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打通“咽喉” 挺进深海??宝石机械海洋钻井隔水管系统工程化纪实
来源:中石协      发布时间:2018-09-17     分享:

打通“咽喉” 挺进深海

——宝石机械海洋钻井隔水管系统工程化纪实

中石协[2018-09-17]


海洋钻井隔水管是深海油气勘探开发的重要装备,也是决定深水钻井成败的关键因素之一。作为连接海底井口和海面钻井平台之间的“纽带”和“咽喉”,隔水管对整个海洋钻井装备起着承上启下的重要作用。

6月26日,由宝鸡石油机械有限责任公司牵头承担的“十二五”863计划课题“海洋深水钻井隔水管系统工程化研制”,在北京顺利通过国家科技部组织的专家验收。这标志着该公司已成功突破并掌握了这种高端装备的关键核心技术,成为全球少数具备设计制造海洋深水钻井隔水管能力的企业。

从“无”到“有” 挑战极限

深水油气资源的勘探开发难度不亚于载人航天,因此,必须要有航天工程那样的高精尖技术。

“隔水管结构貌似简单,却被国际公认为是海洋钻井装备研发的难点与重点。”宝石机械公司研究院院长王定亚介绍说,海洋钻井隔水管其实是由伸缩节、隔水管主管、挠性接头和底部隔水管总成等一系列具有不同结构特点和使用功能的设备组成的复杂系统,除了用于隔离外界海水、提供钻井液循环往返通道、支撑辅助控制管线、引导钻杆钻具外,还是下放与回收防喷器组等水下设备的载体。近年来,随着海洋勘探技术的不断进步,国际上这种产品适应海水深度的能力已超过3600米。

海上无风三尺浪,深海区更是台风频繁,海底坡度大、地形崎岖。由多根组件安装连接而成的钻井隔水管,工作时就像一根插入深海水域的“银针”,既要受海流、海浪、浮力、海水外压、平台移动、自身重量等载荷的作用,又要受内部钻井液压力、钻杆摩擦、张紧拉力等多种因素的影响,受力之复杂,是任何陆上钻井装备望尘莫及的。

由于深海地质条件复杂,油气勘探开发技术难度和投入呈几何倍数增长。因此,尽管对海洋钻井隔水管的研究早在20世纪60年代中期就已开始,但核心技术一直被欧美等发达国家垄断。

为改变我国海洋石油勘探装备和技术相对落后的局面,2008年以来,具有引领我国油气钻井装备行业研发制造方向实力的宝石机械公司,先后两次牵头承担国家863计划“深水钻井隔水管系统技术研究”和“海洋深水钻井隔水管系统工程化研制”课题,并在工信部相关项目和中国石油集团的支持下,攻坚克难,从无到有,逐步将国产隔水管适应海水深度的能力推进至3000米。

由“浅”入“深” 突破瓶颈

2007年之前,我国深海钻井隔水管系统的研发基本处于空白,产品全部依赖进口。在此情况下,国产隔水管要实现由浅水到深水、超深水的跨越,谈何容易?

面对研发经验几乎为零的巨大压力,攻关团队选择从研究国外现有的海洋隔水管结构形式及系统配套入手,深入分析使用工况和受力条件,并结合海洋钻井平台的工作要求、运动规律和定位方式,通过自主创新、集成创新及产学研相结合的技术路线,由浅入深,由小到大,逐步加快研发速度,取得了一系列创新性成果。

钻井隔水管对原材料性能、焊接质量、加工精度、防腐、密封、疲劳强度等要求非常严苛。其中,焊接精度要求远远高于西气东输管道焊接标准,强度和韧性指标也高于API标准。

“焊缝是隔水管最薄弱的环节,焊接技术是整个生产过程中的瓶颈。”宝石机械海洋装备分公司装配工区主任张辉说,由于使用环境和工况条件恶劣,焊接工序责任重大。以适应海水深度能力达1500米的隔水管为例,其承载拉力为千吨级,哪怕焊接中出现一个极细小的裂缝,都可能导致系统出现损毁,并危及海洋钻井平台的安全。

