大跨距海洋模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉靜辰，劉永勤，祖　巍，李彥麗，楊肖龍

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300452；2.天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司，天津 300452)①

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大跨距海洋模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉靜辰1，劉永勤1，祖巍2，李彥麗2，楊肖龍2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300452；2.天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司，天津 300452)①

摘要：墾利10-1 WHPA/WHPB模塊鉆機(jī)是中國(guó)海洋石油有限公司有史以來(lái)結(jié)構(gòu)最大的海洋模塊鉆機(jī)，同時(shí)也是目前最大跨距、覆蓋井槽最多的海洋模塊鉆機(jī)。概述了海洋模塊鉆機(jī)的構(gòu)成、不同結(jié)構(gòu)形式鉆井設(shè)備模塊的特點(diǎn)。重點(diǎn)介紹了采用分體式結(jié)構(gòu)形式的墾利10-1 WHPB鉆井設(shè)備模塊的改進(jìn)：滑道梁增加側(cè)向支撐桿件，用于增強(qiáng)滑道梁結(jié)構(gòu)剛度，提高穩(wěn)定性；對(duì)于DES下層甲板梁，增大跨距間主梁，用于改善大跨距門式框架結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度；滑軌由T形結(jié)構(gòu)改為Π形結(jié)構(gòu)，用于增強(qiáng)滑軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高承載能力。計(jì)算結(jié)果表明：改進(jìn)后的DES結(jié)構(gòu)完全滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：海洋模塊鉆機(jī)；鉆井設(shè)備模塊；大跨距結(jié)構(gòu)；門式框架結(jié)構(gòu)

海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)的DES鉆井模塊通常是由下底座和鉆臺(tái)面兩部分構(gòu)成，可通過(guò)雙向滑移來(lái)覆蓋整個(gè)平臺(tái)井口區(qū)，以完成鉆修井作業(yè)[1]。海洋模塊鉆機(jī)依托鉆采平臺(tái)，因此模塊鉆機(jī)的設(shè)計(jì)也受平臺(tái)布局的影響。常見(jiàn)的海洋模塊鉆機(jī)由鉆井設(shè)備模塊(DES)、鉆井支持模塊(DSM)和灰罐模塊(P-tank)組成[2-4](如圖1)。

圖1　崖城13-1模塊鉆機(jī)

DES模塊上布置了井架、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、絞車、BOP防噴器、固控系統(tǒng)等主要鉆井設(shè)備。DSM模塊有時(shí)也會(huì)拆分成泥漿模塊和動(dòng)力模塊。主要包含泥漿罐、散料間、高壓泥漿泵等泥漿系統(tǒng)的設(shè)施，發(fā)電機(jī)、柴油罐、主配電間、變壓器間、應(yīng)急配電間、電池間等動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)施，還有空壓機(jī)、干燥器、空氣罐等氣動(dòng)設(shè)備?；夜弈K為泥漿系統(tǒng)提供散料輸送，有時(shí)P-tank模塊也會(huì)集成到DSM模塊之中。海洋模塊鉆機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式。

墾利10-1油田開發(fā)項(xiàng)目中，WHPA和WHPB 2個(gè)井口平臺(tái)井槽數(shù)量眾多、主軸間距大。平臺(tái)配備模塊鉆機(jī)比使用鉆井船鉆井成本更低，經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)更好。為此，滿足平臺(tái)鉆井需求的大跨距模塊鉆機(jī)成為油田開發(fā)鉆井的重要設(shè)施。

1模塊鉆機(jī)的不同結(jié)構(gòu)形式

1.1模塊鉆機(jī)的不同結(jié)構(gòu)形式

DSM模塊不論是整體還是分成多個(gè)小模塊，都屬于較常規(guī)的海洋平臺(tái)上部模塊范疇，差異都不大。而DES模塊較常規(guī)模塊有所不同，設(shè)計(jì)比較特殊。目前，DES模塊主要有3種結(jié)構(gòu)形式[2]：

