海洋油气钻采工程装备与技术 - 图文

海洋油气钻采工程装备与技术

调研报告

目 录

目 录 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 1 海洋油气开发概况 --------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1.1 世界海洋油气资源与开发 ------------------------------------------------------------------------------ 1

1.1.1 海洋油气资源储量 ---------------------------------------------------------------------------------- 1 1.1.2 海洋油气资源分布 ---------------------------------------------------------------------------------- 1 1.1.3 海洋油气产量 ---------------------------------------------------------------------------------------- 2 1.1.4 海洋油气勘探规律 ---------------------------------------------------------------------------------- 2 1.1.5 海洋油气勘探开发历程 --------------------------------------------------------------------------- 3 1.1.6 深水油气勘探 ---------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.1.7 海洋油气勘探开发展望 --------------------------------------------------------------------------- 4 1.1.8 结论与认识 ------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.2 我国海洋油气资源与开发 ------------------------------------------------------------------------------ 5 1.3 海洋油气开发特点 --------------------------------------------------------------------------------------- 6 2 海洋油气钻采装置 -------------------------------------------------------------------------------------------- 11 2.1 海洋油气钻采装置分类 -------------------------------------------------------------------------------- 11 2.2 水深的定义及钻采装置水深范围简介 ------------------------------------------------------------- 12 2.3 海洋钻采装置简介 -------------------------------------------------------------------------------------- 12 2.4 海上钻井装置的选择 ----------------------------------------------------------------------------------- 19 3 海洋油气钻井井口装置 ------------------------------------------------------------------------------------- 21 3.1 海上钻井井口装置的使用背景及特点 ------------------------------------------------------------- 21 3.2 井口装置的系统组成 ----------------------------------------------------------------------------------- 22 3.2.1 导引系统 --------------------------------------------------------------------------------------------- 22 3.2.2 防喷器系统 ------------------------------------------------------------------------------------------ 23 3.2.3 隔水管系统 ------------------------------------------------------------------------------------------ 24 3.3 海上钻井平台定位及升沉补偿装置----------------------------------------------------------------- 26 3.3.1 海上钻井平台定位 --------------------------------------------------------------------------------- 26 3.3.2 海上钻井钻柱升沉运动的补偿措施 ----------------------------------------------------------- 26 3.3.3 升沉补偿装置的结构类型与工作原理 -------------------------------------------------------- 27 3.4 各次开钻的施工及井口安装 -------------------------------------------------------------------------- 29 3.4.1 导管井段的施工 ------------------------------------------------------------------------------------ 29 3.4.2 表层套管井段的施工 ------------------------------------------------------------------------------ 30 3.4.3 其余各层套管井段的施工 ----------------------------------------------------------------------- 30 4 海洋油气生产设施 -------------------------------------------------------------------------------------------- 51 4.1 深海油气工程开发模式 -------------------------------------------------------------------------------- 51 4.2 海上生产系统 --------------------------------------------------------------------------------------------- 56 4.2.1 海洋采油概述 --------------------------------------------------------------------------------------- 56 4.2.2 固定式平台生产系统简介 ----------------------------------------------------------------------- 57 4.2.3 平台上的油气水处理系统 ----------------------------------------------------------------------- 58 4.2.4 单点系泊系统 --------------------------------------------------------------------------------------- 63

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4.3 海洋油气采油的选择 ----------------------------------------------------------------------------------- 64 4.3.1 采油选择的原则 ------------------------------------------------------------------------------------ 64 4.3.2 人工举升方式的选择 ------------------------------------------------------------------------------ 66 4.3.3 海上油田自喷期转入人工举升期的时机选择 ---------------------------------------------- 66 4.3.4 海上油田采油适用的人工举升方式 ----------------------------------------------------------- 66 5 海洋油气水下生产系统 ------------------------------------------------------------------------------------- 69 5.1 水下生产系统的组成 ----------------------------------------------------------------------------------- 69 5.2 采油树 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 70 5.2.1 采油树的主要功能 --------------------------------------------------------------------------------- 70 5.2.2 采油树类型 ------------------------------------------------------------------------------------------ 71 5.2.3 采油树设计与安装 --------------------------------------------------------------------------------- 72 5.3 管汇 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 73 5.3.1 管汇系统的组成 ------------------------------------------------------------------------------------ 73 5.3.2 管汇系统的功能 ------------------------------------------------------------------------------------ 73 5.3.3 管汇系统的设计与分析 -------------------------------------------------------------------------- 74 5.4 跨接管 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 77 5.5 脐带缆的设计 --------------------------------------------------------------------------------------------- 78 5.6 井口头的安装 --------------------------------------------------------------------------------------------- 79

海洋油气钻采工程装备与技术

第一章 海洋油气开发概况

随着社会经济的不断发展，人们对石油、天然气的需求日益增多。然而，到了20世纪末期，陆地上87%的石油储量已被开采。为了寻找新的油气资源，自20世纪40年代以来，许多国家把目光投向了海洋。

1.1 世界海洋油气资源与开发

1.1.1 海洋油气资源储量

全球海洋油气资源丰富。海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%，探明率30%左右，尚处于勘探早期阶段。据《油气杂志》统计，截至2006年1月1日，全球石油探明储量为1757亿吨，天然气探明储量173万亿立方米。全球海洋石油资源量约1350亿吨，探明约380亿吨；海洋天然气资源约140万亿立方米，探明储量约40万亿立方米。

各国深水油气勘探明储量

1.1.2 海洋油气资源分布

世界深水油气平面分布图

海洋油气资源主要分布在大陆架，约占全球海洋油气资源的60%，但大陆坡的深水、超深水域的油气资源潜力可观，约占30%。在全球海洋油气探明储量中，目前浅海仍占主导地位，但随着石油勘探技术的进步，将逐渐进军深海。水深小于500米为浅海，大于500

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第一章 海洋油气开发概况

米为深海，1500米以上为超深海。2000～2005年，全球新增油气探明储量164亿吨油当量，其中深海占41%，浅海占31%，陆上占28%。

从区域看，海上石油勘探开发形成三湾、两海、两湖的格局。“三湾”即波斯湾、墨西哥湾和几内亚湾；“两海”即北海和南海；“两湖”即里海和马拉开波湖。其中，波斯湾的沙特、卡塔尔和阿联酋，里海沿岸的哈萨克斯坦、阿塞拜疆和伊朗，北海沿岸的英国和挪威，还有美国、墨西哥、委内瑞拉、尼日利亚等，都是世界重要的海上油气勘探开发国。 1.1.3 海洋油气产量

海洋油气生产始于20世纪40年代，60年代为100万桶/天，2005年为2500万桶/天。据Mackay咨询公司统计，1992年世界海洋石油产量占世界石油总产量的26.5%，2003年已占到约34.1%，为12.57亿吨。2003年世界海洋石油产量比上年增长3.7%。产量增长最快的前三个地区依次是：中东、北美和南美。

在世界海洋石油产量中，北海海域石油产量及其增长速率，一直居各海域之首。2000年产量达到峰值，即3.2亿吨，随后逐渐下降。波斯湾石油产量缓慢增长，年产量保持在2.1～2.3亿吨，而墨西哥湾、巴西、西非等海域石油产量增长较快，年均增长超过5.0%，其中，墨西哥湾可能在未来数年超过北海，成为世界最大产油海域。 1.1.4 海洋油气勘探规律

1）海洋油气资源勘探水深

世界深水区钻井装置超过3000米水深、钻井能力达到1万米的钻井船有15艘，海上施工起重能力达到1.4万吨，水下焊接深度达到400米，深水铺管长度1.2万千米，水下维修水深超过2000米，深水区采油装置超过204座。2003年水下生产系统有2100套，2007年增加到5700套。

2）海洋油气勘探特点 ① 工作区环境特点

与陆地油气勘探相比较，海上的台风所形成的巨浪、狂风影响勘探工作进度，威胁勘探人员的生命和财产安全。

② 勘探方法特点

陆地上的油气勘探方法与技术在海洋油气勘探中都是适用的。但是，受恶劣的海洋自然地理环境和海水物理化学性质的影响，许多勘探方法与技术受到了限制。

③ 钻井工程特点

海上钻井工程设备的结构要复杂得多，海上钻井必须使用钻井平台。由于受海洋自然地理环境的影响，海上钻井工程要考虑风浪、潮汐、海流、海冰、海啸、风暴潮、海岸泥沙运动的影响。考虑海洋的水深、海上搬迁拖航等因素的影响，而陆地上钻井工程则无须考虑这些因素。

