专利名称：新型Spar深海石油勘探采油工程平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及深海油气勘探、采油工程，特别涉及一种我国自主创新研发的同时具备勘探及采油功能的世界先进的新型Spar深海石油勘探，采油工程平台。I.本发明与传统同类平台不同，Spar平台分成勘探及采油两款，具有不同的设计方案。勘探平台移动频繁，故将平台底部没入水中，下面安装螺旋桨动力定位推进装置，免去系泊装置，从而集自航，拖带和定位于一体，降低了造价和施工难度，并提高了 Spar的灵活性。采油平台在一处作业时间很长，可达15年左右，若下面安装螺旋桨装置，以动力定位，则造价昂贵，且营运成本大大上升(每台每日多用油达15吨左右)，故将采油平台底部设计成脱离水面，安装系船索，以降低营运成本，勘探与采油二用则是本发明核心技术。 2.本发明Spar平台安全可靠性好，无条件稳定本发明的Spar平台在水线面以上是较低的操作平台，受风面积小，下部是长数百米的筒体，分内、外两层壳体，内壳体全部为耐压壳体，装有布置紧凑，合理的所有钻杆、隔水管及套管，外壳上部为耐压壳体，其余部分通大气，筒体下部是装有数万吨压载(沙岩或铁矿石)的泥浆罐。这种结构独特新颖，使中央井受到保护，遇到外力或风浪不易碰撞，更主要是它使Spar平台重心位置设计成远低于浮心，这是传统半潜式平台难以做到的，它能确保整个Spar平台无条件稳定,能抵御和抗击百年一遇的特大风浪，在任何情况下能安全可靠工作。3.深海勘探采油全过程液压起重、液压回转、计算机自动控制，节省能源，效率高，成本低，深海勘探的海洋深度在3000米上下，钻井深度要达到12000米上下，对钻杆及隔水管的布置、运作、接杆、下放全过程的方案设计事关平台工程的创新性，工作效率和安全质量，本发明Spar平台选用合适长度、直径、壁厚、材料的钻杆及隔水管，采取紧凑的圆形布置，都在行车吊钩可及之处，钻杆的对接与松开由液压起重机械手操作，计算机控制，钻杆及隔水管的旋转到达井口中心是由液压回转装置偏心运转，即由液压泵，液压马达及一对齿轮及偏心轮的偏心回转装置按序送至井口位置再下放对接，并由中央控制室自动控制操作。由于筒体体积小，自动化水平高，因此工效高，又能节省能源，降低成本，噪音低，安全可靠。此外，传统平台隔水管直径比本发明隔水管大一倍左右质量大，总计约万吨左右需要加浮筒，而本发明的隔水管总质量不到1000吨，而且在水中其质量与空气中相同，浮力为零达到平衡或浮力可以调整，正负均可，起吊方便。4.井口布置新颖，具有双重控制阀门，防海水进入隔水管和油泄漏。沉入海床的隔水管，外围用水泥固定一则起定位锚作用，二则海水进不了隔水管，海底的井口及隔水管外壁也用水泥混凝土堆积，而且海底井口在海底上方(比传统井口放在海底下方)维修方便。本发明Spar平台有二处井口及二个阀门，一处在水深3000米处，另一处在筒体下方，双重控制的阀门能有效防止油的外溢，提高Spar平台安全可靠性，同时出油方便，除海底出油外，也可在筒体下部井口处出油，其压力可小10倍，装油管方便，比在海底出油省90%费用，此外隔水管发生故障能自动关闭阀门，防止油外溢。
5.先进的螺旋浆动力定位装置Spar勘探平台下面安装的螺旋桨动力定位推进装置采用柴油机(或电动机)通过高弹性联轴节带动360°全回转对转桨(或串列桨)推进装置，360°全回转机构由电动机和减速机完成或由液压马达和减速齿轮完成，节油10-14%。这是国内外最先进的动力定位装置。综上所述，本发明属深海油气勘探，采油领域，根据当前国内外勘探采油平台现状与技，结合我国深海实际，参考国内各高等院校和科研院所关于水动力，强度分析，系泊系统方面的学术论文，创造性的设计了本Spar勘探采油平台的整体方案、结构框架，机械设备，理论计算资料及近百张图纸，使我国在深海石油勘探领域迈上世界先进水平。
