海上工程钻探的几个关键技术

2016-09-15丁加宏钱植芳石友齐

西部探矿工程 2016年1期

关键词：锚泊水深深水

丁加宏，周　永，钱植芳，石友齐

（江苏省水文地质海洋地质勘查院，江苏淮安223005）

·石油与钻掘工程·

海上工程钻探的几个关键技术

丁加宏*，周永，钱植芳，石友齐

（江苏省水文地质海洋地质勘查院，江苏淮安223005）

海上风、浪、潮、流等诸多因素综合影响，使海上工程地质钻探环境复杂多变，不同海域的钻探作业环境相差很大，复杂海况使海上工程钻探面临较多技术难题，旨在通过几个关键技术的探讨，为海上工程钻探的施工提供技术支撑。

波浪补偿；钻探平台；钻探设备

海上工程钻探是查明作业海区海底地层类型、分布特征及其工程地质特性，分析、评价钻探基础的承载力，查明影响地基稳定性的不良工程地质现象及影响海底设施安全的灾害性地质因素。海上工程地质钻探技术是海上建筑物、海上结构物、海上采矿工作的重要基础，一直是多行业重视的内容，研究最多的是海洋科研机构与海上石油钻探领域。

1　波浪补偿技术

在离岸远、水深、水面宽阔海域，风大、涌浪大、流速快。据海洋观测资料，海上的风力比岸上一般要高1-2级。风助潮涌，波、涌浪的波长、波高也随离岸距离与水深在增大，海上波浪补偿技术是海上钻探工作的关键技术，是深水钻探技术的一个关键内容。

波浪补偿主要是升沉运动补偿，在海上使用浮式平台钻探时，平台易随波浪的运动而升沉，影响钻头与孔底的连续接触。

船舶波浪补偿技术原来是用于海洋船舶间吊装货物的补偿装置，船舶在深水区域吊装时可采取适当的补偿措施，减弱或消除波浪因素对货物下降与船舶升沉的碰撞影响。现在已运用到海洋钻探钻柱运动补偿、套管张紧补偿、铺管补偿和海洋采矿补偿等。

海上船舶波浪补偿系统有多种分类，按动力供应分主动型、被动型和半主动型。按补偿策略又可分为位移补偿型、速度补偿型和力补偿型。位移补偿型采用位移型升沉补偿策略，是以负载的升沉位移作为主要控制信号，补偿的首要目标是补偿对象的升沉位移为零。在升沉补偿的过程中，当负载受到一个较大的升沉位移扰动而偏离平衡位置时，负载以尽可能快的速度回到平衡位置；速度补偿型采用速度型升沉补偿策略，是以负载的升沉速度作为升沉补偿的主要控制信号，补偿的首要目的是补偿对象的升沉速度为零，其次才是升沉位移为零；力补偿型波浪补偿系统采用力补偿型升沉补偿策略，是以升沉补偿系统的输出力（或压力）作为升沉补偿的主要控制信号。主要补偿目标是要求升沉补偿系统的输出力（或压力）能保持相对恒定不变而不受平台船升沉运动的影响。

按海上钻探过程中的用途可分为钻柱波浪补偿系统、导向绳张紧补偿系统、套管张紧补偿系统、重物起吊补偿系统等。

目前用于海洋钻探方面的钻杆柱补偿，按安装位置和结构分为伸缩钻杆升沉补偿、游动滑车升沉补偿、天车升沉补偿、快绳（死绳）升沉补偿和绞车升沉补偿等5种型式。

2　钻探平台的锚泊定位

通常用于海上钻探的平台分为自升式平台和浮式平台。浮式平台按其泊位形式又分锚泊定位与动力定位。

海上钻探船舶平台通常受到3个力的作用，即船体水线以上部分所受的风力、船体水线以下部分所受的水流力、波浪引起船体纵向和横向倾斜时所产生的惯性力；自升式平台随着水深的增加，平台的结构就更复杂、稳定性受到较大影响，一般仅用于水深60m以浅。当前深水海洋钻探工程中，主要采用浮式平台（包括船舶平台、半潜式平台）。它们多数配有锚泊定位和动力定位2种定位系统。如“海洋石油981”选配大马力推进器及DP3动力定位系统和锚泊定位系统，在1500m水深内可使用锚泊定位。

（1）锚泊定位系统：是在一定海域内抛锚定位，操纵锚泊设备来实现平台船舶的精确定位，以满足工程作业需要。船舶海上锚泊定位，既要考虑风、浪、流的影响，还要充分考虑施工海域的水深、周围环境及障碍物的影响。由于锚泊系统具有投资少、可靠度高，使用、维修方便等特点，因而锚泊系统是目前海上工程船舶、钻探船、钻井船主要采用的定位系统。它较适用于水深600m以浅海域。超过600m水深海域，起抛锚程序复杂且耗时，经济消耗很大。

（2）动力定位系统：是一种可以不用锚泊而自动保持海上浮式平台位置的定位方法。采用动力定位的海上浮式平台，在海上钻探作业时不需要抛锚，这不仅减少了复杂的抛锚工序，而且工作的水深亦不受锚绳（链）长度的限制，可以在水深大于600m以上的深度进行工作。