④ 投资及风险特点

海上油气勘探的投资大幅增加，一般是陆地油气勘探投资的三到五倍。勘探投资主要体

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海洋油气钻采工程装备与技术

现在海上钻井设备的设计与制造、海上钻井设备的搬迁拖航、海上油气的集输、海上钻井施工过程中的后勤补给、海上钻井工程技术人员的工资与保险等方面。这些勘探投资都要比陆地上大得多。

⑤ 海洋石油勘探优势

海洋地球物理勘探，由于交通便利和使用特殊的仪器设备，海洋油气勘探具有极高的工作效率。在海洋地震勘探中，地震船沿测线边前进边进行测量施工作业，施工作业效率比陆地地震工作效率高。

3）深水油气勘探规律

目前深水油气勘探效益较好的地区多位于被动大陆边缘盆地或与被动大陆边缘相关的裂谷盆地，且往往是浅水区及陆上勘探的延伸。油气储层常为白垩系或第三系，且多为第三系深水浊积砂岩。深水油气勘探常以发现大中型油气田为目标和寻找大中型圈闭。深水区开发和发现的多为油藏。勘探热点地区均具有一套与油气成藏密切相关的盐岩。盐岩及和盐有关的构造已成为当前构造及油气成藏研究的热点。 1.1.5 海洋油气勘探开发历程

1887年，在美国加利福尼亚海岸数米深的海域钻探了世界上第一口海上探井，拉开了海洋石油勘探的序幕。

1947年，在墨西哥湾钻出了世界上第一口海上商业性的油井，揭开了海底石油勘探与开采的新纪元。

1960年，在海上寻找油气资源的国家有20多个。20世纪80年代中期，已达100多个。勘探范围已遍及所有大陆边缘海区，发现了1600多个油气田，其中有200多个投入开采。

近年来，人类勘探油气的能力一年比一年强大，运用的开采技术一年比一年先进，而且大部分产油平台的水深已从200米以内增加到200～500米，并逐步向更深的海底转移。例如，挪威北海斯洛瓦油田的水深已达350米；美国墨西哥湾油田的水深超过500米；而巴西的海上油田更深，达到了1400米。

2005年，挪威最大的石油生产商，全球市值第十一大的上市石油公司Statoil ASA在油价持续高位、前途未卜的情况下决定加大石油勘探力度，从2004年的25亿挪威克朗增至40亿挪威克朗。 1.1.6 深水油气勘探

深水区油气资源的勘探开发受恶劣复杂的环境和储藏特性限制，具有“四高”特点，即高新技术、高风险、高技人、高回报。据《世界深水报告》资料，未来44%油气储量在深水中，而现在仅占3%，可见其潜力之大。

世界水深500米或超过500米的深海油气勘探开发始于上个世纪70年代，至2002年底，已发现470亿桶石油。据美国地质调查局和国际能源机构估计，全球深海区最终潜在石油储量有可能超过1000亿桶。2004年深海石油产量约可满足全球石油需求的5%，2010年深海原油产量可达850万桶/年(4.3亿吨/年)，可满足全球石油需求的9%。全球水深500～1500

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第一章 海洋油气开发概况

米的油气勘探已变成了多数海洋油气经营者重要战略资产的组成部分。如墨西哥湾，其深水区油气占有量从1990年的4%和1%，10年后快速升到64%和36%，发展速度较快。2004～2008年将是深海油气勘探的活跃期。

根据Offshore Resources资料，2001～2007年全世界投入的海洋油气开发项目将达到434个，其中水深大于500m的深水项目占到了48%，水深大于1200m的超深水项目达到了22%。采用浮式生产系统的项目达到了209个。亚太地区的开发活动仍以大陆架浅水海域为主，世界其他地区的开发活动己超出了大陆架范畴，主要集中在水深500m以上海域。随着大陆架油气资源的日益枯竭，向深海进军是大势所趋，深海平台技术已成为国际海洋工程界的一个研究热点。

巴西近海、美国墨西哥湾、安哥拉和尼日利亚近海是备受关注的世界四大深海油区。几乎集中了世界全部深海探井和新发现储量。据2003年底的统计，在已发现的深海储量中巴西有146亿桶，其中的5大发现就超过100亿桶，墨西哥湾有140个发现，储量达115亿桶 安哥拉近海有41个发现，储量95亿桶。尼日利亚的25个近海油田，储量达83亿桶。2004～2008年世界深海和超深海投资预测。预计未来五年，四大深海油区的石油产量将快速增长，估计到下一个十年之初，产量会陆续到达顶峰。

与大西洋盆地相比，东南亚的深海油气活动规模较小，对大型跨国公司的吸引力不及西非、巴西和墨西哥湾，但东南亚未来的潜在利益为寻找深海区块的石油公司提供了机遇。2005～2008年，马来西亚和印尼未来五年成为亚洲深海油气活动的主要地区。

目前，BP、巴西国家石油公司、挪威国家石油公司、埃克森美孚、壳牌、哈斯基、优尼科等公司从事深水区勘探开发工作，拥有深水勘探开发核心技术。 1.1.7 海洋油气勘探开发展望

随着世界经济的发展，能源需求不断增加。在市场需求压力和高油价的驱使下，未来全球海洋油气勘探开发将继续较快增长，投资不断增加，海上油气产量继续增长，勘探开采作业海域范围和水深不断扩大。

世界天然气水合物中的有机碳约占全球有机碳的53.3%，而煤、石油、和天然气三者之和才占到26.6%。其中，分布在陆地上的天然气水合物的最大地质储量约为5300×108吨，分布在海洋的最大地质储量约为1.61×1015吨。仅海洋中的储量就可以满足人类1000多年的需要。目前，世界有122个地区发现了天然气水合物，其中陆地33处，海洋84处，已海底取芯20多处。日本在日本列岛东南斜坡陆棚深海发现了大量可燃冰，钻探30多口井，局部试采成功，已制定了2015年商业开采计划。美国在墨西哥湾深海区发现了大量可燃冰，并制订了2016年商业开采计划。目前开采海底天然气水合物的最大难点是保持井底压力稳定，防止甲烧泄漏，避免引发温室效应。天然气水合物可能成为人类新的后续能源，将逐渐成为海洋油气勘探开发的新亮点。 1.1.8 结论与认识

① 海洋石油资源量占全球石油资源总量的34%，累计获探明储量约400亿吨，探明率

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海洋油气钻采工程装备与技术

30%左右，尚处于勘探早期阶段。

② 由于海洋特殊的环境，海上油气勘探的投资大幅增加，一般是陆地油气勘探投资的三到五倍。

③ 海洋油气勘探以海上拖缆地震勘探为主要手段。海上勘探阶段划分为初步勘探阶段和进一步勘探阶段。初步勘探阶段包括盆地评价、区块评价与圈闭评价、发现油气藏。进一步勘探阶段则以钻探井和评价井为主，以扩大含油气面积，增加和探明油气地质储量。

④ 墨西哥湾、西非及巴西等海域，将继续引领全球海洋油气勘探潮流，东南亚及澳大利亚大陆架海域、孟加拉湾、里海地区及两极大陆架地区等前景看好的海上新区将陆续投入勘探。发达国家勘探技术日渐成熟

1.2 我国海洋油气资源与开发

1）海洋油气资源储量及分布

我国管辖的海域面积约300多万平方公里，其中近海大陆架约130多万平方公里，蕴藏了丰富的油气资源。近海大陆架石油地质资源量约237亿吨，天然气地质资源量约15.8万亿立方米。我国南海深水海域及南沙群岛附近海域更是埋藏着丰富的石油资源。

我国海洋勘探处在早期阶段，近海海域油气资源主要分布在渤海湾、南黄海、东海、珠江口、莺歌海、北部湾、琼东南等七个主要盆地。原油只占储量的17.6%，天然气只占储量的11.9%。所以，中国海上油气资源的开发，主要还在浅水和近海海域。

渤海地区 珠江口地区 黄海地区 莺歌海、北部湾地区 东海地区 南海地区

中国近海油气资源的主要分布图1

2）海洋油气勘探开发现状

目前，我国近海已经形成渤海、东海、南海西部和南海东部四个石油天然气的生产基地。截止2005年底，我国近海海域在生产的油气田有46个，其中自营23个，合作23个。2005

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第一章 海洋油气开发概况

年，我国原油产量2789万吨，天然气产量60亿立方米。虽然我国在深海油气开发方面距世界先进国家还存在较大差距，但我国的深水开发技术已经迈出了可喜的一步，为今后走向深海奠定了一定的基础。2004年4月，中国国务院下文，打破国内石油天然气勘探开发的海陆分界线，允许中石油和中石化“下海”。在南海珠江口盆地，中海油通过与国外石油公司的合作，所开发的油气田已部分或全部采用了深海油气田的开发技术。

