自升式海洋石油平台研究摘要: 自升式钻井平台属于海上移动式平台,由于定位能力强和作业稳定性好,在大陆架的勘探开发中居主力军地位。
阐述自升式钻井平台的组成和作业范围,以及在我国海洋油气勘探开发中的发展与前景。
关键词: 自升式钻井平台；发展；前景Abstract: As the maritime moving platform, the self2elevation drilling platform is the main force in the exploration of the continental shelf as the result of good fixing and reliable working. This paper expatiates the composing and working scope of self2elevation drilling platform, as well as its development and foreground in the oil and gas exploration of our country.Key words : self2elevation drilling platform ; development ; foreground 1、自升式平台的结构组成特点自升式平台由平台机构、桩腿和升降机构以及生活楼(包括直升飞机平台) 等组成。
平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。
工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。
完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。
自升式平台分为插桩自升式和沉垫自升式。
桩腿可插入海底，也可在桩腿下面设置“桩靴”或独立的小沉垫。
桩腿结构可以是封闭壳体式，也可以是构架式。
桩腿升降机构，有电动液压式和电动齿轮齿条式。
船体平面形状可以是三角形、矩形或五边形，其特点是浮运方便,作业时稳定性好，适用水深为5～90米。
这种平台的应用较广。
1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，约占移动式钻井装置总数的1/2。
我国自行制造的自升式钻井平台“渤海一号”平台的四根桩腿是由圆形的钢管做成的，桩腿的高度有七十多米，升降装置是插销式液压控制机构。
该型钻井平台造价较低、运移性好、对海底地形的适应性强，因而，我国海上钻井多使用自升式钻井平台[1] [2]。
钻井平台桩腿的高度总是有限的，为解决在深海区的钻井问题，又出现了漂浮在海面上的钻井船。
这种平台由一个驳船式船体和若干能升降并能起支撑作用的桩腿组成，船体有足够的浮力以运载钻井设备和给养到达工作地点。
作业时平台被桩腿支撑并抬升到海面以上。
转移时，把桩腿拔起，驳船式船体下降浮于水面，即可拖运到另一地点。
2、自升式平台在我国的应用2.1 自行设计建造的“渤海一号”和“渤海五号”世界上第一艘自升式钻井平台产生于20世纪50年代。
我国第一艘自升式钻井平台“渤海一号”于1967年由七○八所完成设计,1972年在大连造船厂建成交船。
总长60.4m ,总宽32.5m,型深5m,井槽尺寸10. 5×10. 8m ,作业水深30m ,最大钻井深度4000m ,满载排水量5700t ,吃水3.3m。
4根圆柱形桩腿, 直径2. 5m ,长度73m ,为摩擦支承桩。
设计了液压油缸升降横梁插销式升降机构,每桩举升1600t。
甲板可变载荷1400t（包括大钩载荷) ,自持能力30 天,定员90人。
投入使用后,在渤海打了几十口井,其间经历过1976年8月唐山大地震的严峻考验。
实践证明,该平台基本上是成功的,开创了我国自升式钻井平台的先例。
此后,渤海石油公司在“渤海一号”的基础上,设计了40m自升式钻井台,1983年由大连造船厂建成“渤海5号”和“渤海7号”两艘自升式钻井平台。
总长76m,总宽46.6m ,型深5.5m,井槽尺寸11×8.4m ,作业水深5.5～40m ,满载排水6400t ,吃水3.5m。
钻井装置(包括动力设备和起重设备) 从国外进口,最大钻井深6000m ,平台一次定位可打9 口井。
4根圆柱形桩腿,直径3.0m ,长度78m ,为摩擦支承桩,采用液压插销式升降机构,每桩举升能力1800t。
甲板可变载荷1950t(包括大钩载荷450t)。
自持力20天,定员86人。
设有17.2×21m的直升飞机平台,具有中国和挪威船级社双重船级。
是渤海石油公司的主力平台,已成功地打了多口井。
值得一提的是升降机构作了重大改进,设计了双移动环梁插销式升降机构,解决了“渤海一号”液压升降机构的不同步问题。
2.2 国外引进的罗布雷-300型中国海洋石油总公司自1982年成立后,陆续引进了多种自升式钻井平台。
其中引进的由美国ETA 公司设计,新加坡和日本分别建造的罗布雷(Robinloh)-300 型平台(图6) ,现共有“南海1、3、4号”、“渤海4号”以及原地矿部海洋地质调查局的“勘探2号”等5 艘。
采用3 根桁架式桩腿(带桩靴) ,长度127.1m,桩靴直径16.45m,高度4.9m ,每根桩腿重800 t 。