背景技术：
从上世纪70年代开始，英国和挪威建造了首座半潜式石油平台用于深海采油，其结构是采用重物压在容器上形成一定吃水深度，缺点是水线面以上的上层建筑高大，从水线面到吊车顶部高达百余米，重心位置偏高，抗风浪能力较差。世界上现有Spar 19台，第一台Spar于1997年问世，最后一台2009年完工，均由美国研发设计，其建造则在美国、芬兰等不同国家进行，除一台在南海作业外，其余均在墨西哥湾作业。从技术结构看，第一代经典型7座，第二代桁架型9座，第三代小管型3座。从上世纪70年代开始，我国设计自升式，半潜式和座底式钻井平台。我国现有的海油981号半潜式钻井平台是从美国买来图纸，经708所改装设计，由外高桥船厂花费60亿建造的，已赴南海。我国先后由天津大学、哈工大、大连理工大学等高校对Spar的技术作了理论上探讨，发表了多篇论文，主要是水动力及运动分析，疲劳强度及概念设计等方面；此后上海交大对平台动力响应，系泊系统，疲劳分析，平台构件作用，垂荡板，侧板设计研究及浮力罐、支架的碰撞问题，Spar总体布局的研发取得了很大成就。中国船舶科研中心对Spar水动力，随机疲劳强度分析和系泊系统等作了深入的试验研究，其中包括Spar水动力，波浪荷载,运动响应,定位系统运动和受力测量,涡激振动，水动CFD预报及结构响应分析，结构及疲劳强度分析，遥控水下机器人试验，深潜救生艇，尤其对Spar平台风载和流载的测试研究，垂荡板，侧板优化研究及Spar平台风浪中水动力数值模拟和水池试验作了大量富有实效的试验研究取得大量第一手数据，资料。可惜的是上述传统技术现有的国内外Spar钻井平台均未做到勘探及采油分别设计，均靠缆索抛入海底拉住平台，此外，水线面以上的上层建筑偏高，布置较乱，半潜式平台的重心在浮心之上，遇到大风大浪其安全可靠性存在一定问题，曾经发生过半潜平台边箱进水失事的灾难，引起平台侧翻事故和其它漏油事故。不仅如此，传统Spar平台钻杆长度及布置不尽合理，工作效率有待提高，水下采油装置密封性有待改进，如康菲公司发生渤海湾泄漏事故及墨西哥湾英国BP公司漏油事故。
发明内容
在中国船舶科研中心对Spar深入试验基础上，上海海乐应用技术研究所(建于1985年，至今已有26年历史)对Spar系船索具随机疲劳寿命进行预估，完成了计算书50多份，设计图近百张，除了中国船舶科研中心和海乐应用技术研究所对Spar继续进行水动力，结构疲劳强度和产油区地质，海况气象研究外，目前已转入方案设计阶段，正着手研发中国特色的勘探采油平台。本发明深海石油勘探采油平台分开设计，其中勘探平台包括带有吊机和螺旋桨动力定位推进装置的海上勘探平台及沉入深海长达数百米的筒体及压载舱组成的勘探平台。海上勘探平台包括近百米见方的平台，是操作和控制勘探工程的主要工作场所，平台为哈夫式通过绞链固定，由液压系统中油缸头和油缸固定套定位，平台上方有柴油发电机房，液压泵房和配电房，并配有在箱体左右两边轨道上运行的吊车，吊车的导向轮可以180°回转，使吊车在任意方向均能起吊，操作灵活便捷；平台的前方是总操作控制室，自动控制勘探采油全过程。平台另一边是餐厅和娱乐场所。海上勘探平台安装6台螺旋桨动力定位推进装置，包括柴油机(或电动机)通过高弹性联轴器与上箱体液压离合器(或气压离合器)控制上箱齿轮啮合与分离。