鉆井支持平臺輔助張力腿平臺聯(lián)合作業(yè)應(yīng)用

杜 仲，劉永剛，畢鐵滿，李 偉，王金光

（1. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116000；2. Technip MHB Hull Engineering，吉隆坡 50400）

0 引 言

20世紀(jì)60年代初，鉆井支持平臺主要應(yīng)用于墨西哥灣水域水深150m以下的固定式平臺中；從20世紀(jì)80年代開始，鉆井支持平臺的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，至今已在7000多口油井中得到應(yīng)用。隨著海洋工程技術(shù)的不斷發(fā)展，這種平臺逐步在深水干式采油樹平臺中得到應(yīng)用，并衍生出一種可靠、高效、成熟的油田開發(fā)策略。鉆井支持平臺主要應(yīng)用于邊際油田和深水油田的開發(fā)中，同時(shí)因具有一定的靈活性而能輔助完成老舊平臺的鉆井作業(yè)和其他一些特殊作業(yè)。

1 鉆井支持平臺輔助鉆井作業(yè)分析

采用鉆井支持平臺輔助鉆井最顯著的優(yōu)勢之一是能減輕鉆井包的質(zhì)量。典型鉆井負(fù)荷對比見表1。鉆機(jī)平臺上的鉆井設(shè)備單元只需包含井架、井架底座、吊運(yùn)設(shè)備和部分固相控制設(shè)備，而泥漿泵、動力裝置、物資存儲裝置、生活單元、長井或深井作業(yè)需要的大量泥漿（特別是多種泥漿的情況）和套管等都可布置在支持平臺上。鉆井支持平臺上的鉆井設(shè)備單元相對較輕，只有平臺鉆機(jī)的20%～25%，可利用支持平臺自身的吊裝設(shè)備將其安裝到鉆機(jī)平臺上，不需要額外租用工作船或起吊船。深水平臺和超深水平臺的建造費(fèi)用和安裝費(fèi)用都很高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每減小1kg工作載荷，可節(jié)省5～35美元的成本。

表1 典型鉆井負(fù)荷對比 單位：t

與采用獨(dú)立的鉆機(jī)平臺的方式相比，采用鉆井支持平臺輔助鉆井作業(yè)的方式可提升10%～25%的工作效率。輔助鉆井的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

1) 鉆井設(shè)備單元區(qū)域更小。在同等作業(yè)能力下，鉆井設(shè)備單元水平和懸垂所占據(jù)的空間大概是平臺鉆機(jī)的1/3。

2) 能快速立井。對于大型鉆機(jī)平臺的立井過程而言，不管是利用自身吊機(jī)還是借助起重駁船，通常都需耗費(fèi)20～30d的時(shí)間，而采用鉆井支持平臺可在2～3d內(nèi)完成。

3) 具有額外的居住和建造功能。鉆井設(shè)備單元移出之后，臨時(shí)生活單元可布置在甲板上。平臺的甲板空間和配備的大型吊機(jī)可滿足建造工作的需求。

4) 具有額外的存儲空間。在鉆井作業(yè)開始之前，工作船運(yùn)輸?shù)膯尉@探物資都可裝載在輔助平臺上，這可使工作船因海況限制而引起的停工期縮短。

5) 試井效率更高。高速率試井需要高負(fù)載、大尺寸的設(shè)備：用于存儲洗井液的大體積水槽、試井油氣火炬臂架和大量的冷卻水，這些因鉆機(jī)平臺甲板空間有限而無法布置的設(shè)備都可存放在輔助鉆井平臺上。

6) 具有輔助功能。在輔助鉆井的同時(shí)，支持平臺能提供充足的甲板空間、生活單元和存儲能力及分離焊接區(qū)域，可用于線纜和軟管等設(shè)備的檢查及生產(chǎn)設(shè)備的安裝和維護(hù)。

7) 具有獨(dú)立的安全港。一旦鉆機(jī)平臺出現(xiàn)緊急狀況，鉆井支持平臺可作為營救和指揮中心，并可節(jié)省守備船使用過程中產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用。鉆井支持船在固定式平臺上的應(yīng)用見圖1。

圖1 鉆井支持船在固定式平臺上的應(yīng)用

2 半潛式鉆井支持平臺的發(fā)展歷程和適用條件

目前全球范圍內(nèi)有約25個(gè)輔助鉆井平臺，其中有4臺為半潛型。自20世紀(jì)80年代中期開始，一些鉆井承包商和運(yùn)營商嘗試臨時(shí)改裝已有的半潛式鉆井平臺，以輔助鉆井平臺的模式運(yùn)作，取得很大的成功。半潛式鉆井支持平臺的出現(xiàn)使得輔助鉆井的模式發(fā)展到一個(gè)新的階段。半潛式鉆井支持平臺優(yōu)越的運(yùn)動性能使得其能在相對惡劣的海況下作業(yè)。半潛式輔助鉆井平臺逐步成為深水油田區(qū)域和超深水油田區(qū)域開發(fā)中的一種可靠選擇，其性能比以往的單體平臺更優(yōu)，主要表現(xiàn)在：

