第七代半潛式鉆井平臺(tái)鉆臺(tái)設(shè)計(jì)

楊鵬，劉超，李慧瑩，蔡京儒

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)、科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步發(fā)展，油氣資源及其他能源的需求日益增加，而現(xiàn)有的陸地資源已無(wú)法滿足持續(xù)增長(zhǎng)的能源需求。因此對(duì)海洋領(lǐng)域特別是深水海域油氣資源的勘探開發(fā)成為重中之重。

目前我國(guó)在深水海域油氣資源開發(fā)方面取得了一定的成績(jī)[1]，但是核心技術(shù)掌握不夠，所采用的關(guān)鍵核心設(shè)備特別是鉆井設(shè)備仍然為國(guó)外企業(yè)所壟斷，國(guó)產(chǎn)化程度不高。為進(jìn)一步發(fā)展我國(guó)海洋石油裝備，逐步實(shí)現(xiàn)海洋石油裝備的國(guó)產(chǎn)化，擺脫海洋高端裝備依賴進(jìn)口的不利局面，以“第七代半潛式鉆井平臺(tái)”項(xiàng)目為依托，對(duì)其鉆井系統(tǒng)配套的鉆臺(tái)技術(shù)進(jìn)行研究，成功設(shè)計(jì)了滿足其工藝流程和作業(yè)需求的鉆臺(tái)，如圖1所示。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 先進(jìn)性原則

1）鉆臺(tái)的設(shè)計(jì)滿足雙井口作業(yè)的要求，滿足雙井架和先進(jìn)鉆井設(shè)備安裝及運(yùn)行的需要；

2）鉆臺(tái)的設(shè)計(jì)滿足鉆井載荷、BOP吊機(jī)載荷、隔水管載荷及風(fēng)浪流力的共同作用；

3）鉆臺(tái)的設(shè)計(jì)符合最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、HSE要求。

1.2 輕量化原則

圖1 第七代半潛式鉆井平臺(tái)示意圖

鉆臺(tái)的主要作用是在作業(yè)過(guò)程中為井架、絞車、立根，以及相關(guān)鉆井設(shè)備提供支撐及安裝空間，為隔水管、立根、柱式排管機(jī)等提供輸送通道，為操作人員提供充足的作業(yè)空間，是鉆井載荷傳力路徑的載體。鉆臺(tái)質(zhì)量過(guò)大將引起平臺(tái)質(zhì)心、浮心坐標(biāo)位置的變化，造成平臺(tái)作業(yè)時(shí)穩(wěn)定性和安全性風(fēng)險(xiǎn)的增加。因此必須嚴(yán)格控制質(zhì)量，在滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和內(nèi)部空間要求的前提下盡力做到輕量化設(shè)計(jì)。

1.3 經(jīng)濟(jì)性原則

鉆臺(tái)屬于大型鋼制結(jié)構(gòu)件，在制作過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的人力和物力。設(shè)計(jì)時(shí)要本著經(jīng)濟(jì)性的原則[2]，一方面采用高強(qiáng)度材料來(lái)減輕構(gòu)件質(zhì)量，節(jié)約原材料采購(gòu)成本；另一方面優(yōu)化結(jié)構(gòu)并提高產(chǎn)品裝配及焊接等工藝性能，節(jié)約制造成本。

2 技術(shù)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

第七代半潛式鉆井平臺(tái)平臺(tái)采用了雙聯(lián)井架作業(yè)工藝，雙井架及鉆臺(tái)布置在月池正上方，采油樹處理系統(tǒng)與BOP處理系統(tǒng)分列平臺(tái)的左、右舷布置[3]。主鉆井系統(tǒng)和輔助鉆井系統(tǒng)并行、協(xié)同作業(yè)，可以大大提高鉆井的作業(yè)效率。鉆臺(tái)[4]有效高度為9 m,凈空高為7 m,整體上呈開口朝向船艏的“凹”字型，為大跨距門框式結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用分層布置，高低錯(cuò)落有致，最大限度地保證了設(shè)備安裝空間和運(yùn)行通道。鉆臺(tái)平面布置如圖2所示，鉆臺(tái)主框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 鉆臺(tái)平面布置圖

