9 000 m海洋鉆井模塊方案分析

狄麗莉，張 鵬，韓 冰，高永杰，祝國彬

（1.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010；2.遼寧天意實業(yè)股份有限公司，遼寧盤錦124010；3.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070）

9 000 m海洋鉆井模塊方案分析

狄麗莉1，張 鵬2，韓 冰1，高永杰1，祝國彬3

（1.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010；2.遼寧天意實業(yè)股份有限公司，遼寧盤錦124010；3.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070）

CP-300自升式鉆井平臺配備了ZJ90／6750DB海洋鉆井模塊。介紹了該鉆井模塊的總體設計方案。為了達到功率大、尺寸小、質(zhì)量輕的要求，JC90DB型絞車采用單軸單級齒輪傳動方案。針對作業(yè)工況和載荷，采用SESAM軟件分析了鉆臺的應力分布，采用高強度板材，實現(xiàn)結構質(zhì)量控制目標，通過試驗得到了D550高強度板材焊接的工藝程序。采用SACS軟件分析了井架的受力和位移，達到強度和穩(wěn)定性要求，并提出了井架的吊裝方法。

鉆井平臺；鉆井模塊；絞車；鉆臺；井架

20世紀90年代以來，世界海上石油勘探與開發(fā)占石油開發(fā)總量的比重越來越大，這為海洋油氣工程設備的發(fā)展提供了機遇。世界海洋石油裝備的主要生產(chǎn)國在亞洲的新加坡、日本和韓國，而海洋工程設備的技術開發(fā)主要集中在美國、瑞典、荷蘭和挪威等國家，亞洲國家生產(chǎn)海工產(chǎn)品的技術及圖紙大部分來源于這些國家。

在國內(nèi)，海洋石油工程處于發(fā)展階段。就平臺的建造來講，由于我國海上油氣技術裝備的發(fā)展起步較晚，在裝備、規(guī)模、技術水平和項目管理水平上仍存在著較大的差距，很多關鍵的、主要的設備和部件依賴進口。另外，很多造船企業(yè)對鉆機的結構和鉆井工藝流程不熟悉，鉆井模塊的配置主要依靠國外，這嚴重制約了我國海洋裝備的發(fā)展［1-3］。

9 000 m海洋鉆井模塊用于配套我國第1艘獨立設計、建造的具有自主知識產(chǎn)權的CP-300海洋鉆井平臺。該鉆井模塊配置ZJ90／6750DB型鉆機，適用于水深91.4 m（300 ft），鉆井深度9 000 m的海上石油鉆探作業(yè)，能夠滿足鉆井、固井和輔助試油等作業(yè)工況的要求。本文介紹了該海洋鉆井模塊的總體設計方案和核心部件設計及其創(chuàng)新技術。

1 總體方案

9 000 m海洋鉆機模塊是由提升系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、鉆臺底座、輔助系統(tǒng)及相應的設備組成（如圖1）。

圖1 9 000 m海洋鉆井模塊總體布置方案

1.1 平臺主要技術參數(shù)

1.2 環(huán)境條件

1.3 傳動方案［4-6］

該9 000 m海洋鉆機系統(tǒng)采用交流變頻電機驅動，絞車、轉盤、泥漿泵的傳動方案如圖2。電傳動系統(tǒng)配置：采用5臺CAT3516B型柴油發(fā)電機組作為主動力，發(fā)出600 V，50 Hz交流電。通過VFD房，采用13臺變頻器一對一驅動13臺交流變頻電動機（3臺泥漿泵各用2臺800 k W交流變頻電動機，1臺絞車用4臺720 k W交流變頻電動機，1臺轉盤用1臺720 k W交流變頻電動機，2套自動送鉆系統(tǒng)用2臺45 k W交流變頻電動機），拖動性能滿足泥漿泵、絞車、轉盤及自動送鉆的技術要求。電傳系統(tǒng)采用一對一控制方式，AC-VFD-AC傳動。

