水鹽度高，導(dǎo)電率高對(duì)金屬腐蝕比較強(qiáng)，特別是海水飛濺區(qū)，腐蝕最為嚴(yán)重。需要耐腐蝕強(qiáng)的材料和設(shè)備。海風(fēng)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(yùn)動(dòng)。主要用風(fēng)向和風(fēng)速表示風(fēng)的特征。臺(tái)風(fēng)。我國(guó)南海臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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

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

海水溫度與鹽度變化導(dǎo)致海水密度分布變化，并決定海洋壓力場(chǎng)的海水流動(dòng)。

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

由于潮汐的運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)會(huì)上下浮動(dòng)，左右擺動(dòng)，對(duì)于鉆井定位和鉆進(jìn)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(guò)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(tái)。

1.1海洋石油開(kāi)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(kāi)始，波高很小，一般幾十厘米，波長(zhǎng)卻極大，移動(dòng)速度可高達(dá)800km/h。對(duì)近海鉆井采油裝備影響是致命的。

1.1海洋石油開(kāi)發(fā)環(huán)境第一章1.2海洋石油開(kāi)發(fā)特點(diǎn)海上油田開(kāi)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(dǎo)航技術(shù)、海上搜救技術(shù)，海場(chǎng)保護(hù)技術(shù)、海上通信遙控技術(shù)、海上安全保障技術(shù)、海上運(yùn)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(kāi)發(fā)是一個(gè)知識(shí)、資金、技術(shù)密集而又具有風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)工程。

（1）技術(shù)復(fù)雜、難度大

第一章1.2海洋石油開(kāi)發(fā)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)海上油田，要在惡劣的海洋環(huán)境中建造平臺(tái)、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(fù)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(jì)，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(kāi)發(fā)特點(diǎn)由于惡劣的海洋環(huán)境會(huì)給海洋石油開(kāi)發(fā)帶來(lái)災(zāi)害，所以開(kāi)發(fā)海洋石油具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是海洋環(huán)境具有很強(qiáng)的區(qū)域特性，人們難以沿用其他海區(qū)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些難以預(yù)料的問(wèn)題，因此風(fēng)險(xiǎn)大。

（3）風(fēng)險(xiǎn)大

第一章1.2海洋石油開(kāi)發(fā)特點(diǎn)海上油田從勘探到開(kāi)發(fā)一般需3到5年，從開(kāi)發(fā)到投產(chǎn)需3到4年，總建設(shè)期長(zhǎng)達(dá)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(kāi)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(tái)的腐蝕及結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題，以及昂貴的海上操作費(fèi)用，一般采用加快開(kāi)采速率的辦法，盡可能縮短在風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中的作業(yè)時(shí)間。因此，海上油田開(kāi)發(fā)壽命比較短，中、小油田一般都在8~10年左右。

（4）開(kāi)發(fā)建設(shè)周期長(zhǎng)，油田壽命短第一章1.2海洋石油開(kāi)發(fā)特點(diǎn)由于海上石油平臺(tái)的空間有限，在發(fā)生事故后逃生的途徑相對(duì)較少，救援工作也非常困難，只能依靠守護(hù)船舶和直升機(jī)，離較遠(yuǎn)的平臺(tái)直升機(jī)從陸地起飛到平臺(tái)需要幾個(gè)小時(shí)，還要受到天氣和海況的限制。

1979年11月25日凌晨3時(shí)30分左右，石油部海洋石油勘探局的渤海二號(hào)鉆井船，在渤海灣遷往新井位的拖航中翻沉。因?yàn)轱L(fēng)浪大、天氣寒冷，當(dāng)時(shí)船上74人，72人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失3700萬(wàn)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(kāi)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(jiǎn)介

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

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

海上油氣集輸系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)管匯，測(cè)試管匯，油氣匯集系統(tǒng)，油氣處理系統(tǒng)，注水系統(tǒng)，儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)等。

海上修井設(shè)備主要包括固定平臺(tái)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(tái)簡(jiǎn)介

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

導(dǎo)管架海洋平臺(tái)(Jacket)

鋼樁穿過(guò)導(dǎo)管打入海底，并由若干根導(dǎo)管組合成導(dǎo)管架。適用于淺近海。第一章1.3海洋石油平臺(tái)簡(jiǎn)介

坐底式海洋平臺(tái)

平臺(tái)分本體與下體（即浮箱），由若干立柱連接平臺(tái)本體與下體，平臺(tái)上設(shè)置鉆井設(shè)備、工作場(chǎng)所、儲(chǔ)藏與生活艙室等。坐底式鉆井平臺(tái)是早期在淺水區(qū)域作業(yè)的一種移動(dòng)式鉆井平臺(tái)。第一章1.3海洋石油平臺(tái)簡(jiǎn)介

