半潛式平臺(tái)用錨機(jī)研究

李鵬，王定亞，肖銳，牟新明，何進(jìn)前

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心，陜西 寶雞 721000）

0 引言

隨著陸地油氣資源的日趨枯竭，人類加快了對海洋油氣資源開發(fā)的步伐。目前，半潛式平臺(tái)作為海洋油氣資源開發(fā)的主要工具，發(fā)展日趨完善，現(xiàn)有作業(yè)平臺(tái)已發(fā)展到第六代。隨著我國首座自主設(shè)計(jì)、建造的第六代深水半潛式平臺(tái)“海洋石油981”投入使用，“海洋石油982”建造也已被提到日程，國內(nèi)已掀起海洋深水勘探開發(fā)新的熱潮。錨機(jī)作為半潛式平臺(tái)配套的關(guān)鍵設(shè)備之一，是確保平臺(tái)準(zhǔn)確定位、拖移等作業(yè)必不可少的設(shè)備。因此，著重研究和開發(fā)海洋平臺(tái)用錨機(jī)就顯得尤為必要。

1 平臺(tái)定位模式分析

半潛式平臺(tái)的定位方式主要有3 種：錨泊定位、動(dòng)力定位以及錨泊輔助動(dòng)力定位［1-2］。當(dāng)平臺(tái)在水深小于1500m 的水域作業(yè)時(shí)，以錨泊定位系統(tǒng)為主；水深在1 500～3 000 m的水域作業(yè)時(shí)，采用錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)；水深大于3 000 m的超深水海域作業(yè)時(shí)，采用全動(dòng)力定位系統(tǒng)。另一方面，半潛平臺(tái)在工作時(shí)，必須滿足一定的定位精度，一般取水深的2%～4%。而這3 種定位方式中，錨泊定位相對成本較低，但是在深水條件下，環(huán)境條件較為惡劣時(shí)定位精度滿足不了平臺(tái)的工作需求；相對而言，動(dòng)力定位的定位精度很高，且反應(yīng)迅速，但卻十分消耗能源［3］。因此如果采用錨泊系統(tǒng)與動(dòng)力定位系統(tǒng)聯(lián)合定位的方式，則既能滿足平臺(tái)在較惡劣海況下的定位精度需求，又能降低動(dòng)力定位時(shí)的燃油消耗［4］，是一種理想的定位方式。

從經(jīng)濟(jì)角度分析，無論是初期投資還是使用和維護(hù)費(fèi)用，錨泊定位系統(tǒng)與動(dòng)力定位系統(tǒng)相比均具有明顯的優(yōu)勢，尤其是在鉆井周期較長、天氣和海況惡劣的條件下進(jìn)行作業(yè)，采用錨泊定位系統(tǒng)或錨泊定位系統(tǒng)加動(dòng)力定位輔助定位模式，其作業(yè)成本將會(huì)大幅度降低，這也是多年來錨泊定位系統(tǒng)始終得到廣泛應(yīng)用的主要原因。此外，動(dòng)力定位系統(tǒng)的操作和日常維護(hù)的技術(shù)要求過于嚴(yán)格苛刻［5］，使得錨泊定位系統(tǒng)仍是半潛式平臺(tái)定位的首選。

2 錨機(jī)的功能和配置要求

為了滿足在海洋惡劣工況條件下進(jìn)行海洋油氣資源勘探開發(fā)等工程作業(yè)的需要，必須在較長一段時(shí)間內(nèi)精確地保持鉆井采油平臺(tái)在海面上的位置，這就需要安裝錨泊定位系統(tǒng),平衡海浪等作用在鉆井采油平臺(tái)上的水平推力，使其不致發(fā)生較大漂移。錨泊定位系統(tǒng)主要由錨機(jī)、錨纜、錨等三部分組成，其中錨機(jī)是系統(tǒng)中最重要的設(shè)備。半潛式平臺(tái)配套錨機(jī)一般布置在近正方形平臺(tái)的四個(gè)角，如圖1。它的配置有多種形式，主要取決于鉆井平臺(tái)的大小和形狀、工作水深、所受環(huán)境載荷及水下裝備（隔水管、液壓連接器、水下BOP 等）所決定的平臺(tái)允許水平偏移。它不僅關(guān)系到保證平臺(tái)正常作業(yè)的定位能力，也與平臺(tái)的許多重要因素有直接關(guān)聯(lián)影響，如可變載荷、電站配置等。因此，平臺(tái)錨機(jī)的配套能力和配套方式應(yīng)視平臺(tái)本身特點(diǎn)及載荷要求等影響因素，綜合分析計(jì)算后，最終確定其設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)。