1) 更好的運(yùn)動性能。特別是在安裝和卸載鉆井設(shè)備單元及傳遞較大的模塊或結(jié)構(gòu)的工程中。

2) 更高的空間利用率。主要是新的設(shè)備布局允許在以往的起吊區(qū)域存儲和放置消耗品。

3) 井架起升作業(yè)更便利。與半潛式輔助鉆井平臺相比，單體船或駁船通常需將船舷調(diào)整到靠近平臺的位置進(jìn)行井架起升作業(yè)，然后再將船尾調(diào)整到靠近平臺的位置進(jìn)行其他作業(yè)。

4) 自身更高的甲板高度使得其起重設(shè)備更容易延伸到40m高度的生產(chǎn)平臺的位置。

5) 更好的定位可靠性。單體船對橫向載荷和系泊破斷很敏感，在靠近平臺時(shí)不允許隨海況的變化而改變方位。

6) 能縮短因作業(yè)海況限制而引起的停工期。

在一定的水深范圍內(nèi)和一定的海底地質(zhì)條件下，自升式平臺是完成鉆井作業(yè)的首選；而在相同的作業(yè)區(qū)域和規(guī)格要求下，鉆井平臺的造價(jià)通常低于鉆井支持平臺。因此，鉆井支持平臺具有特定的應(yīng)用條件。在實(shí)際項(xiàng)目中，鉆井支持平臺的應(yīng)用對象主要包括：

1) 工作水深相對較深并且承載能力和空間有限的固定式平臺。

2) 自身性能下降或因安裝其他設(shè)備導(dǎo)致空間或承載能力受限的老舊平臺。

3) 覆蓋特定井口數(shù)量的Spar或張力腿平臺（Tension Leg Platform, TLP）。

生產(chǎn)平臺的工作性能會隨著工作年限的增加而下降，生產(chǎn)設(shè)備的安裝會減少甲板的使用空間和降低平臺的承載能力，在開發(fā)新井時(shí)可能已失去原有的獨(dú)立鉆井能力。鉆井支持平臺對這類老舊平臺具有獨(dú)特的吸引力。

對于需優(yōu)先考慮質(zhì)量和空間問題的深水Spars和TLP：若井口數(shù)量為9～24個(gè)，則適合選用鉆井支持平臺；若井口數(shù)量少于9個(gè)，則對應(yīng)平臺的尺寸較小，無法承受任何形式的井架或鉆井設(shè)備單元，因此鉆井作業(yè)需由其他平臺來完成；若井口數(shù)量超過 24個(gè)，則對應(yīng)平臺體積龐大，足以承受模塊化鉆機(jī)的作業(yè)載荷并滿足鉆井作業(yè)對甲板面積的需求，因此不需要鉆井支持平臺的輔助。

3 TLP選用鉆井支持平臺的主要特點(diǎn)

TLP可應(yīng)用干式采油構(gòu)架，在深水作業(yè)或超深水作業(yè)中具有良好的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。TLP對工作載荷和甲板面積有特定的限制，其鉆井作業(yè)主要采用以下3種方案：

1) 使用自身配置的鉆井設(shè)備鉆井。包括鉆井塔、電力供應(yīng)裝置和立管在內(nèi)的整個(gè)鉆井包及泥漿等鉆井消耗品全部安置在平臺上。

2) 完全依賴其他平臺鉆井。當(dāng)獨(dú)立的鉆井平臺被定位到井口上方進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，TLP被暫時(shí)移出原來的工作區(qū)域。

3) 依托鉆井支持平臺進(jìn)行聯(lián)合鉆井。當(dāng)需要進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，將鉆井塔安裝在TLP上；鉆井過程中用到的消耗品、發(fā)電設(shè)備及鉆井人員的起居場所都可安置到鉆井支持平臺上。

鉆井作業(yè)周期取決于井槽的數(shù)量和油井的深度。對于TLP來說，其鉆井作業(yè)周期相對于使用壽命較短。然而，鉆井配套設(shè)施對平臺的浮體尺寸和張力腿強(qiáng)度（甚至是總體結(jié)構(gòu)）有很大的負(fù)面影響。因此，合理地減小鉆井工作載荷非常必要。相對于配置完整的鉆井設(shè)備，使用鉆井支持平臺的TLP可減小約75%的鉆井工作載荷，相應(yīng)地降低約75%的甲板面積要求，這可有效降低船體和張力腿的造價(jià)。這源于移除，移除的主要部分包括鉆井生活模塊、鉆井電力供應(yīng)設(shè)備、泥漿和水泥的存儲、泥漿的處理和清理設(shè)備、管架存儲、立管存放、完井液的儲備、鉆井水存儲及燃油存儲。TLP使用鉆井支持平臺的一個(gè)天然優(yōu)勢是其定位由自身跨度很小的張力腿來實(shí)現(xiàn)，這有利于控制兩浮體定位系統(tǒng)之間的干涉。2000年以后建造的TLP匯總見表2，鉆井支持平臺輔助鉆井的模式已在墨西哥灣、西非、巴西和東南亞海域得到應(yīng)用。