平台主体呈三角形,总长81.5m,总宽64.92 m ,型深8.24m。
作业水深10～90m ,井槽尺寸15.84 ×15m ,最大钻井深度6000m ,甲板可变载荷2000t(包括大钩载荷450t) ,最大排水量12000t,最大吃水9.9m;设有23×23m的直升飞机平台；升降机构为电动齿轮齿条式,齿条共12根,驱动齿轮36个,驱动电机36台,每台电机功20HP,1800转/min,三相交流460V,60Hz,运动速度0.3m/ min。
这几艘自升式钻井平台在渤海、南黄海、东海、南海打了许多口井。
本世纪初,对“渤海4号”、“南海1、4号”进行了改造,封掉井口槽,增加悬臂梁,增强了钻井作业能力,便于在导管架平台上打生产井组。
中国海洋石油总公司还引进了“渤海8、10号”两艘自升式钻井平台,由美国设计,日本建造,作业水深76m,也是采用3条桁架式桩腿,电动齿轮齿条升降机构,部分桩靴可以收进船体内,以减少吃水。
2.3 国外购进的二手平台中国石化集团胜利油田海洋钻井公司拥有“胜利5、6、7、8、9”5 艘自升式钻井平台,都是圆柱形桩腿并带桩靴,都采用齿轮齿条升降机构。
“胜利5、6号”是4根桩腿,“胜利7、8、9号”是3根桩腿;“胜利8、9号”还设有悬臂梁。
这几艘平台最大作业水深为20～30m,一直在渤海湾作业。
在20世纪末和本世纪初先后进行了改造,主要更换部分设备和改善生活设施。
3 、前景3.1 新形势提出新要求我国海洋油气勘探开发从20世纪60年代起步于渤海湾,逐步走向南黄海、东海、南海,现又准备走向世界。
自升式钻井平台适用于大陆架(水深200m以内) 海域的油气勘探开发。
我国渤海海域最大水深(包括潮差) 在40m以内,所以,已开发的40m自升式钻井平台的技术性能已能满足要求,只需增加平台的数量即可。
但是,南黄海、东海以及南海大陆架水深大, 需要作业水深76m(250ft)91m(300ft) 107m(350ft)122m(400ft) 乃至152～183m(500～600ft) 的自升式钻井平台,而这些平台正是我国目前急需发展的。
我国三大石油集团正在使用的自升式钻井平台仅20 艘,其中15艘船龄已超过20 年，“勘探二号”和“南海一号”甚至已到达30年,虽然很多平台做了改造,但只限于更换部分设备和改善生活设施,性能上没有大的改变。
3.2 新一代自升式钻井平台的主要特点(1) 最大作业水深超过122m(400ft) ,将增至152～183m(500～600ft) ;(2) 采用高强度钢和甚高强度钢,以降低平台自重;(3) 增大可变载荷和自持能力;(4) 采用先进的桩腿(包括桩靴) 结构和升降机构;(5) 配备钻井能力更强、自动化程度更高的先进钻井设备;(6) 更加注重健康、安全、环保。
4、升降系统的技术难点4.1升降机构的工况复杂由于升降机构的动作涉及平台许多作业状态，所以其工况非常复杂对从下降桩腿入泥、船体从漂浮状态起升到离开水面、船体上升到预定高度预压、拔桩、提桩等等每种工况过程中升降机构的受力状况以及升降速度的变化都需要进行分析，否则对于升降系统的结构形式和传动方式选择都无法进行。
4.2大速比减速机的设计与制造由于受到平台重量及空间的限制，因此升降系统中的减速机构要求越小越好，而承重却非大因此设计和制造难度大。
从现有国外资料上看，总速比一般需要6000~10000，低速轴额达800000N·m以上。
目前国内缺乏这种大速比减速机构的设计制造经验，对于其受力分析动力学研究、振动噪声控制、弹性啮合原理以及载荷分配等方面还需要进一步的研究。
4.3齿轮设计制造高强度超大模数齿轮的设计与制造与齿条啮合的小齿轮为超大模数齿轮，模数一般在80~100，由于缺乏齿轮理论指导，在强度计算上也没有相关技术标准，其设计、制造都非常困难；另外，由于小齿轮单齿要求承力500t以上，所以小齿轮的材质和热处理工艺也是一个很大的技术难点。
4.4安全可靠性由于升降系统的工况非常复杂，而且升降系统直接关系到整个平台的安全，所以在设计、制造以及检验过程中，对于升降机构传动系统的安全可靠性要求很高。
特别是一旦升降时制动器失灵，产生“飞车现象，则整个传动系统将由减速转变为增速传动，对设备和人员将成巨大伤害，后果不堪设想。
因此，需要研究设计出非常可靠的制动方式和设施才能满足需要。
4.5机构系统结构机构系统结构紧凑、重量轻由于受到工况和经济成本的限制，海洋平台上的设备要求体积越小越好，重量越轻越好。
5、结束语近年来,全球范围深水自升式平台主要用来开采3类油田,即深水深井(水深106.7m以上井深超过4572m) 、天然气井及边际油田。
如果未来几年在深水深井方面没有大的发现,则对深水自升式平台的市场需求会减弱。
开发天然气井需在天然气的输送与储存上投入大量资金,但不少发展中国家财力有限,也有虑及天然气泄漏污染环境的可能。
如果油价回落不能支撑边际油田的开发,市场需求会进一步减弱。
正面因素是,2000年以来,平均每年有3. 9 个平台由于运作年限过长而退出市场[3] [4]。
中国已是世界造船大国,海洋工程方兴未艾。
2006年5月31日,国内首座122m(400ft) 水深平台“海洋石油941”(JU-2000E设计型号) 在大连船舶重工集团有限公司建成,交付中海油服使用。
2007年9月3日,中国首座自行设计建造的齿轮齿条升降的自升式钻井平台“中油海5 号”,在青岛北海船舶重工有限公司竣工并交付使用。