教学课件：第七章海洋石油钻井设备(第二讲)精讲.ppt

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1、第七章 海洋石油钻井设备,天津石油职业技术学院徐建功2013年7月,7.2 海洋钻井水下装置与升沉补偿,7.2 海洋钻井水下装置与升沉补偿,处于漂浮状态的钻井装置，在风浪作用下，船体将产生升沉、摇摆、漂浮三种运动，它们对钻井作业会有不同程度的影响。升沉，在钻井时，船体的升沉会带动井下钻具上下运动，因而不能控制钻头对井底的压力，不但影响钻进效率，而且钻具周期性地撞击井底使钻杆不断受弯曲，导致疲劳断裂。摇摆，船体的摇摆会使钻杆弯曲，同时，井架内的游动滑车，井场的钻杆、套管、井口返回的泥浆等不断摇晃，都影响正常钻进。当摇摆的角度稍大时，钻盘的方补心有从补心脱出的危险。,7.2 海洋钻井水下装置与升沉

2、补偿,水下装置：使钻具通向井底的设备。在钻井过程中，为了防止因船体升沉影响钻进效率，需要有消除钻具随船体升沉的设备，即使用能伸缩的钻杆。伸缩钻杆能传递转矩和承受高压，并由内、外筒间的伸缩可以补偿船体升沉而保持钻头不上下撞击井底，且结构简单，但伸缩钻杆安装在钻铤上部，钻头对井底的压力只能由钻铤的重量决定，除非起钻后再增减钻铤，在钻进过程中不能调节，否则影响钻进效率。同时，伸缩钻杆承受的载荷复杂，要经常维修。因此，近年来已逐步被新型升沉补偿机构所代替。,7.2 海洋钻井水下装置与升沉补偿,常用的减摇措施：装设减摇舱，即在船体设水舱，利用水舱内液体流动的反力矩来减轻船体的摇摆。装设减摇罐，通过改变罐

3、内液面高度来调整船体的稳心高度。装设抗摇器，抗摇器是与船体无关的独立系统，由支船架、浮筒、连接件、抗摇筒组成。借助抗摇筒对海水的反力矩来抵抗波浪运动对船体产生的不稳定力矩，从而减少船体的摇摆。,7.2 海洋钻井水下装置与升沉补偿,漂移，船体的漂移也使钻具弯曲，特别是在起下钻具时，会使钻具不能重新进入原井孔。浮式钻井装置的漂移用各种定位系统来限制。目前采用的方法主要有锚泊定位与动力定位。,7.2.1 钻井水下装置 钻井水下装置，它是指钻井平台与海底井口之间的隔绝海水、适应平台摇摆、控制井口的一套装置。钻井水下装置的作用是固定海底井位、悬挂套管、导引钻具及其他水下设备。钻井水下装置主要包括：钻井导

4、向装置、套管头组、防喷器组、隔水管柱、连接装置等。1.钻井导向装置 作用：引导水下井口设备坐于海底井口盘上。主要由井口盘、导向架和导管三部分组成。井口盘的作用是确定井位，牵引临时导向绳并支撑永久导向架。导向架是座落于井口盘上作为海底井口永久性的导向装置。导管也起导向作用。,2.套管头组 作用：悬持套管、接防喷器。3.防喷器组 由于使用环境特殊，要求防喷器具有更高的可靠性和防腐性能。可装在水下，也可装在平台上。防喷器组，防喷器组的作用是封闭井口、防止井喷，以及在紧急情况下切断钻杆，还可以放喷和压井。还包括一个万能防喷器，其作用是当隔水管组成与防喷器组脱离时，能保持隔水管内的泥浆柱。,4.隔水管组

5、 作用：隔开海水，并从中引入钻具，导出钻井液、适应浮式钻井装置升沉和摇摆。主要由隔水管接箍、隔水管节（伸缩隔水管、浮性隔水管）、挠性接头、伸缩隔水管、张紧器组成。5.连接装置,7.2.2 升沉补偿 深海钻井时，需采用半潜式钻井平台或钻井浮船。它们在波浪的作用下，将产生周期性升沉运动，并使钻柱上下往复运动。因而造成井底钻压变化，影响钻进，甚至是钻头脱离井底，无法钻进，故必须采用钻柱升沉运动的补偿措施。,7.2.2 升沉补偿 升沉补偿采用的方法有两种：增设伸缩钻杆和增设升沉补偿装置。1.增设伸缩钻杆这种办法是在钻柱的钻挺上方加一根可伸缩的钻杆。伸缩钻杆由内、外管组成，内、外管沿轴向作相对运动，行程