圖1 半潛式平臺(tái)配套錨機(jī)

3 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

目前，半潛式平臺(tái)用重型錨機(jī)的制造廠家主要有國外的Hisman 公司、Oil states 公司和NOV 公司。這些公司設(shè)計(jì)的平臺(tái)配套錨機(jī)都為電驅(qū)動(dòng)錨機(jī)，分為直流驅(qū)動(dòng)和交流變頻驅(qū)動(dòng)兩種類型，而交流變頻驅(qū)動(dòng)由于調(diào)速幅度寬、扭矩大等優(yōu)勢，現(xiàn)已是主要發(fā)展方向。中石油下屬寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司作為國內(nèi)最大的鉆井裝備制造企業(yè)，近年來加大海洋裝備的開發(fā)力度，先后開發(fā)設(shè)計(jì)有滾筒式錨機(jī)、鏈?zhǔn)藉^機(jī)和摩擦絞車+儲(chǔ)存絞車等三種形式的平臺(tái)配套錨機(jī)。但由于發(fā)展時(shí)間市場培育期等原因，在錨機(jī)的系列化、技術(shù)性能和市場認(rèn)知度方面與國外公司還存在較大差距，短期內(nèi)還很難進(jìn)入此市場。所以，世界上在使用及建造的半潛式平臺(tái)配套錨機(jī)都為國外幾家公司所壟斷。

4 錨機(jī)類別及其特點(diǎn)

現(xiàn)如今半潛式鉆井平臺(tái)用重型錨機(jī)多采用雙配置結(jié)構(gòu)（即一套動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作模式）。具體結(jié)構(gòu)采用“單電機(jī)+單臺(tái)減速箱+雙離合器+雙齒輪副+雙滾筒”傳動(dòng)形式，用于錨的收放，進(jìn)行錨泊定位。一套雙配置結(jié)構(gòu)可分別布置2 個(gè)錨，達(dá)到一機(jī)兩用的效果。有的甚至采用三配置結(jié)構(gòu)，例如我國首座自主設(shè)計(jì)、建造的第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油981”采用12 點(diǎn)錨泊定位，利用1 套動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)3 套執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作（即下3 個(gè)錨）。隨著半潛式鉆井平臺(tái)的不斷發(fā)展，所采用的錨泊定位系統(tǒng)不斷面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前全球半潛式平臺(tái)配套重型錨機(jī)主要有以下4 種形式。

1）滾筒式錨機(jī)。

滾筒式錨機(jī)見圖2，整體結(jié)構(gòu)運(yùn)用了兩項(xiàng)自有專利技術(shù)［6-7］，從其結(jié)構(gòu)形式可知，該結(jié)構(gòu)錨纜只適用鋼絲繩，由于不需要錨鏈，平臺(tái)不需要設(shè)置錨鏈艙，節(jié)省了大量空間。兩套滾筒通過牙嵌離合器分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，滾筒用來存儲(chǔ)鋼絲繩并通過纏繞產(chǎn)生拉力。在進(jìn)行滾筒式錨機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)設(shè)定哪一層鋼絲繩為張緊層，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于滾筒上的鋼絲繩容繩量較多，纏繩層數(shù)可達(dá)十幾層，為防止亂繩現(xiàn)象，一般都設(shè)計(jì)有強(qiáng)制排繩裝置，通過在滾筒與排繩裝置之間設(shè)計(jì)一組鏈輪，來保證纏繩和放繩時(shí)，鋼絲繩在滾筒中排列整齊有序。該類型錨機(jī)特點(diǎn)：設(shè)備重量輕、占用空間小，多配套于淺水半潛式平臺(tái)，可直接下錨或預(yù)下錨。作業(yè)水深2300ft（約合701 m）的“GSF Aleutian Key”和2800ft（約合853 m）的“GSF Rig 140”半潛式平臺(tái)都為8 點(diǎn)定位，采用4 臺(tái)該類型錨機(jī)布置在平臺(tái)四角進(jìn)行錨泊定位。

圖2 滾筒式定位錨機(jī)

圖3 鏈?zhǔn)藉^機(jī)