表2 2000年以后建造的TLP匯總

4 TLP與鉆井支持平臺聯(lián)合作業(yè)的設(shè)計(jì)工況和考慮因素

TLP與鉆井支持平臺聯(lián)合作業(yè)的設(shè)計(jì)工況包括：

1) 鉆井設(shè)備轉(zhuǎn)移和安裝。部分設(shè)備的轉(zhuǎn)移對兩浮體之間的距離和方位有嚴(yán)格限制。

2) 輔助鉆井作業(yè)。柔性軟管一方面向干樹井傳送高壓泥漿，另一方面保障鉆井氣體供應(yīng)和低壓泥漿回流；臍帶纜用于信號控制和電力供應(yīng)；伸縮式舷梯為工作人員提供往返的通道，保持連接狀態(tài)。

3) 等待和避離。

鉆井支持平臺與TLP聯(lián)合作業(yè)實(shí)況見圖2，其典型的作業(yè)工況見圖3～圖5。

圖2 鉆井支持平臺與TLP聯(lián)合作業(yè)實(shí)況

圖3 輔助鉆井作業(yè)

圖4 鉆井設(shè)備轉(zhuǎn)移與安裝

圖5 避離工況

鉆井支持平臺輔助鉆井作業(yè)過程中面臨的最大挑戰(zhàn)是控制兩浮體之間的相對運(yùn)動[3-4]。實(shí)踐結(jié)果證明：布置于TLP與鉆井支持平臺之間的纜繩可有效同步兩浮體的運(yùn)動，從而減弱彼此間的相對運(yùn)動；同時(shí)，作為一種從動的定位系統(tǒng)，可提供安全高效的作業(yè)條件。整個(gè)系泊系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)為：兩浮體之間由2根或4根尼龍繩連接；在TLP遠(yuǎn)離鉆井支持平臺的一端布置多條系泊纜來提供反向的水平拉力，以保證兩浮體之間的纜繩保持張緊狀態(tài)；鉆井支持平臺自身的定位由散布的張緊式系泊纜實(shí)現(xiàn)，通過在遠(yuǎn)離TLP一端的系泊纜上安裝浮筒來提供額外的水平拉力。這種相互聯(lián)動的定位方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可通過調(diào)整各條系泊纜的長度來確保TLP位于井口正上方。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮并能保證選取的纜繩既可有效限制兩浮體之間的低頻相對運(yùn)動，又有足夠的彈性減小浮體波頻運(yùn)動引起的張力。

對于這種相對位置可調(diào)的多體運(yùn)動而言，需根據(jù)作業(yè)要求規(guī)劃好2個(gè)平臺在不同條件下的名義距離，建立充分的風(fēng)險(xiǎn)評估表并進(jìn)行潛在碰撞分析。系泊系統(tǒng)的耦合作用和瞬態(tài)效應(yīng)通過時(shí)域分析來模擬，并在此基礎(chǔ)上評估浮體之間的相對運(yùn)動[5-7]。

1) 在一年一遇的海況條件下，鉆井支持平臺開展常規(guī)作業(yè)。這時(shí)應(yīng)保證纜繩斷裂后兩浮體間的瞬態(tài)最小距離不小于限定值；保持臍帶纜和泥漿軟管處于足夠松弛的狀態(tài)，不發(fā)生過載；分析系泊纜斷裂之后（破斷點(diǎn)包括導(dǎo)纜孔處、浮塊連接處、靠近錨連接處或錨連接處）各部分行進(jìn)的軌跡，確保浮塊、錨鏈和鋼絲繩既不會碰到TLP的船體和立管，也不會搭落于TLP系泊纜上。當(dāng)超過該海況條件時(shí)，需斷開臍帶纜、泥漿軟管和通道的連接。

2) 在十年一遇的海況條件下，鉆井支持平臺進(jìn)入等待區(qū)域，仍通過纜繩與TLP連接。這時(shí)需考慮單根系泊纜斷裂的瞬態(tài)效應(yīng)并確保鉆井支持平臺與TLP不發(fā)生碰撞。

3) 在百年一遇的海況條件下，鉆井支持平臺斷開與纜繩的連接，撤離到避離區(qū)域。這時(shí)需確保系泊系統(tǒng)在完整工況和破損工況下的完備性和冗余度，以避免與TLP發(fā)生碰撞。

5 結(jié) 語

本文介紹了鉆井支持平臺輔助鉆井作業(yè)的發(fā)展歷程、主要優(yōu)勢和應(yīng)用范圍及TLP對鉆井支持平臺的選用，主要闡述了鉆井支持平臺輔助TLP聯(lián)合作業(yè)的典型工況和前期設(shè)計(jì)過程中系泊設(shè)備的設(shè)計(jì)與選取及分析多體耦合系泊時(shí)需考慮的各種要求。鉆井支持平臺的應(yīng)用可降低油田區(qū)域開發(fā)整體方案中浮體部分的功能性要求，減少浮體（特別是TLP）的前期資本投入。在浮體選型的概念設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對這種作業(yè)模式的經(jīng)濟(jì)性和適用性進(jìn)行綜合考量。