自升式海洋平臺(tái)(Jack-up)

由一個(gè)上層平臺(tái)和數(shù)個(gè)能夠升降的可接地的樁腿所組成的海上平臺(tái)。平臺(tái)既要滿足拖航移位時(shí)的浮性、穩(wěn)性方面的要求，又要滿足作業(yè)時(shí)著底穩(wěn)性和強(qiáng)度的要求，以及升降平臺(tái)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(tái)簡(jiǎn)介

半潛式海洋平臺(tái)（Semi）大部分浮體沉沒(méi)于水中的一種小水線面的移動(dòng)式平臺(tái)，由平臺(tái)本體、立柱和下體或浮箱組成。平臺(tái)上設(shè)有鉆井機(jī)械設(shè)備、器材和生活艙室等，供鉆井工作用。平臺(tái)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(dāng)距離，以保證平臺(tái)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(tái)簡(jiǎn)介

張力腿海洋平臺(tái)（TLP）

張力腿式平臺(tái)利用繃緊狀態(tài)下的錨索鏈產(chǎn)生的拉力與平臺(tái)的剩余浮力相平衡。張力腿式平臺(tái)的重力小于浮力，所相差的力可依靠錨索向下的拉力來(lái)補(bǔ)償，且此拉力應(yīng)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(tái)的作用。第一章1.3海洋石油平臺(tái)簡(jiǎn)介

Spar海洋平臺(tái)

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(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、安全性良好。第一章1.3海洋石油平臺(tái)簡(jiǎn)介

左到右依次是導(dǎo)管架平臺(tái)，自升式平臺(tái)，半潛式平臺(tái)，鉆井船，張力腿平臺(tái)。

第一章鉆井隔水管系統(tǒng)從鉆井平臺(tái)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(bǔ)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(dǎo)向。

1.4水下石油裝備簡(jiǎn)介

國(guó)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(guò)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(guò)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(dòng)化控制程度高、安全性好、可靠性高等特點(diǎn)。

1.4水下石油裝備簡(jiǎn)介

國(guó)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(shù)的使用始于1967年。至今已有l(wèi)200多套水下采油樹(shù)應(yīng)用在250多個(gè)采油項(xiàng)目中。它需要滿足海水壓力、腐蝕、風(fēng)浪、暗流等復(fù)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(jiǎn)介

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

（3）水下采油樹(shù)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(xué)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(hù)管線和閥門正常工作；在水下機(jī)器人操作過(guò)程中提供支撐平臺(tái)。1.4水下石油裝備簡(jiǎn)介

（4）水下集輸系統(tǒng)

國(guó)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(jìn)入海洋鉆井，美國(guó)加利福尼亞州Summerland離岸約76m，木架碼頭。1.5國(guó)內(nèi)外發(fā)展概述

1911年，世界第一座固定平臺(tái)鉆井裝置豎立在美國(guó)路易桑納州Caddo湖上。1925年，蘇聯(lián)在里海建造人工島進(jìn)行石油鉆井。1932年，世界首次浮船鉆井（鉆井駁船Mcbride號(hào)），在美國(guó)路易桑納州Garden灣。1933年，世界首座坐底式平臺(tái)（Giliasso號(hào)），在美國(guó)路易桑納州Pelto湖。第一章海洋石油981深水半潛式鉆井平臺(tái)于2008年4月28日開(kāi)工建造，是中國(guó)首座自主設(shè)計(jì)、建造的第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)，由中國(guó)海洋石油總公司全額投資建造，整合了全球一流的設(shè)計(jì)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(jì)的，能抵御200年一遇的臺(tái)風(fēng)；選用DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，1500米水深內(nèi)錨泊定位，入級(jí)CCS（中國(guó)船級(jí)社）和ABS（美國(guó)船級(jí)社）雙船籍。整個(gè)項(xiàng)目按照中國(guó)海洋石油總公司的需求和設(shè)計(jì)理念引領(lǐng)完成，中國(guó)海油擁有該船型自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該平臺(tái)的建成，標(biāo)志著中國(guó)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力。1.5國(guó)內(nèi)外發(fā)展概述

第一章“海洋石油981”，是中國(guó)海油深海油氣開(kāi)發(fā)“五型六船”之一，是根據(jù)中國(guó)海洋石油總公司（簡(jiǎn)稱“中海油”）的需求和設(shè)計(jì)理念，由中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所設(shè)計(jì)、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(shí)產(chǎn)權(quán)，由中海油服租賃并運(yùn)營(yíng)管理。

2012年5月9日，“海洋石油981”在南海海域正式開(kāi)鉆，是中國(guó)石油公司首次獨(dú)立進(jìn)行深水油氣的勘探，標(biāo)志著中國(guó)海洋石油工業(yè)的深水戰(zhàn)略邁出了實(shí)質(zhì)性的步