除离合器外还有液压泵(或气泵，其他气源)控制器，冷却器，上箱齿轮由中间轴带动下箱齿轮及对转浆(或串列浆)其360°全回转机构可由电动机加减速机或液压马达加减速齿轮完成，节油10 14%，必要时可配电动升降或液压升降，使螺旋桨既可在平面内360°回转，又能上，下升降，作三维运动，使平台运行方便，以取代传统的缆索定位方式，这是目前国内外最 先进的动力定位推进装置。沉入深海数百米的筒体包括外层和里层，其中里层舱口处有液压油缸和舱口加强环，里层有钻杆舱、控制舱、套管舱、隔水管舱、中间是隔水管导口，其中隔水管分固定海底隔水管和可浮隔水管，筒体中上部有管系电缆孔，再下部是水密隔舱、油水泥管路；筒体下部是压载舱，筒体底部有水密闸门，环形接头，一个井口，井口上有油井控制间，油管对接口，水泥浆流出口，再下部接隔水管到海底另一个井口，与筒体底部井口相同，故总共有二处井口及控制的阀门，有效防止油外溢，二处都可出油，筒底出口更方便且节省出油费用。海底井口为钢结构，外面为混凝土堆积层，再下面是海床隔水管也用水泥周围固定，起定位锚作用。筒体下部的压载舱装有数万吨压载(沙岩或铁矿石等)，筒体的外壳分上下部分，上部是耐压壳体，下部通大气，各剖面外围都有T型钢加强，除保证足够强度外，还保护中央井不碰撞。筒体、钻杆、隔水管材质优良，耐腐蚀、寿命长，总之除筒体布局新颖紧凑外，更主要是Spar平台重心远低于浮心，无条件稳定，并能抗击任何风浪袭，工作安全可靠。筒体内的钻杆、隔水管为圆形垂直放置，均在行车吊钩可及之处，上面的抓紧器由行车计算机控制，钻杆的对接与松开，悬挂在筒体内由液压起重机械手操作，通过行车导向轮使抓紧器下降，其尖头插入钻杆后钻杆被抓牢，抓紧器由抓紧器控制箱自动控制钻杆运行及抓牢，只要I 2分钟就可以拆一根钻杆，钻杆的接头减少2/3成本低，钻杆及隔水管的旋转所需的动力是由液压回转装置偏心运转，即由液压泵，液压马达及一对齿轮和偏心轮的偏心回转装置按序送至井口中心再下放对接，齿轮表面硬化，内齿圈氮化处理，强度提高，噪音低，可靠性提高，整个过程由中央控制室自动控制操作，自动化程度高，也可用卫星定位。当隔水管一节一节下放后，钻杆再在中间也一节一节下放，直达海底，隔水管头部有特殊钻头，当隔水管达到预定海底深度后，这只钻头可从隔水管抽上来，如遇岩石钻不下去或钻头损坏，可以抽上来换，钻头采用片状拆装式，只需更换钻齿，更换方便，勘探效率大大提闻。
此外其立式钻井装置可由钻井浮筒(包括隔水管智能浮筒)用于拖曳或沉入海底，通过钢壳由船底串至顶部铰车上。整个勘探平台筒体下沉与拖曳方便，由于结构新颖故平台与筒体对接分离方便。采油工程平台包括固定在平台顶部浮出水面的平台，除了免装螺旋浆动力定位推进装置外，其余部分与勘探平台相似，在此不再详述。下部中间为钻杆舱平台，水下部分有浮力舱和浮力管，接近底部为压载舱，在压载舱上部，浮力舱及浮力管的中部配有多层制荡板用于防止风浪摇摆及上下震荡，制荡板为方形，其数量可以减少，上面压碎石也可，其材质耐腐蚀，强度好，寿命长。综上所述本发明Spar深海石油勘探、采油工程平台布置紧凑，合理新颖，整个操作过程高效，有序自动化，并且节省能源，降低成本，安全可靠，总体水平高于国内外传统平 台。
下面结合附图，详细描述本发明实施例以便更清楚了解其目的，特点和优点。图I是本发明Spar深海石油勘探工程平台侧视示意图；图2是本发明Spar深海石油勘探工程平台俯视及其一剖面示意图；图3是本发明Spar深海石油勘探工程平台筒体侧视示意图；图4是本发明Spar深海石油勘探工程平台筒体下部及海底部分侧视示意图；图5是本发明Spar深海石油采油工程平台侧视示意图；图6是本发明Spar深海石油采油工程平台中剖面示意图；图7是本发明Spar深海石油勘探采油工程平台俯视吊装示意图；图8是本发明Spar深海石油勘探采油工程平台钻杆侧视示意图；图9是本发明Spar深海石油勘探工程平台螺旋浆动力定位结构示意图；图10是本发明Spar深海石油勘探工程平台偏心旋转动力装置示意图；为了清楚起见，所有附图中相同的符号表示相同的部件和结构。