圖2 鉆井模塊傳動原理

2 鉆臺

根據(jù)設備配置，采用SESAM軟件建立有限元模型，對鉆臺在幾種工況下的應力分布進行分析（如圖3）。工況條件：

1） 滿立根最大鉤載、滿立根最大轉盤載荷和底座移動3種工況。

2） 基本載荷和組合載荷2種工況。

3） 遠洋拖航工況。

載荷組合及工況編號如表1～2。

表1 滿立根最大鉤載工況載荷組合

表2 滿立根最大轉盤載荷工況載荷組合

表2（ 續(xù)）

通過計算分析可見，與井架連接的4個主腿（如圖3c）和轉盤梁處應力較大（如圖3d），其結果如圖3e～3i。

圖3 鉆臺結構的有限元分析結果

為解決4個主腿和轉盤梁應力大的問題，同時控制鉆臺質(zhì)量，采用了D550高強度板材。D550高強度船板是首次應用到底座結構中，所以需要進行相關的焊接工藝評定。通過多次試驗，確定了D550高強度板材焊接的工藝程序，并編制了焊接工藝和規(guī)程［7-9］：

冷卻速度20℃／h，至環(huán)境溫度

該焊接評定規(guī)程能夠指導操作人員正確高效的作業(yè)，能夠保證產(chǎn)品的一次合格率達到98%，符合CCS材料與焊接規(guī)范的要求。

3 絞車

3.1 創(chuàng)新性的結構

通過分析現(xiàn)有國內(nèi)9 000 m海洋鉆機配套的絞車，發(fā)現(xiàn)其在功率和結構尺寸上存在矛盾，即功率大，則結構尺寸大，過多占用鉆臺空間，運輸搬遷困難；結構尺寸小，則功率小，鉆井效率低。

為解決這一矛盾，設計人員借助先進的UG等設計軟件，創(chuàng)新性的設計了JC90DB型單軸單級齒輪傳動絞車，其傳動原理如圖4。該絞車額定輸入功率達到2 880 k W，絞車外形尺寸8 182 mm× 3 060 mm×2 970 mm，質(zhì)量僅有60 000 kg。

圖4 絞車傳動原理

JC90DB型絞車采用4臺720 k W大功率交流變頻電機，通過4根球籠等速萬向聯(lián)軸器和4個小齒輪來驅動滾筒軸上2個大齒輪，使得滾筒得到足夠的功率和轉矩。在2臺主電機的1側各連接1套小電機自動送鉆裝置。在滾筒兩側各有一套高可靠性的盤式剎車裝置，剎車盤采用水冷卻。兩副齒輪單元采用兩套獨立的強制潤滑系統(tǒng)，均采用雙泵結構。自動送鉆裝置和齒輪單元均通過氣缸-花鍵離合器機構，通過離合器壓力表輸出信號，使得離合更加安全可靠。配備液壓盤式剎車，同時具備常開式工作鉗和常閉式安全鉗的復合式裝置，形成安全互鎖并互為備份。具有工作制動、緊急制動、駐車制動、過卷保護等多重保護的功能，剎車盤采用風冷方式。

JC90DB型絞車的傳動效率達到了0.96以上，質(zhì)量僅為同類型絞車的80%，且外型尺寸較小可以獨立作為一個運輸單元，滿足國內(nèi)鐵路、公路的要求。JC90DB型絞車的設計已獲批國家發(fā)明專利。

3.2 先進的自動換擋系統(tǒng)

傳統(tǒng)的換擋裝置是通過手動換擋桿在限位板上移動，來實現(xiàn)撥叉桿的轉動帶動撥叉的移動來進行換擋的。這樣的手動換擋方式需有人員操作，勞動強度大，操作稍有不熟練，就會出現(xiàn)碰齒、打齒等現(xiàn)象。針對這一問題，設計了智能氣控換擋系統(tǒng)，可由司鉆臺遠程控制齒式離合器進行換擋。