6、一般为2米。当平台上下升沉运动时，伸缩钻杆的内管随伸缩钻杆以上的钻柱作轴向运动，而与伸缩钻杆外管相连的钻挺则基本不作升沉运动。因而可保持钻压恒定，同时还可避免平台上升提起钻挺，平台下沉时压弯钻柱。,1.伸缩钻杆的组成目前应用的有全平衡式和部分平衡式两种。全平衡式伸缩钻杆的结构（下图）。,全平衡式伸缩钻杆工作时，在内管和下工具接头间的环形截面上作用有钻柱内的高压泥浆，因而产生张开力。同时，从井筒中返回的泥浆作用在伸缩钻杆外以上部分受压，故必须采取措施平衡此张开力。为此在伸缩钻杆中间设置一个密封的平衡压力缸，它和流经伸缩钻杆内孔的高压泥浆相通，并使高压泥浆在平衡缸中产生的轴向力和张开力平衡，所以叫

7、全平衡式。,部分平衡式没有平衡压力缸，只是尽量减少内管心轴尾端的壁厚，从而减少它与工具接头间的环形截面积，实现部分地减少泥浆所产生张开力。伸缩钻杆的扭矩是依靠均布在径向的传扭销来传递。传扭销轴向安装，固定在传递套筒上，可沿内管心轴的凹槽上下滑动。,为了密封管内外的泥浆以及平衡缸，伸缩钻杆配置有四组密封。每组密封有主密封、挡圈、隔离环组成。主密封材料系耐高温的合成橡胶，挡圈材料为玻璃纤维，隔离环有含尼龙纤维的橡胶制成，用以挡住硬的小颗粒。为了使伸缩钻杆的外圆不易磨损，在其顶部安装有防磨环，环外圆堆焊硬质合金。多节式伸缩钻杆一般采用螺纹连接。,2.伸缩钻杆存在的问题（1）钻压不能调节。增加伸缩钻杆

8、后，钻压大小取决于伸缩钻杆以下的钻挺部分重量。因而不能随岩层的变化调节钻压。（2）承载条件恶化。伸缩钻杆既承受泥浆的高压，传递钻柱的扭矩；又承受因内外管周期性轴向运动所引起的交变载荷，承载条件十分恶劣。（3）不利于特殊作业。当不压井钻井时关防喷器后，由于伸缩钻杆以上的钻柱随船体升沉做周期性的上下运动，是防喷器的芯子反复摩擦，对于作业不利。正由于存在这些缺点，近年来许多国家正在研制和采用升沉补偿装置。,（二）增设升沉补偿装置这种办法是在浮动平台或钻井船的钻机部件中增设一套钻柱升沉补偿装置，以保证钻柱基本上不随平台升沉。升沉补偿装置一般采用液压传动。如在游动滑车与大钩间装设双液缸，缸体与游动滑车相

9、连，如图所示。,当平台升沉时，游动滑车带动液缸的缸体作周期性上下运动，而活塞与大钩则基本保持不动。这时整个钻柱的重量有活塞下面的液压所支承。液体压力可保持恒定，也可根据需要调节，以控制钻柱拉力，随时调节井底钻压。,二、升沉补偿装置的结构类型与工作原理（一）游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置1.结构如图所示它主要有以下及部分：1）液缸2）活塞3）储能器4）锁紧装置,1）液缸两个液缸用上框架与游动滑车相连，随平台升沉而上下运动。2）活塞两个液缸中的活塞通过活塞杆与固定在大钩上的下框架连接，大钩载荷由活塞下面的液压随支承。,3）储能器储能器与液缸相通。储能器中有活塞，其下端的液体通过软管与液缸相通；

10、其上端的气体通过管线与储气罐相通。这样，液缸中的液体压力由储能器中气体压力所决定。调节气体压力即可改变液体压力。4）锁紧装置用以将上下两个框架锁紧成一体，从而使游动滑车与大钩连接在一起，进行起下钻工作。,下图为我国“南海2号”半潜式钻井平台上的新型补偿装置。,2.工作原理1）正常钻进时：大钩上悬挂的钻柱总重量Q，井底钻压W和补偿装置的液缸中的液压间的平衡关系式如下：,从式（1-2）中可看出：（1）为了保持钻压，只要保持液缸中的液体压力为一定值即可；而为了调节钻压，只要调节储能器中的进气压力即可。（2）为了实现自动送进，只要调节液缸中的液体压力，使略小于整个钻柱的悬重，并使液缸中活塞行程大于升沉