3种方法都有自己的优点和局限性。使用锚泊的方法来定位时有较多优势，它目前仍是海上深水钻探操作的第一选择。只是水深太深（或一侧水深太深）或锚泊被禁止的一些区域才选择动力定位系统。综上所述，在较深水域，工程地质钻探施工首选的还是浮式平台和锚泊定位。

3　套管安装和维护技术

作为海上工程钻探系统中的关键设备，套管是整个海上工程地质钻探中重要而又薄弱的环节。套管的选型、结构、安装、维护的好坏直接影响到钻探作业能否顺利进行。可以说，在海上深水区域工程地质钻探过程中，套管的使用与钻探平台的选择具有同等的重要性。

由于目前国内对海上深水区域钻探开展的较少，深水区域的套管安装和维护技术重点是海洋调查钻探单位与海上石油钻井单位，深水区域的水流、海浪的规律及取样时的海况允许条件决定了工作方法。套管在海洋环境载荷（海流速度、海浪周期、浪高、暗流速度及方向等）状态下所受力的影响，套管承受4种循环载荷，包括海流引起的涡激振动、波浪、钻探平台的运动以及作业性动载荷等。对于深水套管的研究多从其作业状态影响因素分析、波流联合作用静态分析、响应参数敏感性分析、随机非线性动力分析以及其波致疲劳分析等方面研究，涉及的理论知识较深。典型的深水钻探套管系统包括有卡盘/万向节、分流器、上部挠性接头、伸缩节、套管短节、填充阀，升缩套管、浮力块、下部挠性接头、底部套管总成及套管接头等。也有使用无套管钻探施工的，它是在海底孔口处设置循环装置。套管以其外径、壁厚和材料等级分级，随钻探水深的增加，套管管壁越来越厚（抗挤毁、提高强度），长度越来越长（提高作业效率），材料钢级越来越高（提高屈服极限），接头强度越来越高（抗拉张力载荷），套管装卸速度要求越来越快，接头装置技术越来越复杂。

钻探套管连接形式主要有螺栓法兰接头、MR-6E 和MR-10R接头、QMFC接头、Breech-Block类型接头等。每一种接头技术均有其优缺点，适用工作水深与使用海洋环境条件有所不同。新型快速接头技术是减小非钻探时间的重要技术，国外注重这方面的研究投入。在工况相对较恶劣的海域进行钻探，螺栓法兰接头由于强度高，承受载荷能力强而为国内同行首选。

套管的维护主要是从其自身的强度、屈服值选择出发，增加套管的张紧系统、波浪补偿装置、浮力装置及挠性球铰装置等。

石油系统海上钻井使用的套管结构复杂，功能要求很多，材质、壁厚都较特殊。在水流拖曳力较大区域，应增加套管在海底接触段的强度、挠性接头及套管柱张紧与补偿系统的使用等。

4　钻探设备的选择

对于深水钻探设备的选型，是根据使用钻探方法、钻孔深度、施工海域的海况参数、海底上部及可能遇到的地质条件等因素综合考虑。所选钻机能力应保留较大的力量储备，以适应恶劣的海况环境的特殊性。根据不同的工作要求，目前用于海上钻探的设备类型，除海底取样钻机、声波钻机外，多是回转钻进设备。如转盘型、立轴型、动力头型3种钻机，目前国内海上工程勘探常用钻机型号见表1。用于海上的回转钻进方法较多的是立轴型、动力头型钻机，转盘型因其使用钻杆直径较大，钻塔较重，在中海油等系统海上油气勘探使用较多，海上工程地质钻探使用相对较少。

5　滩涂潮间带钻探平台

针对滩涂潮间带钻探。有多种式样的平台来完成滩涂潮间带钻探。有用吹填法或沙袋堆积形成人工岛平台，有用钢管架栈道连接式平台，有用整体导管架型平台等，海军某部在岛礁工程中使用登陆艇改装钻探平台，它的最大特点是自身双舱底，不怕搁浅作业。韩国设计一种自行浮式平台，可在水深0～4m内滩涂域钻探作业，也可在吹填池内作业，适用于淤质滩涂潮间带上部区域钻探。广东、福建等单位有使用竹伐、金属架充填泡沫浮球的浮子排、小浮箱拼装平台、小型双体船式平台。对于支腿式平台，有丝杠式、葫芦式、电动式、液压式4种起降方式拉升或下降平台，有的在支腿上安装震动器，利于支腿的插稳与起拔。有石油勘探单位设计了浮箱履带式水陆两用平台，用于水深0～3m间钻探。上述用于滩涂上的平台，有的搁浅作业、有的浮在水上作业，除支腿式平台，其他平台多要避开海浪的影响，等待潮水上涨平台浮起后借助外力移位，移位受潮水的影响。有资料介绍国外有使用水陆两用动力平台和气垫船式平台，具体使用范围与适用参数尚不清楚。