共用DSM的模塊鉆機(jī)總體與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

李彥麗，穆 頃，楊肖龍，祖 巍

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

共用DSM的模塊鉆機(jī)總體與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

李彥麗，穆 頃，楊肖龍，祖 巍

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

錦州25-1南Ⅱ期WHPE模塊鉆機(jī)是中國(guó)海洋石油的第1臺(tái)兩平臺(tái)共用鉆井支持模塊(DSM)的模塊鉆機(jī)。介紹了該模塊鉆機(jī)的工程項(xiàng)目概況，與常規(guī)模塊鉆機(jī)比較，共享DSM的模塊鉆機(jī)有不同于常規(guī)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。從模塊鉆機(jī)總體設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面分析，詳細(xì)介紹了總體設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，探究其結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用SACS有限元分析軟件對(duì)模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。通過(guò)重量控制，該模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)鋼材利用率更高。為海洋模塊鉆機(jī)的總體、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

模塊鉆機(jī) 共用DSM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)

1 項(xiàng)目概述

錦州25-1南油氣田位于渤海遼東灣海域，油氣田范圍內(nèi)平均水深24.0～26.4m。錦州25-1南油氣田Ⅰ期工程已于2009年建成投產(chǎn)，Ⅱ期開(kāi)發(fā)新建3個(gè)井口平臺(tái)(WHPC、WHPD、WHPE)和1座中心處理平臺(tái)(CEPF)，WHPE平臺(tái)與已建WHPA平臺(tái)之間以棧橋連接，油氣田開(kāi)發(fā)示意圖見(jiàn)圖1。新建WHPE井口平臺(tái)上設(shè)有1套7000m模塊鉆機(jī)，模塊鉆機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1，可實(shí)現(xiàn)以下功能：①橫向和縱向移動(dòng)，覆蓋所有井槽；②進(jìn)行初期及后期預(yù)留井槽鉆完井作業(yè)(需WHPA平臺(tái)原模塊鉆機(jī)DSM模塊設(shè)備配合)；③后期生產(chǎn)井的大修和各種小修作業(yè)；④實(shí)施增產(chǎn)措施作業(yè)等。

圖1 錦州25-1S油氣田開(kāi)發(fā)示意圖Fig.1 Develop diagram of JZ25-1S phase II oil field

表1 WHPE模塊鉆機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of WHPE MDR

2 模塊鉆機(jī)特點(diǎn)

錦州25-1南Ⅱ期WHPE模塊鉆機(jī)與傳統(tǒng)模塊鉆機(jī)相比，在設(shè)備配置、總體布置、界面接口、鉆機(jī)結(jié)構(gòu)等方面都有很大區(qū)別：①與已建WHPA平臺(tái)共用DSM模塊進(jìn)行鉆完井作業(yè)，充分利用老平臺(tái)已有設(shè)備配置，形成新老平臺(tái)一體化格局；②減少動(dòng)力模塊、泥漿泵模塊、灰罐模塊等多套系統(tǒng)設(shè)備配置，降低了變壓器等電氣設(shè)備的容量；③WHPA平臺(tái)DSM模塊的多個(gè)系統(tǒng)管線及電纜通過(guò)棧橋接入WHPE平臺(tái)，管纜排布及界面接口等更加復(fù)雜；④對(duì)WHPA平臺(tái)DSM模塊進(jìn)行改造，增加修井用泥漿泵并對(duì)泥漿罐進(jìn)行改造，WHPE、WHPA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)鉆井的同時(shí)另一平臺(tái)可獨(dú)立進(jìn)行修井作業(yè)。⑤鉆井作業(yè)時(shí)，WHPE平臺(tái)儀表系統(tǒng)科采集WHPA平臺(tái)泥漿信號(hào)，兩平臺(tái)的司鉆系統(tǒng)可進(jìn)行通訊，對(duì)共用設(shè)備進(jìn)行控制。⑥火氣系統(tǒng)信號(hào)可同時(shí)在兩個(gè)平臺(tái)顯示，系統(tǒng)安全性增加。⑦鉆機(jī)結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化為井架式修井機(jī)，結(jié)構(gòu)利用率更高。

3 總體技術(shù)方案

常規(guī)模塊鉆機(jī)主要由3部分組成：鉆井設(shè)備模塊(DES)，鉆井支持模塊(DSM)和散料儲(chǔ)存模塊(P-TANK模塊)。[1-2]WHPE模塊鉆機(jī)通過(guò)共用DSM模塊，設(shè)備配置優(yōu)化并進(jìn)行總體布置調(diào)整，主要由鉆井設(shè)備模塊(DES)、泥漿處理模塊、配套設(shè)施模塊3個(gè)部分組成，總體布置如圖2所示。