4 井架

4.1 結構及有限元分析

井架的結構除了要承受鉆井作業(yè)時的最大鉤載外，還要安裝天車、頂驅反轉矩梁、二層臺、大鉗平衡重、立管臺和梯子等，以及安裝照明線路、氣路、電視監(jiān)視線路、電子防碰等電氣設備。同時，井架抗風能力要滿足以下要求：正常作業(yè)（等候天氣：無鉤載，滿立根）設計風速36 m／s；風暴自存（保全設備：無鉤載，無立根）設計風速51.5 m／s。

9 000 m海洋鉆井模塊使用HJJ675／52-T型井架，該井架有效高度52 m，立根容量（4?2英寸鉆桿，28 m立根）9 000 m，最大鉤載（7×8輪系）6 750 k N。

該井架為瓶頸式、栓裝封閉式鋼結構，與陸地銷軸式連接方式相比，安裝的自由度降低，設計的結構除滿足使用工況外，還要滿足安裝的方便性和可行性。

針對以上設計要求，井架主體設計成5段，采用SACS軟件分析，通過建立387個節(jié)點，770個桿單元，96個板單元，基本載荷工況20種，合成載荷工況25種，對井架的作業(yè)工況、預期風速工況和不可預期風速工況進行模擬，計算結果如圖5，最大UC比（桿件最大應力與其許用應力的比值）均＜1，符合API 4F規(guī)范的要求。

圖5 井架的有限元分析結果

4.2 安裝方案

4.2.1 設計及制造精度控制

1） 在設計過程中，通過UG三維建模，確保連接板件及桿件的設計位置準確無誤。

2） 在生產(chǎn)過程中，采用先進的焊接工藝，確保井架四條大腿（立柱）各自的直線度公差在每米長度上不超過1／1000，井架下直段不超過15 mm，井架上斜段不超過8 mm。井架各橫截面應為正方形，對角線長度差應不超過3 mm。

3） 在車間衍裝過程中，采用工藝銷配焊定位技術，確保主體結構連接的準確性。

4） 在安裝過程中，通過調(diào)整機構調(diào)整，安裝完畢后，過天車中心且與鉆臺面垂直的中垂線通過鉆臺面井口中心，公差不超過25 mm。

4.2.2 分段吊裝方案

在井架設計過程中，充分考慮吊裝的需要，所有附屬結構根據(jù)井架分段進行了合理分配，劃分了3個吊裝單元（如圖6～8），保證了附屬結構的低位安裝，實現(xiàn)了井架主體及其附屬結構一次性安裝成功。

圖6 井架第1段吊裝示意

圖7 井架第2端吊裝示意

圖8 井架第3段吊裝示意

5 結論

1） 海洋9 000 m鉆井模塊技術先進，配備科學，穩(wěn)定性好。

2） JC-90DB型單軸單級齒輪傳動絞車的功率大，結構尺寸小，傳動效率高，已獲得國家發(fā)明專利。

3） 通過SACS軟件分析，井架結構滿足現(xiàn)場工況要求。通過UG三維建模及工藝配合，實現(xiàn)井架主體及其附屬結構一次性安裝成功。

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Analyses on Design of 9 000 m Marine Drilling Rig

DI Li-li1，ZHANG Peng2，HAN Bing1，GAO Yong-jie1，ZHU Guo-bin3
（1.China Petroleum Liaohe Equipment Company，Panjin 124010，China；2.Liaoning Tianyi Industry Co.，Ltd.，Panjin 124010，China；3.Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China）

The CP-300 jack-up rig is equipped with ZJ90／6750DB offshore drilling module.The overall design scheme of the drilling module is introduced in this paper.In JC90DB drawworks，single shaft and single gear transmission scheme are adopted for reaching the requirement of big power，small size and light weight.Aiming at operation condition and load，SESAM software is adopt to analyze the stress distribution of drill floor.Weight control is realized by using high strength plates.SACS software is adopt to analyze the force and displacement of derrick for achieving the strength and stability requirement；hoisting method for derrick is also proposed.

jack-up rig；drilling module；drawworks；drill floor；derrick

TE951

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.018

1001-3482（2014）12-0071-07

2014-07-17

狄麗莉（1981-），女，遼寧盤錦人，碩士，現(xiàn)從事石油鉆采裝備的設計工作，E-mail：dilili1981＠126.com。