锦洲20-2气田 FPSO伴生气 FPSO伴生气 春晓气田 东方1-1气田 平湖气田 崖城13-1气田 荔湾气田

中国近海油气田的主要分布图2

3）海洋油气勘探开发展望

我国缺少必要的深海油气能源的钻探与开发装备，至今对南中国海的物探和开发处在空白状态。我国南海周边地区的国家，如菲律宾、马来西亚、泰国、印度尼西亚、越南与文莱等，每年在我国南中国海开采4000万吨海上石油（我国2008年才达到4000万吨海上石油），380亿立方米的天然气（相当于西气东输的两倍）。所以，我国大量的海上油气资源，极具勘探开发潜力。

1.3 海洋油气开发特点

由于海洋环境的特殊性，决定了海上油气田开发与陆上油气田开发有相当大的差异，对专业技术的要求有很大的不同，这主要是由客观环境的截然不同所决定的。主要有以下十个显著的特点：

1）自然环境恶劣

由于海洋自然环境与陆地完全不同，所以掌握海况条件对海洋石油开发尤其重要，根据国际通用的分类方式我们一般将海况划分为：海冰、海浪、潮汐、海流、热带气旋这几个海洋特殊环境状况，这几个都是可能导致海洋石油开发失败或不安全事故发生的自然主导因

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海洋油气钻采工程装备与技术

素。

海洋特殊环境引起不安全状况

2）平台工作空间有限

钻井和采油的活动空间狭小，一切设备都集中在一个或几个平台上，每个平台一般有2~3层甲板，每层甲板面积最大不过30m×67.5m。在如此有限空间内开发面积约数十平方千米的油气田，无论是开发方案还是工程设计都与陆上不同。

生产井口高度集中，井口距离最大2.5m×2.5m，最小的达到1.5m×1.8m，全部只能为定向井和水平井；开发过程中的调整井数受预留井槽限制；油井作业非常困难；工程设施小而全，除了与陆上油气田开发生产需要的设施外，还增加了生活，自救设施，因此给方案设计增加了难度，海上钻采绝不能走扩大空间的路子，只能大力精减队伍，加大装备技术含量，尽量缩减其体积和质量，以适应海上空间狭小的客观环境。空间的变化，给钻采作业带来了人员结构、装备、技术的深刻变化。由于空间狭小，设备布置紧凑，作业风险大，有时会因一些很小的事故而带来严重的后果。

海洋平台上部生产设施

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第一章 海洋油气开发概况

3）油气田建设装备工具复杂、科技含量高

由于海上作业要降低作业周期和成本，提高油气田的经济效益，因此，必须采用一些与陆地不同的高科技装备和工具，如使用钻井船（自升式或悬臂式）钻井，水下采油树、浮式生产储油轮、特大型浮吊，采用铺管船铺设海底管线进行油气水输送、采用大型吊车进行海上安装等。

由于海上油气田设备集中，地面和水下装备、工具、井下设施必须考虑防风浪、防雷电、防火、防爆、防腐蚀、防冰、防撞击等。

4）投资大、牵涉面广、管理难度大及未知领域多

海上石油工程项目大都属于大型作业，计划性非常强，方案需要预见性，但常常受多方面的影响，不确定性大；海洋气候的影响也很大，常常需要选择好的气候窗进行作业，工程管理难度大。因此，如果管理、协调不好，将会使项目各工序衔接出问题，造成巨大经济损失。例如有的项目需要从欧洲动复员大型浮吊，其日费用高达18万美元，加上其他费用，每天项目需要支付20多万美元，如果由于衔接和计划出现问题，大型浮吊到达地点后不能开始工作，出现闲置，并错过好气候窗，那么等待的时间可能很长。由于大型浮吊常常需要服务于多个项目，在一个项目造成耽搁，必然会影响另一个项目。另外，由于动复员的费用很高，也不可能先干别的项目，再来干这个项目。因此造成的损失难以估量。

由于海洋地域广阔，人类对海洋的认识非常有限，国家对海洋各领域投入的研究也非常有限，因此，对海洋石油开发来说，存在很多未知的领域。对海洋气候（如海浪、海冰与台风、季风）的综合作用，海底的地貌、地质及其变化规律等认识不足给油气田生产带来很大的问题。例如上海东海平湖油管线在岱山登陆段受海底地貌变化和海流的影响出现断裂，对油气田的生产产生巨大损失，也给海洋环境造成污染。由于对海底地质不了解，因此对钻井船和平台的就位和安装也将产生重大的影响。如泥底钻井平台容易移位。

5）采用低成本和技术创新的策略带来高风险

由于海洋石油投资巨大，用最低的成本去开发油气田，获得最大的经济效益，同时，能够将效益低的油气田投入开发是每个海洋石油企业追求的目标。另外，随着环境更恶劣和深海的油气田发现，需要不断采用以往没有使用过的技术。各方面的需要促进石油企业进行技术创新，并不断降低成本。这样也给海上油气田的开采带来更大的风险。

6）人员素质要求高

为保证油气田开发达到经济、安全的目的，需要各路人员技术全面且具有风险辨识和控制能力，以免出现重大事故。

在前期研究阶段，地质油藏人员需要比较准确的地质油藏描述，并判断其风险程度；钻完井和工程设计人员要结合地质油藏的需要找出经济可行，安全的工程方案。在建设阶段，工程人员要进行严格的项目管理，保证按时、按质完成任务，因此需要各方面人员具有丰富的知识和经验。在生产阶段，由于平台空间有限，技术和操作人员的数量受到限制，因此，需要这些人员技术全面。

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7）油气田寿命周期短

海洋环境对钢材有严重的腐蚀作用，海水中生存的大量生物和微生物，通过侵蚀或附着作用，会对钢结构平台的使用寿命产生影响。一般情况下，平台的安全寿命在20年左右，因此与陆地油气田不同的是要在平台寿命周期内尽可能多地将油气开采出来，必须在有限开采期内获得最高的采收率。

8）对交通运输的要求与陆地完全不同

海上钻井和生产平台远离陆地，即使是近海作业，其距离也在数十海里至数百海里以外。随着海上钻探从近海向深海发展，这个距离还将往远处延伸。人员出海作业，生活必需品，钻采装备、器材、和物资的供应，以及出现紧急情况时的紧急救援，都有赖于海上交通运输。因此，一支海上钻探队伍，需要配备一支能满足各方面需要的船队，包括具有输水、输油、输灰能力和载运钻井器材物资的三用工作船，保障海上安全作业的守护船、消防船，人员往返所需要的直升机和客轮。还有在特殊海域作业的特殊船舶，如冰区的破冰船等。海上交通运输是海上开发的命脉，没有完备的海上交通就不可能存在有效的海上各项作业。

9）陆地基地的支持保障及海上应急救助的特殊需求

基地的支持保障，包括陆地管理、生产作业指挥机关及生产与生活保障设施。与陆地最大的不同，是要与海上油气勘探开发规模相适应的港口、码头和船队，以便停靠和拖带钻采装备、储存和运送生产物资，以及为海上作业人员提供往返的交通工具。还有海上钻采不但距离陆地远，而且危及钻井人员生命和钻井装备安全的因素很多，属于高风险作业，因而海上救助和管理也成了陆地支持保证不可缺少的重要组成部分。海上救援涉及的方面多，从平台的防范，险情出现之前的预报，到险情发生后的及时救援，都是一个不可分割的系统工程。同时还需要得到社会诸多部门的帮助，彼此协同工作，形成整体力量。海上应急救助应当“养兵千日，用兵一时”，需要有健全的系统、完善的结构，并实行专门的管理。

10）海上生产设施安全管理和环境保护比陆上要求高

海上平台既是生产设施的基础又是人们生活的空间，也是从事一切海上活动的场所，一旦发生事故，没有逃生空间。所以对安全和环保必须有设备和制度的保证。同时，海洋钻井还要特别关注对海洋环境的保护。石油对人类来说，是现代经济的血液，对大海来说，却是污染海洋的毒液，灭绝海上生物的杀手。在海洋钻井中要十分重视石油以及其他钻井液体有可能对海洋环境造成的威胁，以高度的责任感防范和避免钻探作业给海洋环境造成的污染。