具体实施例方式参看图I ;本发明Spar深海石油勘探工程平台包括固定在平台顶部的大型吊车I1，平台3工，安装在平台3工下部的螺旋浆动力定位推进装置6，7，8，位于中间沉入海中的筒体9，压载舱10。参看图1，2，9，10平台3工上部有餐厅15工，娱乐房15IA，总操作控制室H1配电房161；柴油发电机房171;行车181;在平台3工两边轨道1%上运行，平台3工为哈夫式铰接固定，靠液压系统的油缸头12，油缸固定套13定位，平台左中部有液压泵舱11，液压缸21，筒体9上部的旋转平台装置包括油泵65，液压马达66，齿轮67，68及偏心齿轮69，平台3工下面安装多台螺旋桨动力定位推进装置，包括柴油机(或电动机)8，高弹性联轴器7，液压(或气压)离合器58、控制器59、冷却器60，其360°全回转机构包括电动机(或液压马达)61，减速器62 (或大小齿轮63，64)。参看图1，3，沉入海中的筒体9包括内壳9工，外壳9Π，其内壳％上部包括舱口加强环20，液压缸21，中间为钻杆隔水管舱，从I-I剖视看包括钻杆舱23，钻杆24，控制舱25，套管舱26,隔水管导口 27,隔水管22,隔水管22包括固定海底隔水管22工,可浮隔水管22π筒体中部2-2剖面处有管系电缆孔28，3-3剖面处为油水泥管路29，筒体下部为泥浆罐10，通大气里面是压载舱，筒体9底部有水密闸门SO1环形接头、油井控制间32工油管对接口331;水泥浆流出口 33ia。参看图3，4，筒体9下部井口 32工与隔水管22连接，井口 32工上部有大气软管34，是气，油压、电管路，筒体9底部的井口 32工与海底井口 32π相同，此处不重复。周围有水泥混凝土堆积层32 s。参看图5,6,本发明Spar深海石油采油平台包括平台顶部浮出水面的平台3Π,平台3Π上有吊车1π，餐厅15π，柴油发电机房17π，中间为钻杆舱23 ;平台3Π的水下部分包括浮力舱40、浮力管41，接近底部中间装有多档制荡板42，最底部为压载舱43。参看图3，5，7，平台3Π前方为总操作室14π，行车18π在平台3Π两边轨道19π上运行，吊车I11的钢索具有可回转180°的导向轮36使起吊灵活方便，任意方向均能作业；钻杆舱23内放置多根钻杆24，沿圆周排列，第一根钻杆24对准井口中心，钻杆舱23内的钻杆24通过抓紧器35把钻杆24抓紧，钻杆的旋转则由液压回转机构包括油泵65，液压马达66，齿轮67，68及偏心齿轮69自动按序运送到井口中心，抓紧器35通过抓紧器控制箱37来控制钻杆24的运行与抓牢，通过导向轮36使抓紧器35下降，其尖头插入钻杆24以后再由钻杆舱23升上的钻杆24在部件39处全部被抓牢，并由卡环38锁紧。参看图5，8，本发明Spar深海石油采油平台钻杆舱23上部为起吊工作室44，办公室45，配电间46，通过工作走道47可到达机房48，机房下部是水密空间舱49和50，其侧板及加强梁确保钻杆舱23的强度，钻杆舱下面大部分空间安放多根钻杆24，其舱壁较厚，一 是确保钻杆舱23足够水密与强度，二是起到降低整体重心作用，钻杆舱23下部有大气空舱51，隔舱板52，钻井操作舱53，钻井动力舱54，钻杆及隔水管自动焊接抛光工作室55，钻杆自动抱紧动力间56及大流量快速压紧泥浆舱57。
权利要求