1)單體式。模塊集成度較高，設(shè)備主要布置在模塊主框架內(nèi)部，結(jié)構(gòu)較為緊湊；該模塊配合設(shè)置在平臺(tái)頂甲板上的獨(dú)立滑移底座(Skid Base)，能夠完成模塊沿滑移底座橫向滑移、滑移底座和模塊共同在頂甲板滑軌上縱向滑移，以覆蓋所有井位。此類鉆機(jī)中，番禺30-1氣田模塊鉆機(jī)(如圖2)最具代表性。

2)分體式。分鉆臺(tái)面與下底座2個(gè)子模塊，設(shè)備主要分布在這2個(gè)子模塊上，子模塊之間通過(guò)服務(wù)臂或拖鏈鏈接。鉆臺(tái)面可沿滑道梁橫向滑移，下底座通過(guò)基座在平臺(tái)頂甲板滑軌上縱向滑移，以覆蓋全部井位。此類鉆機(jī)中，西江23-1 模塊鉆機(jī)(如圖3)和番禺4-2模塊鉆機(jī)(如圖4)具有代表性。

3)小撬塊、組合式。模塊主要由若干小撬塊組裝而成，各小撬塊之間通過(guò)銷軸和螺栓等進(jìn)行連接。該形式鉆機(jī)可根據(jù)平臺(tái)吊機(jī)的起重能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，各子模塊質(zhì)量較輕，可利用平臺(tái)吊機(jī)進(jìn)行海上安裝。由于該鉆機(jī)由小撬塊通過(guò)銷軸和螺栓進(jìn)行連接，可滿足搬遷作業(yè)要求。此類鉆機(jī)中，蓬萊19-3模塊鉆機(jī)、崖城13-1模塊鉆機(jī)(如圖1)最具代表性。

圖2　番禺30-1模塊鉆機(jī)DES模塊

圖3　西江23-1模塊鉆機(jī)DES模塊

圖4　番禺4-2模塊鉆機(jī)DES模塊

1.2分體式DES模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的演變

目前，分體式DES模塊設(shè)計(jì)采用較多。其中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如圖5～8)也有了以下變化：

圖5　渤中28-2南模塊鉆機(jī)DES模塊立面結(jié)構(gòu)圖1

圖6　渤中28-2南模塊鉆機(jī)DES模塊立面結(jié)構(gòu)圖2

圖7　番禺34-1模塊鉆機(jī)DES模塊立面結(jié)構(gòu)圖1

圖8　番禺34-1模塊鉆機(jī)DES模塊立面結(jié)構(gòu)圖2

1)主立柱和斜撐，由H型組合梁或者Box方形梁演變成圓管。

2)滑道梁由箱型梁演變成H型組合梁與T形滑軌組合結(jié)構(gòu)；如圖5和圖7中梁剖面詳圖的差異。

3)由大量小截面立柱和撐桿支撐的結(jié)構(gòu)，演變成大截面立柱和斜撐的組合，桿件數(shù)量減少，整個(gè)門式框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，傳力路徑短，設(shè)計(jì)更加合理。

從表1中能夠看出第1、2條的演變，圖5～8是第3條的明顯對(duì)比。

部分模塊鉆機(jī)的跨距、最大鉤載、滑道梁和立柱斜撐規(guī)格等主要參數(shù)如表1所示。

表1　海洋模塊鉆機(jī)主要參數(shù)

2墾利10-1 WHPA/WHPB鉆機(jī)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

墾利10-1 WHPA/WHPB鉆機(jī)模塊的設(shè)計(jì)同樣采用分體式設(shè)計(jì)：采用大截面圓管做立柱和斜撐的簡(jiǎn)潔模式，下底座設(shè)計(jì)成門式框架?；懒阂膊捎肏型組合梁形式。墾利10-1鉆機(jī)又因?yàn)槠淦脚_(tái)的特點(diǎn)與其他鉆機(jī)不同。

2.1墾利10-1 WHPA和WHPB平臺(tái)的特點(diǎn)

墾利10-1 WHPA和WHPB平臺(tái)與以前平臺(tái)有如下不同：

1)井口眾多，兩平臺(tái)都分南北2個(gè)井口區(qū)，布置在A、B軸內(nèi)側(cè)；(以前項(xiàng)目中平臺(tái)A、B軸間多為一個(gè)井口區(qū)，井槽一般為4列或者5列)。如圖9～10。