根据以上10点海洋石油开发的特点，海洋油气生产作业需要注意一下几点注意事项： ① 建立一套完善的海上气象预报系统，一个准确及时的天气预报系统能够极大的提高海上作业计划的落实率；

② 积极推行项目管理，所有的作业应当以项目思想来规划，从时间、人力、财力、物力等方面进行统筹；

③ 注重安全环保工作，严格的国家安全环保法律是海洋石油开发的重要特点； ④ 讲究效益应当具有全面性。海洋石油开发是个复杂的系统工程，应当从系统上考虑

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第一章 海洋油气开发概况

各个环节的整体效益；

⑤ 搞好地方关系。要重视并善于搞好与地方政府的关系，争取各方面的支持和配合； ⑥ 加强业务培训，海上石油开发面临很多崭新的开发技术和知识，应通过实施多种形式、系统的业务培训，尽快掌握海洋石油开发知识。

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海洋油气钻采工程装备与技术

第二章 海洋油气钻采装置

2.1 海洋油气钻采装置分类

海洋油气钻采平台分为两大类：

① 固定式平台：导管架平台（桩基式平台）、重力式平台（钢筋混凝土、钢结构、钢-钢筋混凝土重力式平台）；

② 移动式平台：坐底式平台、自升式平台、半潜式平台、牵索塔式平台、张力腿式平台、单柱式平台；

另外其他钻采装置还有钻井船（浅水SDS或深水DDS）、浮式生产储存卸货装置（FPSO）、海底采油树（SS）等。

海洋油气钻采装置

固定式平台 F-P

导管架平台 重力式平台 坐底式平台 BSP 自升式平台 Jack-UP 半潜式平台 Semi 牵索塔式平台 CT 张力腿式平台 TLP 单柱式平台 Spar

海洋平台分类

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海洋平台

移动式平台

第二章 海洋油气钻采装置

2.2 水深的定义及钻采装置水深范围简介

1）浅水范围有：

固定式平台（Fixed Platform，简称F-P ）

坐底式平台（Bottom Supported Platform，简称BSP ） 自升式平台（Jack-UP）

浮式生产储卸装置（Floating Production Storage Offloading，简称FPSO） 海底采油树（Subsea System，简称SS） 浅水钻井船（Shallow Drilling Ship，简称SDS） 2）深水范围有：

半潜式平台（Semi-submerged Platform，简称Semi） 牵索塔式平台（Compliant Tower，简称CT） 张力腿平台（Tension Leg Platform，简称TLP）

单柱式平台（Seagoing Platform for Acoustic Research，简称SPAR） 浮式生产储卸装置（Floating Production Storage Offloading，简称FPSO） 海底采油树（Subsea System，简称SS） 深水钻井船（Deep Drilling Ship，简称DDS）

水深的定义及钻采装置水深范围示意图

2.3 海洋钻采装置简介

1）导管架平台

导管架平台又称桩基式平台，是在软土地基上应用较多的一种桩基平台。由上部结构（即平台甲板）和基础结构（导管架结构和桩基础结构）组成。

上部结构一般由上下层平台甲板和层间桁架或立柱构成。甲板上布置成套钻采装置、辅助工具、动力装置、泥浆循环净化设备、人员的工作生活设施和直升飞机升降台等。平台甲

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海洋油气钻采工程装备与技术

板的尺寸由使用工艺确定。

基础结构（即下部结构）包括导管架和桩。桩支承全部荷载并固定平台位置。桩数、长度和桩径由海底地质条件及荷载决定。导管架立柱的直径取决于桩径，其水平支撑的层数根据立柱长细比的要求而定。在冰块飘流的海区，应尽量在水线区域（潮差段）减少或不设支撑，以免冰块堆积。对深海平台，还需进行结构动力分析。结构应有足够的刚度以防止严重振动，保证安全操作。并应考虑防腐蚀及防海生物附着等问题。导管架焊接管结点的设计是一个重要问题，有些平台的失事，常由于管结点的破坏而引起。管结点是一个空间结点，应力分布复杂；近年应用谱分析技术分析管结点的应力，取得较好的结果。

导管架平台

2）重力式平台

重力式平台是与桩基平台不同的另一种形式的平台。它不需要用插入海底的桩去承担垂直荷载和水平荷载，完全依靠本身的质量直接稳定在海底。根据建造材料的不同，重力式平台一般分为3种。

① 混凝土重力式平台：钢筋混凝土重力式平台是70年代发展起来的一种新型平台结构，目前主要用于欧洲的北海油田，这种平台具有钻井、采油、储油等多种功能，水深在200m以内均可采用，最佳水深在100-150m。该平台依靠自身重量维持稳定的固定式海洋平台。主要有上部结构、腿柱和基础三部分组成。基础分整体式和分离式两种：整体式基础一般是有若干圆筒形的舱室组成的大沉垫，沉垫也可采用平板分舱的蜂窝式结构，其侧表面可做成多波形或平板形；分离式基础用若干个分离的舱室做基础，它对地基适应性强，受力状况好，抗动力性能好，腿柱间距大，在拖航及下沉作业时较安全。

② 钢结构重力式平台：钢结构重力式平台属于分离式基础型，由钢塔和钢浮筒组成，浮筒也兼做储油罐。

③ 钢-钢筋混凝土重力式平台：上部结构和腿柱用钢材建造，沉箱底座用钢筋混凝土建造，可充分发挥两种材料的特性。

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第二章 海洋油气钻采装置

以上三种重力式平台适用于较浅海域。整体式基础多建造在密实的砂土上，避免建在松散或较厚的软土地基上。分离式基础由于基础面积视地质条件而定，立柱的间距随水深而变，故对地基和水深的适应性很强，可用于地质条件较差的场合。

重力式平台

3）坐底式平台

坐底式平台

坐底式平台通常有三部分组成：上体、支柱和下体。上体为钻井所需的平台甲板，平台

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海洋油气钻采工程装备与技术

上设置钻井设备、工作场所、储藏与生活舱室等；下体沉垫提供移动时所需的浮力；在上体和下体之间则是由若干支柱加以连接。当平台需钻井坐底时，在沉垫中打入压载水使之沉底，下体在坐底时支承平台的全部重量，而此时平台本体仍需高出水面，不受波浪冲击。在钻井完毕后，则排出压载水，使下体上浮，再进行移位。

4）自升式平台

自升式钻井平台(Jack-up)又称甲板升降式或桩腿式平台，由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。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。这种石油钻井装置在漂浮于水面的平台上装载钻井机械、动力、器材、居住设备以及若干可升降的桩腿。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

5）半潜式平台

半潜式平台（Semi）是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式平台，它从坐底式平台演变而来，由上体、立柱和下体或浮箱组成。上体为工作甲板，下体为两个下船体，用支撑立柱连接。此外，在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接，在下体间的连接支撑一般都设在下体的上方，这样，当平台移位时，可使它位于水线之上，以减小阻力；平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，供钻井工作用。

工作时下船体潜入水中，甲板处于水上安全高度，水线面积小，波浪影响小，稳定性好、自持力强、工作水深大，新发展的动力定位技术用于半潜式平台后，工作水深可达900～1200米 。半潜式与自升式钻井平台相比，优点是工作水深大，移动灵活；缺点是投资大，维持费用高，需有一套复杂的水下器具，有效使用率低于自升式钻井平台。

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第二章 海洋油气钻采装置

半潜式平台

6）牵索塔式平台

所谓牵索塔式钻井平台是指在海洋环境荷载作用下，围绕支点可发生允许范围内某一角度摆动的深水采油平台。牵索塔式钻井平台得名于它支撑平台的结构如一桁架式的塔，是一种细长的框架结构，沿高度方向的横截面一般不变，该塔用对称布置的缆索将塔保持正浮状态。在平台上可进行通常的钻井与生产作业。原油一般是通过管线运输，在深水中可用近海装油设施进行输送。

牵索塔式平台

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第三章 海洋油气钻井井口装置

3.2 井口装置的系统组成

水下井口装置通常是在地面上预制成三大组合：导引系统，防喷器系统和隔水管系统。在海上作业时，用快速连接器将两个组合连接起来。水下安装要有一套远程遥控操作系统。必要时还要有潜水作业装置或水下机器人操作。

钻井井口装置示意图

3.2.1 导引系统

导引系统包括：井口盘、导引架、导引绳及其张紧装置。导引系统是整个水下井口装置的基础。

井口盘是第一个被安放在海底的圆饼形部件。中心开孔，孔内有与送入钻具配合的“J”槽。用于确定井位，并固定水下井口。井口盘上一般有两条临时导引绳。在平台上，将井口盘与其送入工具连接，送入工具上接钻柱，不断接长钻柱就可将井口盘下放到海底，倒转钻柱可退出送入工具，并起出钻柱。井口盘依靠巨大的重量固定在海底，这就确定了海底井口的位置。