1.新型Spar深海石油勘探采油工程平台是一种分别具备勘探和采油功能的工程平台，其中包括勘探平台和采油平台； (1)Spar深海平台分勘探和采油两款，其中勘探平台包括吊机、液压起重，液压回转及螺旋浆动力定位推进装置的海上勘探平台及沉入深海长达数百米的筒体及压载舱组成的平台，免去系泊装置，集自航、拖带和定位于一体；采油平台包括有吊机的平台，浮力舱、浮力管、制荡板、压载舱和钻杆舱组成，采油平台设计成脱离水面，安装系船索； (2)Spar深海石油勘探采油平台在水线面以上的结构受风面积较小，水线面以下是数百米长的筒体和压载舱，筒体分里，外两层，里壳体全部为耐压壳体，沿圆周有序布置所有钻杆、隔水管、套管，外层上部为耐压壳体，其余部分通大气，筒体下部装有数万吨的泥浆罐，里面是数万吨的压载，这种结构不仅新颖，紧凑，更主要使Spar平台重心运低於浮心，达到无条件稳定，能抵御百年一遇特大风浪，此外中央井不易碰撞受保护； (3)本发明Spar深海勘探采油平台井口设二个，一个在筒体下面，另一个在数千米的海底，分别设二处阀门，这是双重控制，达到双保险，可有效防止油外溢污染海面，同时出油方便，费用省(指筒体下部井口出油)此外海底及沉入海床隔水管用水泥堆积，海水不能进隔水管，此外隔水管设计独创重量轻，浮力可以调整达到平衡，发生故障自动关闭止漏； (4)钻杆与隔水管采用紧凑的圆形垂直放置，全部在行车吊钩可及之处，钻杆的对接与松开由液压起重机械手操作，通过行车导向轮使抓紧器下降，插入钻杆并由抓紧器控制箱控制运行及抓牢，计算机控制，钻杆与隔水管的旋转由液压回转装置即液压泵，液压马达和一对齿轮，偏心轮的偏心回转装置按序送至井口中心再下放对接，并由中央控制室自动控制操作，也可用卫星定位； (5)Spar勘探平台下面安装的螺旋桨动力定位推进装置包括柴油机(或电动机)通过高弹性联轴器带动360°全回转对转桨(或串列桨)推进装置，其360°全回转机构包括电动机和减速机或液压马达和减速齿轮，整个推进装置也可以电动或液压升降使螺旋桨可作三维运动。
2.如权利要求I所述Spar深海采油平台其浮力由浮力舱、浮力管、压载舱、制荡板等组成，其制荡板为方形结构，其数量可以减少用碎石压在其上，制荡板耐蚀，强度高。
3.如权利要求I所述Spar深海勘探采油平台其钻杆的钻头为片状可拆装式，损坏时只需更换钻齿，更换方便，工效高，节省成本。
4.如权利要求I所述Spar深海勘探采油平台其立式钻井装置可由钻井浮筒(包括隔水管智能浮筒)用于拖曳或沉入海底通过钢壳由船底串至顶部铰车上。
5.如权利要求I所述Spar深海勘探平台其平台为哈夫式铰接结构故与筒体的对接方便可靠，分离方便，维修简便。
全文摘要
新型Spar深海石油勘探采油平台分别具有勘探和采油功能，其中勘探平台采用360°全回转对转桨(或串列桨)动力定位推进装置，采油平台安装系船索，这是高效、节能灵活的Spar方案。Spar平台的重心设计成远低于浮心，无条件稳定能抵御和抗击百年一遇特大风浪。钻杆及隔水管布置紧凑新颖，便于液压起重机械手操作，并由液压回转机构偏心轮按序送至井口中心下放，对接，全部由中央控制室自动控制。本Spar平台采用双井口及双阀门控制，海底井口及海床隔水管密封严密有效防止海水进入及油的泄漏。出油方便，费用大降。筒体结构为双层，强度高，有效保护中央井工作安全可靠。综上所述新型Spar深海平台总体水平高于国内外传统平台。
文档编号E21B15/02GK102644453SQ20111036930
公开日2012年8月22日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者海飞, 王国良 申请人:上海市虹口区海乐应用技术研究所