11、位移即可。,正常钻进时大钩处的受力情况如图所示,2）绳索作业时：当进行电测、试井等绳索作业时，因下入井内的器具很轻，升沉补偿装置不能发挥作用，故应另加一根传感器，使绳底端固定在隔水管顶部，再通过大钩上悬挂的滑轮，将绳固定在井底底座上。这样传感器作用在大钩上的拉力即相当于钻柱的悬重。因此，仍可发挥升沉补偿装置的作用，在绳索作业时，进行运动补偿。,绳索作业时，送器具的工作绳，自绞车引出后，通过悬挂在大钩上的另一个滑轮，下入井内。此滑轮与传感器通过的滑轮保持一定的距离，但都固定在同一杆件上。由于钻井的升沉运动，因此传感绳的固定端及工作绳、绞车也随鉆台上下运动。这样，两绳在大钩处的滑轮上时松时紧，将引

12、起两绳作用在大钩处的拉力时大时小。,但当升沉补偿装置液缸中的液压一定时，若传感绳松，拉力减小，则恒定的液压推到活塞上行，带动大钩上提，使传感绳又恢复拉紧。而若传感绳拉力增大时，则由于恒定压力比传感器的拉力小，于是活塞及大钩被拉下行，又可使传感绳放松。这样，即可使传感绳及工作绳均对大钩保持张力，又可使升沉运动得到补偿，正常进行绳索作业。,绳索作业时，大钩处受力情况如图所示,（二）天车上装设的升沉补偿装置,1.结构如图所示天车升沉补偿装置主要由以下及部分组成：（1）浮动天车（2）主气缸（3）液缸（4）储能器,（1）浮动天车它通过滚轮在垂直轨道内移动。天车本身除具有普通天车的滑轮外，另多装有两个辅助

13、滑轮，辅助滑轮的轴与天车滑轮的轴之间用连杆连接。快绳及死绳分别通过两个辅助滑轮引出。这样，当天车沿着垂直轨道移动时，只是辅助滑轮轴动作，而通过辅助滑轮的钢丝绳与滑轮间五相对运动，可延长钢丝绳的寿命。,（2）主气缸它是支持浮动天车用的，相当于大型弹簧，共四个。倾斜放置，由甲板上的压气机供气。（3）液缸共两个，垂直放置，由甲板上油泵供油。它只作为液力缓冲用的安全液缸，以克服大钩载荷的惯性影响。（4）储能器它安装在井架上，有管路与四个主气缸相通，用以调节主气缸中的气体压力。,2.工作原理1）补偿升沉由浮动天车来实现补偿。当浮动平台上升或下降时井架沿轨道上下运动，主气缸中的气体压缩或膨胀，相当于一个大

14、弹簧，而天车及大钩基本上保持不动，于是升沉运动得以补偿。2）控制钻压司钻利用甲板上的调压阀，控制自空气罐至主气缸系统的空气压力，是井底钻压调至合适值。,3）自动送进 正常钻井时，将气缸中气压调节到略低于大钩上载荷，于是，浮动天车在大钩载荷带动下，沿轨道下行，实现自动进尺。当浮动天车下行至最低点时，司钻即放松绞车滚筒上钢丝绳，使浮动天车上行至最高点，然后在继续自动进尺。4）防止事故 当大钩载荷突然减少或主气缸严重漏气时，可借助液缸支持着钻柱重量，并使其减速，以防止事故，保证安全。,5）绳索作业 绳索作业时，可另加一根传感绳，使其一段固定在隔水导管上，另一端自井架外边引至浮动天车上，经滑轮后，在连

15、到鉆台的滚筒上。这样，传感绳随鉆台运动而放松或绷紧，浮动天车在恒定气压下随之相应地补偿运动，即可实现绳索作业时的升沉补偿。6）起下钻作业 起下钻时，用锁紧装置将浮动天车锁住，使浮动天车不随起下钻柱而上下滑行。,（三）死绳上装设的升沉补偿装置,1.结构如图所示，它主要由一下几部分组成：1）定滑轮组2）动滑轮组3）液缸4）高压储能器5）低压储能器6）控制台,1）定滑轮组 死绳自天车引出后，先经过一个传感滑轮，将拉力大小变成电信号，传至指重表，在穿过定滑轮组及动滑轮，最后，死绳端自定滑轮组引出固定在死绳固定器上。2）动滑轮组 它可以在框架内移动，其行程大小和死绳拉力有关。动滑轮组的轴承座装在天车上，