导引架结构有四个导引柱，每根柱上有一根永久导引绳。有的导引架上还固定有水下摄影或水下电视系统。导引架固定在导管上，并随导管一起下入。下入时，依靠井口盘上的临时导引绳，准确进入井口盘的内孔，并将导引架坐在井口盘上。然后将井口盘上临时导引绳割断。井口盘和导引架固定后就成为一口井永久组成部分。

永久导引绳的一端固定在导引柱上，另一端固定在平台上。由于平台随海水运动有上下升沉运动，所以导引绳将忽紧忽松。松弛时显然起不到导引作用，张力太大，又有可能将张紧绳拉断。所以需要有恒张力装置来张紧导引绳。导引绳也是利用气液弹簧原理提供恒张力的。导引绳通过复滑轮系统缩短气液弹簧的液缸活塞行程。

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海洋油气钻采工程装备与技术

3.2.2 防喷器系统

防喷器系统是水下井口装置的核心部分，主要包括：万能防喷器、剪切闸板防喷器、半封闸板防喷器、全封闸板防喷器、四通及压井防喷管线、防喷器控制操作系统等。

防喷器系统

万能防喷器 液压连接器 剪切全封防喷器 全封防喷器 双联半封防喷器 液压连接器

防喷器系统各部分组件

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第三章 海洋油气钻井井口装置

防喷器组一般采用3~5个防喷器，通过连接器与套管连在一起。整个防喷器组外面有框架，框架的套管套在导向绳上。

① 最顶部是两个万能防喷器（也称为多效能防喷器，或球形防喷器）。优点：万能防喷器可以抱紧任何尺寸的钻柱，可抱紧钻铤，钻杆本体或接头，套管，电缆，钢丝绳，甚至可以全封。缺点：万能防喷器承受压力的能力有限，不能承受很高的压力。所以，万能防喷器仅仅在闸板防喷器不能起作用的时候使用。

② 半封闸板防喷器是防喷器的主要部分。在出现井喷溢流时，它可以抱紧钻杆本体，封闭钻杆外环形空间。通过上下两个半封闸板防喷器的配合，可以在井喷溢流情况下，强行起钻。

③ 全封闸板防喷器，是当井内没有钻柱并需要关井时使用。

④ 剪切闸板防喷器的使用环境：在井内有钻柱，遇到台风或其他紧急情况，需要立即撤离平台，又来不及起钻，这时使用剪切闸板迅速将井内钻柱剪断，平台即可撤离；发生井喷事故，井喷流体从钻柱内孔喷出，此时为了紧急控制，使用剪切闸板迅速将钻杆挤扁，封住内孔，制止井喷。

⑤ 压井和放喷管线，自四通接出，一直延伸到平台上。压井放喷管线应该具有补偿平台运动的功能，所以要有伸缩管或高压软管部分。

⑥ 防喷器系统的控制操作通常是用电力、气动和液压系统组成。液压管线汇集起来形成“管束”，捆绑在防喷器框架上，引向平台的软管绞车上。液压能量由平台上的储能器提供。平台上的控制部分，一般有电动和气动控制系统。电动控制简单、迅速，所以一般情况下尽可能使用电动控制。在发生井喷的情况下，不允许使用电的时候，就要使用气动控制系统。

为起下方便，在地面上将防喷器系统的各部分组合成一个整体。防喷器框架有四个导向筒，四根永久导向绳分别穿入其中，引导防喷器系统准确地下放并与导引系统上快速连接器连接。

3.2.3 隔水管系统

隔水管系统处在防喷器系统的上面。隔水管系统的主要作用：引导钻具入井，隔绝海水，形成泥浆循环的回路；隔水管系统还要承受浮动平台的升沉和平移运动。隔水管系统包括：伸缩隔水管，隔水管，弯曲接头，张紧装置等。

1）伸缩隔水管

处在井口装置的最顶端，由内管和外管组成。内管可在外管内轴向滑动，从而补偿钻井平台的升沉运动。一般长约 15 ~ 16m 。伸缩行程10m 。根据我国沿海的潮差及波高情况，行程以长 14m 为宜。

2）隔水管

隔水管系统的主体，使用16-24英寸直径的钢管做成，单根长度一般为15-16米，两端有公母接头。单根之间依靠公母接头配合连接，连接时只要将母接头套入公接头并下压，公接头上的钢圈即可进入母接头的槽内并互相锁紧。

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海洋油气钻采工程装备与技术

隔水管的长度取决于海水的深度。显然在海水很深的情况下，隔水管系统的重量将很大。在自重作用下，隔水管可能被压弯；另外，隔水管在海水中受到海水运动的作用，要承受很大的横向力，也会使隔水管弯曲。所以隔水管系统需要张紧。隔水管系统的张紧装置，原理上与导引绳的张紧相同，但需要的张紧力更大。海水越深，隔水管越重，则需要的张紧力越大。此张紧力最终要施加到浮动钻井平台上，增大平台的吃水量。为了减小张紧力，可在隔水管管外面贴上一层厚厚的泡沫塑料，或隔水管外系以铝制浮筒（筒内充以高压气体），以便增大在海水中的浮力，减轻隔水管系统的重量。

3）弯曲接头

弯曲接头处在隔水管系统的最下端。弯曲接头的作用，补偿钻井平台的平移和摇摆运动。目前使用的弯曲接头以球形挠性接头为主，此接头装在隔水管柱的下部，允许弯成一定角度，以使隔水管适应浮动钻井平台或船的摇摆、平移等运动。目前常用的有以下几种结构形式：

① 压力平衡式球形挠性接头

通过球的转动来适应浮船的转动。一般允许转动的角度是10度，许用载荷是 370t ，可与直径 406.4 ~ 609.6mm 直径的隔水管配合使用。压力平衡式就是用海水压力或泥浆压力来平衡球接触面处所承受的向下压力或向上拉力。海水或泥浆进人液缸推动活塞、加压油液，送入球接触面处，既可实现平衡，还可进行润滑。

② 多球式挠性接头

也是采用压力平衡原理．只是将单球改成三个球。整个接头分成三段，每段一个球，允许转动角度为3度，相对于钻杆的曲率半径约11m 。由于采用多球，大大降低了每个球体的磨损。

③ 万能挠性接头

上下各有一个轴承及转环 。隔水管柱的拉力通过上转环，由上轴承承受，压力由下轴承承受，中间为球体。泥浆压力通过球体可部分导给转环。球体本身不承受轴向载荷，只起封严泥浆作用。此种挠性接头许用载荷可达560t。专门用于工作水深达 1800m 的深水中，允许转动角度10度 。

4）快速连接器与张紧器

快速连接器是连接水下井口装置各大系统之间的重要工具。由于这种连接是在水下，距离遥远，所以要求结构简单，动作迅速，连接可靠。如图所示为液压卡块式连接器，由卡块、卡爪及液压缸、活塞等组成。卡块与液缸活塞连为一起，活塞上下运动则卡块也上下运动。卡块向下则推动卡爪抱紧下连接件。

一般均用液压张紧器，装在钻台腿上。有导向绳张紧器及隔水管张紧器两种，分别用以张紧导向绳及隔水管。利用高压气液储能器的液压推动活塞，随平台的升沉而放长或收短钢丝绳，以保持导向绳及隔水管的张力恒定。以下二图分别为导向绳张紧器及隔水管张紧器的布置图。

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第三章 海洋油气钻井井口装置

3.3 海上钻井平台定位及升沉补偿装置

3.3.1 海上钻井平台定位

① “定位”的含义。

主要包括：浮动平台航行定位、浮动平台钻井定位、浮动平台漂移定位。前两种是导航定位，后一种是防止平台漂移采取的方法是锚泊定位或自动动力定位。

② 漂移率：是指平台横向漂移量A与平台所在位置的水深h的比值，以ε表示。即ε=A/h。 ③ 对平台定位的要求。

在工作期间，必须做到ε<5％，最好做到ε<3%；在停止钻井作业或准备工作期间，应做到ε≤10％；当ε>10%时，钻井平台必须与隔水管、井口装置脱开，处在撤离状态。

④ 浮动平台的定位方法。

浮动平台定位的方法有两种：锚泊定位，自动动力定位。 ⑤ 锚泊定位系统。

海上钻井平台必须采用多根锚缆不同方向扩展进行系泊，这种系泊方法称作扩展锚系。常见的扩展锚系型式：八点锚系、九点锚系、十点锚系。锚系型式选择：根据风浪荷载的方向、大小及出现的频率和平台形状。