圖2 WHPE模塊鉆機(jī)總體布置Fig.2 General plan of WHPE MDR

WHPE模塊鉆機(jī)較常規(guī)同級(jí)別模塊鉆機(jī)減少了泥漿系統(tǒng)、壓縮空氣及吹灰系統(tǒng)、散料系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備配置，降低了變壓器等電氣設(shè)備的容量，詳細(xì)對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 與常規(guī)鉆機(jī)的設(shè)備配置對(duì)比表Tab.2 Comparison of device configuration with normal MDR

3.1 設(shè)備布置情況

鉆井設(shè)備模塊由鉆臺(tái)和下底座組成，整體可以在下滑軌上做南北方向移動(dòng)，鉆臺(tái)可以在下底座的上滑軌上做東西方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模塊鉆機(jī)對(duì)所有井口的鉆井、修井作業(yè)。鉆機(jī)滑移由可鎖緊的液壓裝置推動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，共設(shè)置兩套滑移裝置。鉆井設(shè)備模塊下底座層主要包括BOP儲(chǔ)能器、綜合液壓站、東西拖鏈、儀表氣罐等；鉆臺(tái)主要設(shè)備[3]包括井架系統(tǒng)、司鉆房、絞車、絞車盤(pán)剎液壓站、轉(zhuǎn)盤(pán)、氣動(dòng)絞車、液壓貓頭、高壓泥漿立管管匯、節(jié)流和壓井管匯、水泥管匯、泥氣分離器等。

泥漿處理模塊位于鉆井設(shè)備模塊的東側(cè)，下層主要包括一臺(tái)800HP高壓泥漿泵、3個(gè)泥漿儲(chǔ)存罐(約100m3)、除泥泵、除砂泵、混合泵等；中間層主要設(shè)備有3臺(tái)振動(dòng)篩、離心機(jī)、真空除氣器；頂層布置管子堆場(chǎng)。

配套設(shè)施模塊在鉆井設(shè)備模塊的西側(cè)，位于組塊頂層甲板上，主要包括變壓器間、主配電間、機(jī)修間、頂驅(qū)電控房、值班室、南北向拖鏈。

3.2 與常規(guī)模塊鉆機(jī)不同點(diǎn)

總體布置從可操作性、安全性、避免干涉等方面重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，比較常規(guī)同級(jí)別模塊鉆機(jī)，其主要不同點(diǎn)包括：①固控系統(tǒng)設(shè)備，如振動(dòng)篩、離心機(jī)、真空除氣器等由常規(guī)布置在DES模塊下底座下層甲板移到泥漿處理模塊的泥漿罐頂 部[4]；②由于鉆井作業(yè)時(shí)，高壓泥漿、固井水泥等由WHPA平臺(tái)DSM模塊供應(yīng)，不再配備灰罐撬，也不配備常規(guī)布置于DSM模塊中間層甲板的散料間及叉車；③變壓器間、主配電間、機(jī)修間由常規(guī)布置于鉆井支持模塊的中層甲板移到組塊頂層甲板，頂驅(qū)電控房由常規(guī)布置于鉆臺(tái)面移到組塊頂層甲板。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于共用鉆井支持模塊，WHPE模塊鉆機(jī)設(shè)備布置減少，部分設(shè)備配置降低，所需甲板布置面積大幅減少，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)較常規(guī)形式更加緊湊。

4.1 DES模塊

DES模塊主要由井架、鉆臺(tái)和下移動(dòng)底座組成。DES模塊鉆臺(tái)面由于頂驅(qū)電控間、鉆臺(tái)電控間等設(shè)備布置在組塊頂層甲板，甲板長(zhǎng)度減少4.6m，較常規(guī)鉆機(jī)減少了兩層結(jié)構(gòu)甲板，下底座設(shè)計(jì)為門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，DES模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化為井架式修井機(jī)形式，見(jiàn)圖3。井架為自升式套裝井架，井架大腿間距為9.144 m×9.144 m，鉆臺(tái)面設(shè)置4個(gè)基座在下底座滑道梁上。

圖3 DES模塊Fig.3 DES Module

DES模塊承受的主要荷載包括轉(zhuǎn)盤(pán)/大鉤載、立根重量以及絞車等鉆臺(tái)面設(shè)備重量，DES設(shè)計(jì)荷載對(duì)比見(jiàn)表3?？梢园l(fā)現(xiàn)，大鉤/轉(zhuǎn)盤(pán)荷載、立根荷載與常規(guī)鉆機(jī)相同，設(shè)備荷載也是僅差10t左右，因此DES模塊的主結(jié)構(gòu)型材選擇并沒(méi)有太大優(yōu)化空間，結(jié)構(gòu)型材優(yōu)化工作重點(diǎn)對(duì)象是結(jié)構(gòu)次梁、小梁，見(jiàn)表4。