圖3 鉆臺(tái)主框架布置圖

根據(jù)鉆臺(tái)部分承載情況，將鉆臺(tái)劃分三大區(qū)域：主承載區(qū)、輔承載區(qū)和功能區(qū)（如圖4）。

主承載區(qū)下方為張緊器滑移導(dǎo)軌和月池，上方為立根區(qū)域和雙井架，井架載荷、轉(zhuǎn)盤載荷、立根載荷、張緊器載荷等都通過(guò)該區(qū)域傳遞，同時(shí)在左舷側(cè)還需承受BOP吊機(jī)導(dǎo)軌支架傳遞的載荷，在右弦側(cè)需承受采油樹導(dǎo)軌支架傳遞的載荷，為鉆臺(tái)的主要受力區(qū)域。主承載區(qū)下方設(shè)有8個(gè)主承載立柱，這些立柱與臺(tái)面上井架支腳位置一一對(duì)應(yīng)。主承載區(qū)安裝的設(shè)備有液壓轉(zhuǎn)盤、軌道式鐵鉆工、旋轉(zhuǎn)貓頭和柱式排管機(jī)等。

輻承載區(qū)主要為隔水管圍欄提供3面支撐（隔水管圍欄靠船艏側(cè)支腿坐落在主甲板上，其他3個(gè)面座落到鉆臺(tái)面上），同時(shí)在左舷側(cè)還需承受BOP吊機(jī)導(dǎo)軌支架傳遞的載荷。

圖4 鉆臺(tái)區(qū)域劃分示意圖

功能區(qū)除在左舷側(cè)需承受BOP吊機(jī)導(dǎo)軌支架傳遞的載荷外，其余部位僅承受設(shè)備的自重。功能區(qū)鉆臺(tái)上方7.5 m以內(nèi)的空間設(shè)有雙層框架架構(gòu)，安裝有LIR房、DIR房、絞車和導(dǎo)繩機(jī)等設(shè)備。

鉆臺(tái)主大梁采用高強(qiáng)度板料組焊的大截面組焊H型鋼制作，主承載立柱為采用高強(qiáng)度鋼板制作而成的大截面箱型結(jié)構(gòu)，整個(gè)鉆臺(tái)具有承載能力高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

2.2 技術(shù)參數(shù)

鉆臺(tái)高度為9 m；鉆盤梁底面至甲板面凈空高為7 m；雙井口間距為18 m；立根載荷為7500 kN；環(huán)境載荷：正常作業(yè)工況為36 m/s，風(fēng)暴自存工況為56.5 m/s。

鉆臺(tái)質(zhì)心處的動(dòng)態(tài)加速度[5]值相加表如表1所示。

表1 波浪向下加速度最大值匯總表

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大跨距重承載的輕型鉆臺(tái)設(shè)計(jì)

第七代鉆井平臺(tái)井口間距為18 m,月池尺寸為42 m×8.8 m，鉆臺(tái)橫跨了整個(gè)月池的大部分，鉆臺(tái)尺寸為28.4 m×38.2 m（左右向尺寸×艏艉向尺寸）；僅單個(gè)井口的載荷就可達(dá)到1150 t，這些參數(shù)均大于全球較為先進(jìn)的海洋平臺(tái)。表2統(tǒng)計(jì)了全球較為先進(jìn)的幾個(gè)鉆井平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)[6]。