2)A、B軸間距分別為22 m和32 m，間距較大(以前項(xiàng)目中常見(jiàn)平臺(tái)A、B軸間距是18 m、20 m)。

圖9　墾利10-1 WHPA平臺(tái)井口布置

圖10　墾利10-1 WHPB平臺(tái)井口布置

3)1、2軸間距分別為18 m、20 m，間距較大(以前項(xiàng)目中常見(jiàn)平臺(tái)1、2軸間距是12 m、14 m)。

2.2墾利10-1 鉆機(jī)DES模塊的設(shè)計(jì)

墾利鉆機(jī)DES模塊的總體布置要根據(jù)平臺(tái)特點(diǎn)做相應(yīng)的設(shè)計(jì)。以前鉆機(jī)項(xiàng)目中，番禺4-2/5-1鉆機(jī)同樣采用分體式設(shè)計(jì)，而且也是墾利10-1之前最大跨距的450型鉆機(jī)。將兩個(gè)項(xiàng)目的鉆機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，能明顯地反應(yīng)出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變化。

兩鉆機(jī)主要參數(shù)對(duì)比詳見(jiàn)表2。

墾利10-1鉆機(jī)與番禺4-2/5-1模塊鉆機(jī)DES模塊的相似之處：同樣是分體式DES模塊，下底座同樣采用門式框架設(shè)計(jì)；均采用H型組合梁做滑道梁；主立柱斜撐均采用圓管；兩個(gè)鉆臺(tái)面的總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相似；兩個(gè)下底座的總體布局基本相似，甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也比較相近。

表2　墾利10-1與番禺4-2/5-1模塊鉆機(jī)參數(shù)對(duì)比

兩個(gè)鉆機(jī)的DES模塊也有不同之處，墾利10-1 DES模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有如下變化：

1)滑道梁平面內(nèi)，在1、2軸之間增加了斜撐，增加對(duì)跨距長(zhǎng)度范圍內(nèi)的H1800大梁水平面內(nèi)支撐(如圖11～12)，增強(qiáng)滑道梁結(jié)構(gòu)剛度、提高穩(wěn)定性。

圖11　番禺4-2 DES模塊滑道梁及

圖12　墾利10-1 WHPB DES模塊滑道

2)立面結(jié)構(gòu)支撐形式做了調(diào)整，取消了2根?406×13小支撐，兩個(gè)大斜撐在中點(diǎn)相交的結(jié)構(gòu)變成斜撐支點(diǎn)分開的設(shè)計(jì)(如圖13～14)。

3)主立柱、斜撐和滑道梁均增大了截面尺寸，詳見(jiàn)表2。該構(gòu)件組合保證了整個(gè)下底座的剛度足夠，滑道梁撓度小，滿足鉆臺(tái)面滑移的要求。番禺4-2和墾利10-1 DES模塊滑道梁撓度計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3和表4。

圖13　番禺4-2 DES模塊下底座立面結(jié)構(gòu)

圖14　墾利10-1 WHPB DES模塊下底座立面結(jié)構(gòu)

4)將DES模塊下層甲板1、2軸之間的主梁由H440×300的H型鋼改為H900×350的H型組合梁(如圖13～14)。主要考慮加強(qiáng)XA和XB軸兩個(gè)立面框架的剛度，保證下底座剛度足夠，減小滑道梁撓度。同時(shí)番禺4-2/5-1鉆機(jī)項(xiàng)目中在拖拉裝船、拖航和吊裝3個(gè)臨時(shí)工況時(shí)需要在下底座底部增加H588梁做臨時(shí)撐桿；由于H900對(duì)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，墾利10-1鉆機(jī)的臨時(shí)工況中省去了臨時(shí)撐桿。

5)平臺(tái)滑軌由T形單腹板結(jié)構(gòu)改為Π形雙腹板結(jié)構(gòu)(如圖15～16)。雙腹板結(jié)構(gòu)增加滑軌強(qiáng)度，提高承載能力。

圖15　番禺4-2模塊鉆機(jī)平臺(tái)滑軌結(jié)構(gòu)

圖16　墾利10-1 WHPB模塊鉆機(jī)平臺(tái)滑軌結(jié)構(gòu)