16、行车上下均有滚轮，滚轮沿上下工字梁轨道滑行。动滑轮组前面为固定在行车上的半月牙形拨叉，拨叉另一端与液缸的活塞杆相连。,3）液缸 液缸中有活塞，一端液体与低压储能器相通，另一端液体与高压储能器相通。当死绳上拉力减少时，传感滑轮发出信号后，指令阀动作，活塞右端压力增加，推到活塞向左移动，将滑轮组上的钢丝绳拉紧，活塞左端液体流回低压储能器。当死绳上拉力增加时，指令阀动作后，活塞右端压力减低，推到活塞向右移动，使死绳放松，直至达到恒定拉力，液体自活塞右端流回储能器。,4）高压储能器储能器由压气机供气，上部有安全阀，下部有放气阀。5）低压储能器空气经滤清器，调节器沿管路进入低压储能器，其上部也有放气阀。

17、6）控制台控制台上有压力表、指重表、动滑轮组行程指示灯、压力控制器、压气机启动及停车机构等。,2.工作原理如图所示，借助调节储能器中的气压来改变死绳拉力。再通过死绳上拉力的改变来调节及保持井底钻压。此外，还可通过液压推动活塞移动来调节钢丝绳的有效长度。,综合上述，死绳上装设的升沉补偿装置，由于需装设传感信号和传令等电控制系统，结构比较复杂，所以应用较少。天车上装设的升沉补偿装置虽然占用甲板面积小，而且管路短，密封少，不需要高压胶管，有不少长处，但因需特制大尺寸井架及天车，故应用也不广泛。,目前应用较多的是在游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置，它不需要特制的井架及天车，游动滑车及大钩也是通用的。

18、但其缺点是液缸密封多，液压油漏失问题严重，管路长，摩擦损失大等，还有待进一步改进。,三、升沉补偿装置的设备选择（一）钻柱升沉补偿装置的选定一般应根据生产要求，按照平台上配备的钻机的钻探能力来选定。根据钻机的大钩载荷来选定补偿装置的钩载能力，另外，还需按照海况所需要补偿的升沉位移，选定补偿液缸的行程。钻柱补偿装置的技术性能的基本参数是：（1）补偿升沉时的大钩载荷；（2）锁紧状态时的大钩载荷；（3）液缸行程。,（二）储能器与储气罐的选定1.液缸及储能器中液气弹簧刚度若将液缸通至储能器中的液体及储能器中的气体，看作是无质量的弹簧，则由于储能器中液体对活塞的压力等于被压缩的气体的恢复力，故可得出弹簧刚

19、度为：,2.储能器及储能罐的容积选定时，先根据工作需要，确定平均压力及活塞面积，再按照计算得出的弹簧刚度，即可依（1-3）求的容积。,然后再定出储气罐的数目、容积以及储能器的容积。,储气罐一般安放在接近井架的适当位置，可以水平或垂直放置，均放在撬座上。灌上应有隔离阀，以便快速减少气体体积。储能器一般多采用活塞式结构，可水平或垂直安放。直径常约为0.5M。长度应根据上述计算来决定。升沉频率高的小船要求储能器位置尽量靠近液缸。,钻井浮船上全套升沉补偿装置的布置情况如图所示。,其单液缸升沉补偿装置的布置如图所示。,一、解释概念坐底式钻井平台-固定式钻井平台-半潜式钻井平台-气垫式钻井平台-浮式钻井船。分组驱动 二、填空题1.钻井水下装置主要包括_，_，_ _，_ _。2.海洋石油钻井设备的特殊问题有_ _，_ _，_ _ _。3海洋钻井平台的分类有_ _，_，_，_，_，_，_。4.升沉补偿类型有_，_。三、简述题1.简述简述步行式钻井平台步进原理?2.简述升沉补偿装置的结构类型与工作原理?3.钻井平台选择考虑因素有哪些?4.简述海洋石油钻井平台的组成。5.简述海洋石油开发的特点,作 业,