表2 鉆井平臺(tái)主參數(shù)對(duì)比

為解決大跨距和重載荷對(duì)雙井架和鉆臺(tái)帶來(lái)的不利影響，一方面對(duì)鉆臺(tái)的主承載構(gòu)件材料采用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度合金鋼；另一方面在鉆臺(tái)下部根據(jù)各支點(diǎn)載荷的大小設(shè)置合理的支撐立柱，在有效地保證雙井架和鉆臺(tái)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及剛度的同時(shí)最大限度地降低了鉆臺(tái)的質(zhì)量。

3.2 緊湊型雙層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

海洋鉆井平臺(tái)對(duì)自動(dòng)化作業(yè)程度要求較高，配套自動(dòng)化設(shè)備種類齊全，而眾多的設(shè)備在安裝時(shí)需要充足的空間，這就要求必須在有效的空間內(nèi)對(duì)各設(shè)備合理布局。第七代半潛式鉆井平臺(tái)在方案設(shè)計(jì)時(shí)為保證鉆桿、隔水管、軌道式鐵鉆工等的運(yùn)行通道，將大梁的輔助設(shè)備放在了功能區(qū)。而功能區(qū)除開鉆桿和隔水管的運(yùn)行通道以外，僅剩船艉側(cè)兩個(gè)井口之間的有限空間可以利用。為此，在功能區(qū)上方設(shè)計(jì)了緊湊的雙層框架結(jié)構(gòu)，解決了1個(gè)儲(chǔ)物間、2臺(tái)LIR房、2臺(tái)DCR房、2臺(tái)鉆井絞車及2臺(tái)導(dǎo)繩機(jī)的安裝，利用有效的空間最大限度地保證了設(shè)備安裝。

圖5 緊湊型雙層框架結(jié)構(gòu)

3.3 復(fù)雜工況下大型鋼結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

海洋鉆井平臺(tái)在風(fēng)、浪、流的作用下會(huì)產(chǎn)生六自由度運(yùn)動(dòng)（ 橫蕩、 縱 蕩、 垂 蕩、 橫 搖、 縱搖及艏搖），動(dòng)邊界[7]及承受海洋環(huán)境載荷是海洋鉆機(jī)與陸地鉆的一個(gè)重要區(qū)別。因此鉆臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要承受結(jié)構(gòu)自重、鉆井載荷、BOP吊機(jī)載荷、采油樹吊機(jī)載荷、張緊器載荷和隔水管圍欄載荷，還需考慮風(fēng)載荷和波浪載荷等的聯(lián)合作用。根據(jù)API 4F（第4版）規(guī)范規(guī)定，應(yīng)用有限元軟件建立鉆臺(tái)的有限元模型，并按AISC 335-89規(guī)范對(duì)所有構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了校核，解決了大型鋼結(jié)構(gòu)件在復(fù)雜工況下的強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析的技術(shù)難點(diǎn)，在保證了鉆臺(tái)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高了平臺(tái)建造的經(jīng)濟(jì)性[8-9]。

4 結(jié) 語(yǔ)

從全球海洋鉆井平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，滿足超深水作業(yè)、承受較大可變載荷、全自動(dòng)化控制、作業(yè)效率更高的半潛式平臺(tái)[10]依舊是今后發(fā)展的主流趨勢(shì)。第七代半潛式鉆井平臺(tái)鉆臺(tái)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的達(dá)到性能先進(jìn)、安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)要求，其設(shè)計(jì)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、世界先進(jìn)的水平，滿足超深水鉆井平臺(tái)的需求。同時(shí)，這也是國(guó)內(nèi)首次獨(dú)立設(shè)計(jì)、自主研發(fā)的第七代鉆井平臺(tái)配套用的鉆臺(tái)，填補(bǔ)了國(guó)家在超深水鉆井平臺(tái)鉆臺(tái)設(shè)計(jì)方面的空白。

第七代半潛式鉆井平臺(tái)鉆臺(tái)的成功設(shè)計(jì)，積極響應(yīng)了“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略方針的要求，對(duì)推動(dòng)海洋石油裝備關(guān)鍵產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化具有積極的意義。