表3 DES模塊設(shè)計(jì)荷載對(duì)比表Tab.3 Design load comparison between DES with regular DES

表4 DES模塊結(jié)構(gòu)型材對(duì)比表Tab.4 Structure section comparison between DES with regular DES

應(yīng)用SACS軟件對(duì)DES模塊建立模型，針對(duì)5個(gè)不同井位分別計(jì)算靜力分析、地震分析，對(duì)安裝工況進(jìn)行拖拉裝船分析、拖航分析和海上吊裝分析。分析模型見(jiàn)圖4，主要校核結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 DES模塊主要結(jié)構(gòu)校核結(jié)果Tab.5 Structure checking results of DES

4.2 泥漿處理模塊

泥漿處理模塊結(jié)構(gòu)為兩層半框架結(jié)構(gòu)，由6個(gè)基座固定于平臺(tái)頂層甲板上(見(jiàn)圖5)，頂層與底層甲板高程間距為7.0m，為滿足鉆桿堆場(chǎng)容量要求及布置走道、測(cè)井設(shè)備平臺(tái)等，頂層甲板外懸3.75m。設(shè)計(jì)荷載對(duì)比見(jiàn)表6，結(jié)構(gòu)型材選擇優(yōu)化情況見(jiàn)表7。

應(yīng)用SACS軟件對(duì)泥漿處理模塊建立模型，進(jìn)行在位靜力分析、地震分析、拖拉裝船分析、拖航分析和吊裝分析，計(jì)算模型如圖6所示，校核結(jié)果見(jiàn)表8。

表6 泥漿處理模塊設(shè)計(jì)荷載對(duì)比表Tab.6 Design load comparison with regular DSM

表7 泥漿處理模塊結(jié)構(gòu)型材對(duì)比表Tab.7 Structure sections comparison with regular DES

表8 泥漿處理模塊主要結(jié)構(gòu)校核結(jié)果Tab.8 Structure checking results of mud module

圖4 DES模塊在位分析模型Fig.4 In-place analysis model of DES

圖5 泥漿處理模塊Fig.5 Mud Module

圖6 泥漿處理模塊在位分析模型Fig.6 In-place analysis model of mud module

4.3 重量控制

模塊鉆機(jī)重量直接影響上部組塊以及導(dǎo)管架的承載力設(shè)計(jì)，模塊鉆機(jī)的重量控制是設(shè)計(jì)工作的重要內(nèi)容。在WHPE模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)鉆機(jī)設(shè)備配置優(yōu)化情況合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制重量荷載，與常規(guī)鉆機(jī)重量控制對(duì)比見(jiàn)表9。由表中數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)重量較常規(guī)鉆機(jī)減輕約470t，結(jié)構(gòu)重量占鉆機(jī)總干重的比例與常規(guī)鉆機(jī)相比下降，結(jié)構(gòu)鋼材材料利用率比常規(guī)鉆機(jī)高，結(jié)構(gòu)布置更合理。

表9 重量控制對(duì)比表Tab.9 Weight control comparison

5 結(jié) 語(yǔ)

共用DSM模塊的模塊鉆機(jī)較常規(guī)模塊鉆機(jī)減少多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備配置，節(jié)省大量鋼材用量，鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)性提高。隨著海洋石油勘探開(kāi)發(fā)步伐的加快，無(wú)論從資源重復(fù)利用性還是經(jīng)濟(jì)性方面考慮，共用DSM模塊都為海洋模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路，為模塊鉆機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)積累了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 陳如恒. 鉆機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33(4)：1-8.

［2］ 穆頃. 淺析浮吊資源對(duì)模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)方案的影響[J].天津科技，2012(5)：16-18.

［3］ 王長(zhǎng)軍. 崖城PFA小撬塊組合式模塊鉆機(jī)總體方案設(shè)計(jì)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40(1)：60-62.

［4］ 劉春雨. 輕型可搬遷模塊鉆機(jī)總體布局研究[J]. 船舶，2010(5)：44-46.

General Plan and Structure Design of Modular Drilling Rig Sharing DSM

LI Yanli，MU Qing，YANG Xiaolong，ZU Wei
(CNOOC Ener-Tech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China)

JZ25-1S II MDR(modular drilling rig)is CNOOC’s first MDR sharing Drilling Support Module(DSM)．The paper introduces engineering situation of the MDR．Design characteristics of MDR sharing DSM were summed up．General plan was described and structure design was studied．The software SACS was applied to the structure analysis and the results indicated that the structure design meet the requirements by the code．The steel utilization rate was improved through design optimization and weight control．The paper might be taken as reference in MDR general and structure design.

modular drilling rig；DSM sharing；structure design；general plan

TE53

：A

：1006-8945(2015)12-0024-03

2015-11-10