另一个让攻关团队既头疼又欣慰的难点是产品疲劳试验。头疼的是,之前国内没有相应设施,隔水管只能运往美国进行工业性试验,费时费力,价格昂贵。欣慰的是,2015年,宝石机械建成投运了我国最大的海洋立管疲劳试验平台,极大地提高了研发效率和水平。目前,公司自主研发的海洋隔水管的疲劳寿命是挪威船级社(DNV)标准的1.34倍。

隔水管单根是隔水管的主体,需具有良好的力学性能和极高的几何尺寸精度。对此,攻关团队历时近4年,成功研制出深水钻井隔水管用X80钢级直缝埋弧焊钢管。

从“弱”至“强” 任重道远

十年磨一剑。2012年,“深水钻井隔水管系统技术研究”项目收官时,宝石机械研制出了我国首个单根隔水管装置;2018年,“海洋深水钻井隔水管系统工程化研制”项目收官时,宝石机械不仅拥有了安装试压装置、卡盘、万向节、张紧环、隔水管灌注阀、下部挠性接头、终端接头等7种关键装备的设计生产能力,而且还制定了8项隔水管国家及行业标准,自主研制的隔水管伸缩装置单根已实现工程化应用。

海洋石油勘探开发具有“三高”(高风险、高技术、高投入)特点,隔水管系统核心技术的突破与掌握,打破了国外的长期垄断,形成了具有自主知识产权的成果,对降低我国海洋深水钻井成本、提高石油钻采装备整体实力具有非常重要的意义。

然而,也要看到,国外深水钻井隔水管技术经过几十年的发展,已具备了产业化规模,而我国仍处于起步状态,与国际先进水平和我国海洋能源开发实际需求相比还有一定差距。

“目前,国内仅宝石机械一家公司具备深水钻井隔水管系统设计制造能力。要把这个涉及多学科的高技术装备做强、做精,必须付出更多艰辛的努力。”宝石机械副总经理兼总工程师张斌坦言,下一步将着力推进国产海洋钻井隔水管的商业化应用,不断改进完善产品设计、性能和质量,并加快配套技术及系统的研发。

有付出就有收获。宝石机械公司已相继承揽了中国石化、中国海油的隔水管单根、浮力块及伸缩节等的维修改造业务,不久前,还成功中标中国海油14套隔水管单根和2套伸缩节的升级改造合同,标志着公司海洋钻井隔水管产品已得到用户认可,开始真正走向市场。

科技创新是挺进深海的关键

工业和信息化部高技术船舶系统与设备专家组专家 王进全

海洋钻井隔水管系统是深水钻井的核心装备,在业内常被简称为隔水管。但它不是“管”,而是一个高技术的复杂系统。当采用半潜式钻井平台或钻井船钻井时,隔水管下端连接海底的防喷器,上端连接半潜式平台或钻井船,从而形成钻井液循环通道。

工作中,隔水管承受钻井液的内压,海水的外压,平台或船的交变轴向载荷,钻柱的碰撞及风、浪、流引起的横向不规则载荷,工况很恶劣,受力很复杂。因此,对隔水管的要求极高,设计制造很困难,仅涉及的美国石油学会(API)主要标准就达5项。

隔水管技术长期被欧美国家垄断,我国所用隔水管全部进口,是我国海洋油气勘探开发的“卡脖子”装备。宝石机械公司在国家863计划和工信部的支持下,通过10年的深入研究与创新攻关,关键技术取得全面突破,产品通过了中国船级社认证,取得了API证书,并且用户开始小批量订货。这对打破国外垄断,为我国深水钻井提供关键装备保障具有十分重要的意义。

然而,必须充分认识到,我们与国外的差距还是很大的,要满足批量化生产和规模化工程应用,需要做大量的工作。在技术方面,要根据隔水管批量化生产特点改进和完善设计与工艺,在生产能力方面,要加快生产线建设和试验检测装备的完善。同时,要加快躲避台风悬挂装置、隔水管下部总成(LMRP)及隔水管在线监测系统等配套设备的研制。这样,才能满足规模化工程应用要求,为我国海洋油气勘探开发提供关键装备支撑。

(信息来源:宝石机械)

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