所有锚系锚缆分布相对于平台纵轴是对称的。平台对来自船头方向的风浪抵抗能力较强。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利的海况方向。

⑥ 动力定位系统

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。初期动力定位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。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。

动力定位系统由三部分组成：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。

3.3.2 海上钻井钻柱升沉运动的补偿措施

1）增加伸缩钻杆

这种办法是在钻柱的钻铤上方加一根可伸缩的钻杆。伸缩钻杆由内、外管组成，沿轴向可作相对运动，行程一般为 2m 。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艇则基本不作升沉运动。因而可保持钻压

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海洋油气钻采工程装备与技术

恒定，同时还可避免平台上升时提起钻艇，平台下沉时压弯钻柱。

伸缩钻杆存在的问题：

① 钻压不能调节。增加伸缩钻杆后，钻压大小取决于伸缩钻杆以下的钻铤部分重量。因而不能随岩层的变化调节钻压。

② 承载条件恶劣。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上下运动，使防喷器的芯子反复摩擦，对于作业不利。

2）增设升沉补偿装置

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，缸体与游动滑车相连。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、整个钻柱的重量由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，以控制钻柱的拉力，随时调节井底钻压。 3.3.3 升沉补偿装置的结构类型与工作原理

1）游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置 结构

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 活塞下面的液压所支承。

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；其上端的气体通过管线与储气罐相通。这样，液缸中液体压力由储能器中气体压力所决定。调节气体压力即可以改变液体压力。

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。

工作原理

正常钻井时：大钩悬挂的钻柱总重量Q，井底钻压W和补偿装置的液缸中的液压PL间的平衡关系式如下

2PLAP?W?(?Q)?0

将 Q ＝q L 代入上式，则可得

PL?qL?W 2AP式中，q为每米钻柱的重量， N / m ；L为钻柱的全长， m ；Ap为补偿装置的液缸中的活塞面积，m2 。

上式说明：

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第三章 海洋油气钻井井口装置

① 为了保持钻压，只要保持液缸中的液体压力 PL为一定位值即可；而为了调节钻压，只要调节储能器中进气压力即可。

② 为了实现自动送进，只要调节液缸中液体压力 PL，使2PLAp 略小于整个钻柱的悬重，并使液缸中活塞行程大于升沉位移即可。

2）天车上装设的升沉补偿装置 结构 ① 浮动天车

② 主气缸，它是支持浮动天车用的，相当于大型弹簧，共四个。 ③ 液缸，共两个。

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。

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，主气缸中气体压缩或膨胀，相当于一个大弹簧，而天车及大钩基本保持不动，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，使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趁绳．使浮动天车上行至最高点，然后再继续自动进尺。

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，使其一端固定在隔水导管上，另一端自井架外边引至浮动天车上，经滑轮后，再连到钻台的滚筒上。这样，传感绳随钻台运动而放松或缠紧。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。

3）死绳上装设的升沉补偿装置 结构

主要包括：定滑轮组、动滑轮组、液缸、高压储能器、低压储能器、控制台等。 工作原理

借助调节储能器中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，而且管线短，

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海洋油气钻采工程装备与技术

密封少，不需用高压胶管，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，它不需要特制井架及天车，游动滑车及大钩也是通用的。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。

3.4 各次开钻的施工及井口安装

3.4.1 导管井段的施工

使用底撑式钻井平台钻井，导管井段的施工一般有两种方法。一种是用打桩机将导管打入海底，这种方法适用于海水较浅，导管较短的情况；另一种，在海水较深时，可以先下钻用钻头钻出导管井段的井眼，然后下入导管，并注水泥封固。钻进时采用海水作为洗井液，钻屑随海水返至海底。

使用浮动钻井平台钻井时，导管井段的施工要复杂得多，也有两种做法。 1）分步法

按如下施工步骤进行：

① 下井口盘，建立海底井口。将井口盘接上送入工具，然后接钻柱下放，钻柱上套有导向臂。井口盘上有四根临时导引绳，并穿过导向臂的导引孔，也随着下钻而下放。下钻到海底后，坐牢井口盘后，退出送入工具，起钻。

② 钻导管井段的井眼。通过临时导引绳，下入带有钻头的钻柱，准确进入井口盘的内孔，并向海底钻进。钻进时采用海水作洗井液，有进无出，打进的海水带着钻屑返回到海底，钻达预定深度即可起钻。

③ 下导管并注水泥。通过临时导引绳，将导管下入，导管的上面接导管头，并装上导引架，导管头内接上送入工具，再接钻杆，用钻杆将导管及导引架送入到海底，导管进入井眼，导引架坐在井口盘上。在钻台上通过钻柱向井内打入泥浆并循环洗井，然后即可注水泥固井，不仅封固导管，而且多余的水泥浆返至海底，将井口盘和导引架牢牢地固定于海底。退出送入工具并起钻，并割断临时导引绳。

④ 下入隔水管系统。通过永久导引绳，将隔水管系统下入，并利用快速连接器与导管头连接。

2）一步法

一步法将分步法中的前三步合成一步。在平台上先将导管下入水中，上部接导管头与导引架连接，导管头内接送入工具，再接钻柱。

如果海底地层较硬，则要使用钻入法。可以在钻柱下接钻头，并下入穿过导管，送入工具仍然接在导管头处。通过下钻即可将导管和导引架下入海底。当钻头接近海底时，用钻头钻出导管井段的井眼。当导引架接触海底时停止钻进。然后即可进行注水泥固井，将导管外注水泥封固，多余的水泥浆返至海底，将导引架与海底牢牢固定在一起。然后退出送入工具并起钻。下一步就是下入隔水管系统，与分步法的第四步相同。

一步法施工可以省去井口盘。当海底地层较软时，可是用喷射法。在导管的最下端接有

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第三章 海洋油气钻井井口装置

喷射头。当导管的最下端接近海底时，即可开泵用海水进行喷射，冲出导管井段的井眼。 3.4.2 表层套管井段的施工

对底撑式平台，导管井段施工之后，导管延长到平台上并起到隔水管的作用，以后各次开钻的施工基本上与陆上钻井相同。

对浮动平台钻井，表层井段的施工具有很大的特点，可分为两种情况：一种是在表层地层中没有浅气层；一种是有浅气层。

1）表层没有浅层气的情况

如果在表层地层中没有浅气层，则导管井段施工之后，可以不下隔水管系统，按如下步骤进行：

① 通过永久导引绳下钻，带26英寸的钻头，进入导管内进行钻进，然后起钻； ② 下入20英寸的套管。套管顶部接套管头，上接送入工具，再接钻杆，将套管送入到预定深度，套管头坐在导管头上；

③ 通过钻杆进行注水泥固井，然后退出送入工具，循环泥浆将多余的水泥浆冲走； ④ 起钻后，在表层套管头上安装防喷器系统和隔水管系统；进入下一次开钻。 2）表层存在浅层气

如果表层地层中有浅气层，则较为复杂。

由于此时还没有表层套管，所以无法安装防喷器系统，钻进浅气层是在没有防喷器情况下进行，具有一定的危险性。所以必须要有隔水管系统，能够进行循环，将地层流体有控制地引导到平台上进行处理。在隔水管的顶部要安装“旋转防喷器”，实际上是一个可进行边喷边转的防喷器，不过耐压较低。

为了补偿钻柱在井口处的摆动和弯曲，在旋转防喷器下面接了一个球接头。旋转防喷器的环形芯子，依靠液压力抱紧钻柱，返出的泥浆从溢流口流出。

问题在于：隔水管的直径为16～24英寸，一般多使用20英寸隔水管。而钻表层套管井段的钻头直径为26英寸，不可能从隔水管内通过。为了解决此问题，可使用可张钻头。此类钻头的三个可张牙轮在张开之前直径较小，可以通过英寸隔水管，张开之后直径可达26英寸。

3.4.3 其余各层套管井段的施工

由于海上井口装置结构复杂，尺寸和重量巨大，需要占很大的空间，所以一个钻井平台上一般只具备一种尺寸井口装置。这一种尺寸的井口装置，要兼顾各层井眼的需要，常用的是与20英寸表层套管配合的20英寸防喷器和隔水管系统。