2）鏈?zhǔn)藉^機(jī)。如圖3，其錨纜為錨鏈，根據(jù)錨機(jī)拉力大小的不同，選擇不同級(jí)別的錨鏈，有R3s、R4、R4s 和R5等系列。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)適合相應(yīng)規(guī)格錨鏈的錨鏈輪，錨鏈卡在錨鏈輪中，電機(jī)通過減速箱驅(qū)動(dòng)錨鏈輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生錨鏈拉力，無論錨鏈布置長短，拉力都保持不變。這種結(jié)構(gòu)不需要排繩裝置，但平臺(tái)需設(shè)置錨鏈艙用來專門存儲(chǔ)錨鏈。該類型錨機(jī)特點(diǎn)：設(shè)備重量輕，甲板面占用面積小，但錨鏈重量遠(yuǎn)大于鋼絲繩重量，對平臺(tái)可變載荷產(chǎn)生一定的影響。目前，半潛式平臺(tái)主流配置為該形式錨機(jī)，“海洋石油981”即配置了該形式錨機(jī)，并配合動(dòng)力定位系統(tǒng)對平臺(tái)進(jìn)行錨泊定位。

3）摩擦絞車+儲(chǔ)存絞車。

摩擦絞車+儲(chǔ)存絞車見圖4、圖5，它的錨纜是鋼絲繩，摩擦絞車采用雙滾筒結(jié)構(gòu)，鋼絲繩前出繩與錨相連，產(chǎn)生很大的拉力，鋼絲繩經(jīng)過在兩滾筒之間進(jìn)行纏繞，一般為7～8 圈，這樣鋼絲繩的拉力就迅速降下來，鋼絲繩存儲(chǔ)在摩擦絞車后面的儲(chǔ)存絞車上。這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地避開了滾筒式錨機(jī)既要儲(chǔ)存大量鋼絲繩又要產(chǎn)生很大拉力的弊端，后面儲(chǔ)存絞車只起到存儲(chǔ)鋼絲繩的作用，不承受很大的載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單。該類型錨機(jī)特點(diǎn)：設(shè)備重量較重，但鋼絲繩重量相對錨鏈較輕。

圖4 摩擦絞車

圖5 儲(chǔ)存絞車

4）鏈?zhǔn)藉^機(jī)與摩擦絞車組合式+儲(chǔ)存絞車。

鏈?zhǔn)藉^機(jī)與摩擦絞車組合式+儲(chǔ)存絞車見圖6、圖5，這種錨機(jī)是將錨鏈輪和摩擦絞車并聯(lián)使用，錨纜可適用錨鏈和鋼絲繩兩種形式，通過錨鏈輪或摩擦絞車產(chǎn)生拉力。錨鏈存儲(chǔ)在平臺(tái)的錨鏈艙內(nèi)，鋼絲繩存儲(chǔ)在儲(chǔ)存絞車上，也可以帶少量錨鏈，通過輔助船將大量錨鏈在錨泊點(diǎn)進(jìn)行預(yù)拋錨，等平臺(tái)就位后，將平臺(tái)上的錨纜與之相連。該類型錨機(jī)特點(diǎn)：設(shè)備重量較重、占用空間大，可適用更大水深，多配套于深水半潛式鉆井平臺(tái)。作業(yè)水深5000ft（1 524 m）“ATWOOD FALCON”半潛式平臺(tái)為8 點(diǎn)定位，采用4 臺(tái)該類型錨機(jī)布置在平臺(tái)四角進(jìn)行錨泊定位。

圖6 鏈?zhǔn)藉^機(jī)與摩擦絞車組合式

5 結(jié)語

通過對半潛式平臺(tái)配套的4 種錨機(jī)形式的介紹，對于半潛式平臺(tái)具體選配哪種形式的錨機(jī)，應(yīng)該綜合考慮預(yù)投資成本、拋錨時(shí)間、平臺(tái)可接受載重能力等因素，確定錨機(jī)具體結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合國內(nèi)海洋石油勘探開發(fā)市場的實(shí)際情況。筆者認(rèn)為，應(yīng)加大開發(fā)力度，提高產(chǎn)品的性能及可靠性，增強(qiáng)平臺(tái)配套重型錨機(jī)的市場推廣力度，以目前平臺(tái)廣泛采用的鏈?zhǔn)藉^機(jī)為突破口，實(shí)現(xiàn)半潛式平臺(tái)配套錨機(jī)國產(chǎn)化。石油是國家的重要戰(zhàn)略資源，只有打破國外的技術(shù)壟斷，具備深水油氣勘探開發(fā)與裝備自主研發(fā)能力，才能為我國大規(guī)模開展深水油氣開發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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