桿件編號(hào)位置跨距L/m許用變形a/cm最大變形b/cma/b4322-4001斜撐?508與1軸之間4.5L/500=0.9-0.7840.874005-40101軸與2軸內(nèi)側(cè)7.5L/500=1.5-0.7950.534006-40031軸與2軸內(nèi)側(cè)7.5L/500=1.5-0.8790.594007-40222軸右側(cè)懸臂梁2.6L/250=1.04-0.7020.68

表4　墾利10-1 WHPB DES模塊滑道梁計(jì)算結(jié)果

6)墾利10-1 WHPB DES模塊主要桿件UC值計(jì)算如表5。

表5墾利10-1 WHPB DES模塊主要桿件UC值

桿件型號(hào)最大UC值控制工況備注T300×610&H1800×6500.71吊裝滑道梁H1650×4500.72操作H1508×5000.82操作H957×3600.47操作H1200×4000.51地震H800×3000.91拖拉裝船H900×3500.56操作B300×3000.52操作H300A封BOXB900×3500.30拖航H900封BOX,懸臂梁生根處H700×3000.52極端風(fēng)暴H588×3000.90拖拉裝船H450×2000.90地震H440×3000.89操作H300×3000.80操作?1067×38/450.45吊裝?1067×380.46吊裝?1067×450.74地震?762×250.83操作?610×13/250.46拖航?610×130.65拖航?508×190.97吊裝2.0倍動(dòng)力系數(shù)BG600×9500.56地震鉆臺(tái)面基座

表5的結(jié)果表明，DES模塊主要構(gòu)件的UC值滿足規(guī)范要求，且具有足夠的余量。其中，桿件?610×13/25的設(shè)計(jì)受節(jié)點(diǎn)沖剪校核影響，UC值裕度較大[5]。

4結(jié)語(yǔ)

本文依托墾利10-1 WHPA和墾利10-1 WHPB模塊鉆機(jī)實(shí)際工程項(xiàng)目，主要論述了采用分體式結(jié)構(gòu)形式的大跨距模塊鉆機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。2015-04-23中國(guó)海洋石油有限公司宣布?jí)ɡ?0-1油田已投產(chǎn)，這標(biāo)志著兩套模塊鉆機(jī)均達(dá)到可使用的良好狀態(tài)。墾利10-1模塊鉆機(jī)的設(shè)計(jì)成果也為今后的大跨距模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建勇，王寧，胡澤剛，等.7 000 m海洋模塊鉆機(jī)滑軌結(jié)構(gòu)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41(6)：30-33.

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Large Span Structure Design of Offshore Module Drilling Rig

LIU Jingchen1，LIU Yongqin1，ZU Wei2，LI Yanli2，YANG Xiaolong2

(1.CNOOCLtd.，Tianjin，Tianjin300452，China；2.CNOOCEngineeringDesignCo.，Ltd.，Tianjin，Tianjin300452，China)

Abstract：KL10-1 WHPA & WHPB modular drilling rig(MDR) is by far the largest MDR of CNOOC，meanwhile，its span is also the largest.In this paper，the composition of the offshore modular drilling rig and the characteristics of different structural drilling equipment set (DES) of MDR were introduced，moreover，the paper focuses on the improvements of KL10-1 WHPB DES which has a split type structure form.Detail improvements are as followed：lateral support beams are added in the skid girder to strengthen stiffness and improve stability of skid girder；the span of the main girders located in the lower deck of Des is increased，which aims at improving overall strength and stiffness of the large span portal frame structure；T-shaped structure of slipway beam is changed into Π-shaped structure to gain the strength and improve the bearing capability.The calculation results show that the improved DES structure can meet the requirements of application.

Keywords：offshore modular drilling rig；drilling equipment set；large span structure；portal frame structure

中圖分類號(hào)：TE951

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.005

作者簡(jiǎn)介：劉靜辰(1980-)，男，天津靜海人，工程師，碩士，2007年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，主要從事海洋工程及鉆修井機(jī)設(shè)計(jì)工作，E-mail：liujch31@cnooc.com.cn。

收稿日期：①2015-08-26

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0020-06