为了施工方便，节约平台面积，海上钻井的套管程序基本上是不变的，即：30英寸导管，20英寸表层套管，13 3/8英寸和9 5/8英寸的技术套管，7英寸生产套管。

钻进各层套管的钻头分别为：36英寸，26英寸，17 1/2英寸，12 1/4英寸，8 1/2英寸。 表层套管井段施工完后，整个井口装置已经完整安装。其余各层(技术和生产)套管井段的施工基本上相同。

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海洋油气钻采工程装备与技术

在井口装置安装方面还要注意以下事项：

① 每层套管固井之后，要下入套管头密封总成，以封闭两层套管之间的环形空间。 ② 每层套管在固井之后重新开钻时，必须先在套管头内安放防磨补心，以保护套管头内的台肩免受钻头和钻具的碰撞。

③ 每层套管井段钻进完后，在下入下一层套管之前，要先将上层套管头内的防磨补心取出。

④ 各层套管头的密封总成和防磨补心的安置或取出，均需要用专用工具并按照严格的施工程序进行。

如果地层压力层系较多，且可能有很高的产层压力，在钻完17.5英寸井眼之后，根据产层压力，确实需要更高压力的防喷器，可更换13.375英寸防喷器。但要注意这种更换是非常复杂非常麻烦的。

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第三章 海洋油气钻井井口装置

第四章 海洋石油完井介绍

4.1 完井概念

笼统的讲，完井是指裸眼井段钻达到设计深度后，使井底和油气层以一定的结构方式连通起来的整个作业工艺。完井又可细分为钻井完井和生产完井。

1. 钻井完井： 如果是套管完井，它包括从钻井作业开始，直到完成全部固井、CBL测井作业结束为止的全过程。如果是裸眼井完井，它包括从钻井作业开始，直到钻完裸眼井段，替入油层保护液，并完成电测作业为止的全过程。

2. 生产完井：从钻井完井作业结束之后，根据油、气、水井生产工艺要求，所进行的与井身结构建设、油气层保护、生产管柱设计、直至投产作业结束，其间一系列的作业过程叫生产完井。

3.钻井井身结构 为了确保安全顺利地钻达目的层，钻井过程中所采用的某种套管柱组合结构形式叫井身结构。典型井身结构，如图--1所示。

钻井转盘平面 套补距 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨

油层射孔段 图-1 井身结构示意图

①方补心；②-套管头；③-导管；④-表层套管；⑤-表层套管水泥?

⑥-技术套管；⑦-技术套管水泥环；⑧-油层套管；⑨-油层套水泥环；

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导套表管管层 技术套管 人工井底油层套管完钻井深 海洋油气钻采工程装备与技术

1.导管：井身结构下入的第一层套管，用来隔离海水和地表淤泥层，以利于钻井作业，一般使用30”套管，下入深度泥面以下大约50M左右。

2.表面套管：井身结构中的第二层套管，下入后立即用水泥固井，水泥返至地面，一般使用20”套管，下入深度一般为几十米至几百米不等。

3.技术套管：表层套管与油层套管之间的套管叫技术套管。在钻到目的层之前，用来隔离在钻井途中可能遇到的其它油、气、水层、漏失层和易坍塌层等复杂地层，以利钻井顺利作业。一般使用13-3/8”套管，下入深度和固井水泥返高，根据现场实际情况而定。

4.油层套管：井身结构中最内一层套管叫油层套管，用来封隔目的层中的油、气、水层，射孔后为长期开采目的层的油、气、水层提供通道。一般使用5-1/2” ~9-5/8”套管，下入深度根据现场实际情况而定。固井时一般要求水泥返高至最上一层油、气层顶部以上200?250m。

4.2 渤海地区油田防砂完井主要作业工艺简介（以“一趟管柱作业，多层防砂”技术为例）

4.2.1 主要作业程序：

1) 作业前的准备工作

施工设计—由项目经理组织完井监督编写，它应包括现场主要施工作业步骤设计（含安全内容）、地质射孔方案设计、完 井液体系配方设计以及作业设备、器材 准备清单等。

2）刮管洗井（参见图—2）

这是正式作业的第一步。为了 最大限度的降低油气层的污染，渤 海地区的防砂井要求射孔前彻底 清洗套管。一般采用几种不同性 能的清洗液，确保最后清洗后的 返出液在半小时内的连续浊度值 （NTU）≤30μm（“浊度值”可以 用专门仪器测得）。

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用不同的清洗液清洗

套管闸门 返出（赃）液 （要求连续30分钟NTU?30） 钻杆 套管 钻头 人工井底 井内赃物

图—2 套管清洗示意图

第三章 海洋油气钻井井口装置

3）测井射孔/返涌

根据地质射孔方案设计，由有关专业公司进行测井射孔。先将已组装好的负压射孔管柱下到待射孔井段。然后将测井电缆下入钻杆内寻找井下短套管上的同 位素源位置（或寻找某个短套管接箍位置），再对照原来已录取的测井曲线图进行分析校正，将射孔枪精确对准射孔段后射孔/返涌(参见图-3)。 测井电缆 同位素源 安全接头 射孔封隔器 (尚未坐封） 吸震器 负压阀 点火头 射孔炮眼 套管 钻杆 投点火棒射孔

同位素源接头 测井仪

射孔封隔器（已坐封） 图-3a 射孔管柱测井定位示意图 图-3b 射孔管柱射孔示意图

4)再次刮管洗井：

刮洗射孔后产生的内矛刺并洗井/压井，以便下步安全作业。 5)下防砂管柱总成

6) 泵送砂浆作业（参见图-5）

这是整个作业过程中技术性最强、作业气氛最紧张的一道工序。作业时要

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求现场完井总监和防砂工具工程师亲临现场。在泵送砂浆的过程中，司钻、井口作业工、泵工和泥浆工，应紧密配合，严格服从现场完井总监指挥。 7)下生产管柱

根据生产管柱设计要求，将各部件依次连接下入井里。 8) 安装井口采油树

按照施工设计的采油树安装方向安装采油树，并根据设计要求对采油树试压安装好的采油树必须完全具备正式安全生产的要求。 9) 投产

按照投产方案的总体设计，在投产小组统一指导下，由现场完井监督和平台有关人员共同负责组织有关的服务厂家对电路、流程检查确认后开泵（机采井）投产或直接开井（自喷井）投产。

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第三章 海洋油气钻井井口装置

4.3 渤海油田典型生产管柱示意图 4.3.1.自喷井生产管柱 1. 适用范围 有自喷能力的高温/高压 控制管线 油、气井; 注入管线 油管挂 安全阀 化学剂注入阀(任选) 油管 伸缩接头 滑套（任选） 锚定密封接头 密封件 封隔器 堵塞器座 NO-GO接头 （已碎）玻璃盘 带孔管 点火头 射孔枪 油（气）层 人工井底 合采自喷管柱(非防砂油/气井) 36

2. 优点 管柱安全； 3. 缺点 a.管柱结构比较复杂； 因是合采生产,因此,若 是多个油气层合采，很 难准确了解各层的实际 生产情况; 4.操作注意事项 a.下入管柱时，轻轻地将 密封件插入密封孔内， 防止损坏密封件； b.下生产管柱时,应特别注 意避免安全阀以上的两根管子相互缠绕而(可能)损坏安全阀控制管线; c.定期检查和更换控制盘 内液压泵上的滤网, 防 止赃物堵塞控制管线； d.若安全阀本身不带平衡 机构，打开安全阀之前， 必须先给油管内打平衡 压力；否则，将损坏密 封件和有关运动部件； e.正常情况下，油井允许 安全阀泄漏400cm3/分 钟；气井允许安全阀泄 漏15立方英尺/分钟；

b. （已发火）

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油管挂 安全阀控制管 油管 井下安全阀 套管 滑套 密封定位器 密封件 封隔器 堵塞器座 NO-GO接头 导向头 生产筛管 人工井底 合采自喷管柱(防砂井/非防砂井)

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1.适用范围

有自喷能力的、低温油、 气井;

2.优点

管柱结构简单、安全；

3.缺点

因是合采生产,因此, 很难 准确了解各层的实际生产 情况;

4.操作注意事项 a. 生产管柱应略在压缩状态下座井口，以补偿油管收缩可能带来的密封问题；

b. 轻轻地将密封件插入密封孔内，防止损坏密封件；

c.定期检查和更换控制盘 内液压泵上的滤网, 防 止赃物堵塞控制管线； d.若安全阀本身不带平衡 机构，打开安全阀之前， 必须先给油管内打平衡 压力；否则，将损坏密 封件和有关运动部件； e.正常情况下，油井允许 安全阀泄漏400cm3/分 钟；气井允许安全阀泄 漏15立方英尺/分钟；

