海上石油钻井平台课件.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、。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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、；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

15、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、

16、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

17、，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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、，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

24、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)

25、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

26、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

27、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，

28、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

29、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

30、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

31、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。,

32、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

33、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

34、，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

35、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

36、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

37、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

38、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

39、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，

40、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。

41、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

42、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

43、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

44、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。

45、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

46、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4

47、2000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,