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油管挂

油管 安全阀控制管线 井下安全阀 滑套 密封定位器 密封件 封隔器 滑套 生产筛管 分层密封接头 堵塞器座 NO-GO接头 NO导向器—GO 接头

人工井底 分采自喷管柱（防砂井/非防砂井）

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1. 适用范围 有自喷能力的、低温、需要分采的油、气井。 2. 优点 管柱结构简单、安全；因为可以分采，因此，在一定的范围内有利于合理调节各层的产量，满足生产要求； 3. 缺点 分采的层数越多，使用的滑套（或其他分采工具）越多,为了达到分采的目的，需要进行频繁的钢丝作业，这样，不仅钢丝作业量大，而且增加了事故的可能性； 4. 操作注意事项 a.分层密封接头的长度不得 短于2m； b. 生产管柱应略在压缩状态 下座井口，以补偿油管收 缩可能带来的密封问题； c. 轻轻地将密封件插入密封 孔内，防止损坏密封件； d. 定期检查和更换控制盘内液压泵上的滤网, 防止赃物堵塞控制管线； e. 若安全阀本身不带平衡机 构，打开安全阀之前，必 须先给油管内打平衡压力, 否则，将损坏密封件和有 关运动部件； f. 正常情况下，油井允许安 全阀泄漏400cm3/分钟；气 井允许安全阀泄漏15立方 英尺/分钟； 海洋油气钻采工程装备与技术

油管挂 安全阀控制管线 油管 油管 井下安全阀 偏心工作筒 （任选） 伸缩接头 滑套 滑套 双管封隔器 堵塞器座 带孔管 油 NO-GO接头 层导响器 定位密封接头 密封件 固定式封隔器 堵塞器座 油 带孔管 NO-GO接头 层 导响器 人工井底 双管自喷分采管柱（非防砂井） 39

1.适用范围 在层间干扰大或各层之间压力相差比较大、无法使用普通单管分采管柱获得最佳生产效益时，可以采用这种双管自喷生产管柱； 2.优点 a.在同一口井里,可以充 分利用各层的不同地层 能量自喷生产,以便获 得最佳生产效益； b.有利于分层测试； 3.缺点 管柱结构复杂，现场施工难度大；生产时，如果两根管柱的温度相差较大，温度低的那根管柱将影响温度高的那根管柱的产量； 4.操作注意事项 a.下生产管柱时 ,应特别注 意避免安全阀以上的两根 管子相互缠绕而(可能)损 坏安全阀控制管线; 轻轻地将密封件插入密封 孔内，防止损坏密封件； c.定期检查和更换控制盘内 液压泵上的滤网, 防止赃 物堵塞控制管线； d.若安全阀本身不带平衡机 构，打开安全阀之前，必 须先给油管内打平衡压 力,否则，将损坏密封件 和有关运动部件； e.正常情况下，油井允许安 全阀泄漏400cm3/分钟；

b.

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4.3.2.机采管柱

油管挂 控制管线 控制管线 井下安全阀 放气阀 动力电缆 电缆穿透器 电缆封隔器 油管 套管 泄油阀 单流阀 电潜泵总成 封隔器 生产筛管 人工井底 普通电泵合采管柱（防砂井） 40

1.适用范围 任何可以混采、气油比不超过电潜泵适用范围的油井,都可以使用这种机采管柱； 2.优点 管柱结构简单、安全； 3.缺点 a. 每起一次管柱,都必须对电缆封隔器进行撤卸/维修/组装，需要花费不少人力物力； b. 对某些特殊井或深井，考虑到今后起管柱时的安全，应将电缆封隔器尽可能下得深一些，并在其上部安装循环滑套（图中未显示）。这样，又增加了现场作业难度； 4．操作注意事项 ．下生产管柱时,应特别注意避免电缆封隔器以上的两根控制管线相互缠绕而(可能)损坏控制管线; b. 若安全阀本身不带平衡机构，打开安全阀之前，必须先给油管内打平衡压力，否则，将损坏密封件和有关运动部件；

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油管挂 1.适用范围

动力电缆 生产油管 套管 泄油阀 单流阀 电潜泵总成 封隔器 生产筛管

人工井底 简易电泵合采管柱（防砂井）

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静液面确实已位于泥面以 下的油井;

2.优点

管柱结构非常简单；

3.缺点和操作注意事项

因管柱结构太简单（未装井下安全阀和电缆封隔器）,不符合海上机采井的安全要求。因此，只有在完全确认该井静液面确实在泥面以下时，才能作为一种临时机采管柱使用；

第三章 海洋油气钻井井口装置

油管挂 控制管 控制管 动力电缆 井下安全阀 放气阀 电缆穿透器 电缆封隔器 油管 泄油阀 单流阀 电潜泵总成 锁定/丢手密封接头 密封件 封隔器 滑套 生产筛管 分层密封接头 套管 油管 堵塞器座 NO-GO接头 导响器 人工井底 丢手分采电泵管柱（防砂井）

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1. 适用范围

需要分采而又无法使用‘Y’管柱的、适合于电潜泵机采的小套管井都可以使用这种管柱；

2.优点 a. 在小直径套管里使用电潜泵的条件下,仍然可以满足分采

的要求； b. 管柱安全、可靠；

3.缺点

管柱结构比较复杂，现场作 业难度大；

4.操作注意事项

a.插入丢手管柱时,严禁猛提猛放,防止损坏密封件;

b.分层密封接头的长度不得短于2m;

c.严防井内落物； dd.下生产管柱时，应特别注意避

免电缆封隔器以上的两根控制管线相互缠绕而(可能)损坏控制管线;

e．若安全阀本身不带平衡机 构，打开安全阀之前，必须 先给油管内打平衡压力，否 则，将损坏密封件和有关运 动部件；

f．正常情况下,油井允许安全阀

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油管挂 控制管 动力电缆 油管 井下安全阀 放气阀 电缆穿透器 电缆封隔器 ‘Y’接头 堵塞器座 电潜泵总成 带孔管 定位密封接头 封隔器 滑套 油管 分层密封接头 生产筛管 堵塞器座 NO-GO接头 导响器 人工井底 ‘Y’接头电泵分采管柱（防砂井）

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1.适用范围

用于随时需要分采、分层测试的电潜泵机采的井;

2.优点

a.在采用电潜泵机采的情况下,仍然可以满足适时分采 和随时测试的工艺要求; b.管柱安全;

3.缺点

管柱结构复杂，现场作业难度大；

4.操作注意事项

a.下入管柱时，轻轻地将密封 件插入密封孔内，防止损坏 密封件；

bb.分层密封接头的长度不得短 于2m;

c.下生产管柱时,应特别注意 避免电缆封隔器以上的两 根控制管线相互缠绕而(可 能)损坏控制管线;

d.若安全阀本身不带平衡机 构，打开安全阀之前，必须 先给油管内打平衡压力，否 则，将损坏密封件和有关运 动部件；

e.正常情况下,油井允许安全阀 泄漏400cm3/分钟；气井允

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毛细管 油管挂 动力电缆 油管

套管 电潜泵总成 毛细管总成 封隔器 生产筛管 人工井底 电潜泵毛细管管柱（防砂井）

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射流泵管柱

1.适用范围

一般来说，只要原油地层粘度不太高、或油气比太高而不适宜使用电潜泵的油井、大斜度井和水平井都可以使用射流泵生产； 2.优点

a.设备简单;

b.适用于大斜度井和水平井; c.现场施工作业容易； 3.缺点

a.因处理液量大，海上平台上很难大规模使用；

b.为了使产量和举升高度能与地层能量匹配，喷嘴、喉管的设计型计算和调参难度大；

c. 效率低，一般不超过30%； 4.工作原理

高压动力液从油管泵入（虚箭头所示），因喷嘴和喉管直径、喷嘴和喉管之间的环形空间都很小，动力液在喷嘴前端、喷嘴和喉管之间的环形空间以及喉管内形成高速流动低压区（即高压动力液通过喷嘴时将势能--压能，转换成了高速液流动能）。因此,高压地层液(相对于喷嘴/喉管处的低压区而言)被吸入喉管内（见实箭头所示），并和动力液混合进入扩散管区。这时,液混合液速度降低，压力升高（即动能转换成举升液柱的压力能），因此，混合液被举升到地面(见半边箭头所示)。

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第三章 海洋油气钻井井口装置

4.3.3.水源井管柱

水源井管柱（防砂井）

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油管挂 4”油管 动力电缆

电潜泵总成 13-5/8”套管 7” 套管 封隔器 水层 生产筛管 人工井低

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