崖城13-1PFA小撬塊組合式模塊鉆機結構設計

高建新，張 霖，張金磊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設工程分公司，天津 300452）

崖城13-1PFA小撬塊組合式模塊鉆機結構設計

高建新，張 霖，張金磊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設工程分公司，天津 300452）

崖城13-1PFA模塊鉆機是“小撬塊、組合式”海洋模塊鉆機，其各功能模塊由許多小撬塊組成，各小模塊之間通過銷軸或螺栓連接。對崖城模塊鉆機的DES模塊、PM模塊和DSM模塊進行有限元分析，重點對該鉆機與常規(guī)模塊鉆機進行對比，總結了小撬塊、組合式鉆機的結構型式與特點。該模塊鉆機每個撬塊可以利用平臺上新增的吊機進行海上安裝，極大地降低了海上施工費用，避免了對大型浮吊的依賴。

海洋鉆機；模塊化組裝；小撬塊；結構

崖城PFA氣田位于南海鶯歌海海域內，已開發(fā)的生產(chǎn)設施包括APD處理平臺、AWA井口平臺和SRP生活平臺。該氣田所處水深約90 m。

為了提高油田的生產(chǎn)能力，擬在AWA井口平臺甲板上安裝1臺ZJ70／4500型模塊鉆機，利用模塊鉆機在剩余的3個井槽內鉆3口生產(chǎn)井，同時在原生產(chǎn)井內鉆1口側鉆井，其設計年限為25 a。

鑒于海上施工資源的限制，大型浮吊協(xié)調難度較大。為盡早實現(xiàn)油田增產(chǎn)，將油田儲量變?yōu)楫a(chǎn)量，需盡快實現(xiàn)模塊鉆機就位。因此，在沒有大型浮吊進行海上施工的前提下，如何將模塊鉆機吊裝至崖城AWA井口平臺成為項目難點。為了實現(xiàn)模塊鉆機就位，結合近幾年積累的常規(guī)鉆機設計經(jīng)驗，通過反復對比分析，最終選擇將鉆機各功能模塊“化整為零”［1-4］，即將各模塊劃分為質量較小的撬塊，利用平臺現(xiàn)有吊機對新增的2臺40 t撬塊式吊機進行預安裝，然后利用新增吊機將模塊鉆機上的各個小撬塊吊裝就位。平臺全景和井口位置如圖1～2所示。

圖1 平臺全景

圖2 井口位置

1 項目概況

崖城13-1PFA模塊鉆機是中國海洋石油總公司自主研發(fā)設計的第1個“小撬塊、組合式”海洋模塊鉆機項目。該鉆機的主要特點是各功能模塊由許多小撬塊組成，各小模塊之間通過銷軸或螺栓進行連接，可利用預安裝到平臺上的40 t吊機對其進行安裝。

該鉆機將完成以下作業(yè)：

1） 沿井口區(qū)橫向和縱向移動，覆蓋所有井槽。

2） 在平臺上的預留井槽鉆調整井并完井。

3） 后期生產(chǎn)井的大修和各種小修作業(yè)。

4） 滿足后期油藏開發(fā)需求，在老井眼里進行側鉆及其完井作業(yè)。

5） 考慮可以搬遷到Y13-1B平臺上進行鉆完井作業(yè)。

崖城13-1PFA模塊鉆機的主要功能模塊與常規(guī)鉆機相同，由DES模塊（Drilling Equipment set）、DSM模塊（Drilling Support Module）、PM模塊（Power Module）和P-TANK模塊組成，其立面布置如圖3所示。

圖3 崖城模塊鉆機立面布置

該模塊鉆機的主要技術參數(shù)如表1。

表1 平臺鉆機主要設備及參數(shù)

2 結構設計

2.1 DES模塊

DES模塊由下滑移底座、可移動的鉆臺面及井架組成。下滑移底座通過8個支點坐落在平臺頂層甲板的滑軌上方，鉆臺面通過8個支點坐落在下滑移底座的4條滑道梁上。整個DES模塊沿平臺的南北方向移動，鉆臺面沿平臺的東西方向移動，可實現(xiàn)對平臺上每一口井的鉆修井作業(yè)。

應用SACS軟件分別對井架、鉆臺面和下移動底座建立有限元模型，根據(jù)不同的設計井位，選用分模型進行組合，對在位和地震2種工況進行整體分析［5］。該鉆機采用小撬塊式的設計思路，故需應用SACS軟件對各小撬塊進行吊裝分析，確保每個小撬塊的結構強度滿足要求。DES模塊的三維模型如圖4。

圖4 DES模塊三維結構模型

DES模塊結構構件最大名義應力比如表2～3。

表2 下滑移結構構件最大名義應力比

表3 可移動鉆臺結構構件最大名義應力比

2.2 PM模塊

PM模塊位于平臺頂層甲板西側，共3層，底層設有2個鉆井水箱，中間設有發(fā)電機房、空氣壓縮機房及日用柴油罐房等，頂層設有VFD房，變壓器間及辦公室等，另外，柴油罐及應急發(fā)電機房直接坐落于甲板上方。

PM模塊結構設計應用SACS軟件建立整體有限元模型，對在位和地震2種工況進行整體分析［5］。PM模塊的三維模型模型如圖5。

圖5 PM模塊三維結構模型

PM模塊結構構件最大名義應力比如表4。

表4 PM模塊結構構件最大名義應力比

2.3 DSM模塊

DSM模塊位于平臺甲板東側，共3層，底層設有泥漿泵房、泥漿罐、機油罐等，中層設有散料堆場、機修間、工具間等，頂層設為管子堆場。

DSM模塊結構設計應用SACS軟件建立整體有限元模型，對在位和地震2種工況進行整體分析［5］。DSM模塊的三維模型如圖6。DSM模塊結構構件最大名義應力比如表5。

圖6 DSM模塊三維結構模型

表5 DSM模塊結構構件最大名義應力比

3 結構特點

崖城小撬塊、組合式模塊鉆機的結構設計符合API、AISC、CCS和ABS規(guī)范，同時借鑒PL19-3組合型鉆機的結構型式，其主要特點如下。

1） 鉆機采用撬塊化設計。

由于鉆機采用平臺吊機的吊裝安裝形式，根據(jù)平臺現(xiàn)有吊機和新增吊機的實際起重能力，需將鉆機各功能模塊劃分為若干個小撬塊，每個小撬塊的質量不宜超過40 t，以滿足吊裝要求。為保證撬塊的質量不超過吊機的最大吊重，撬塊的分塊方案尤為重要。

2） 鉆機采用框架式的結構型式。

鉆機主要采用熱軋H型鋼及空心方管作為主體結構。由于質量的限制，在結構設計過程中需優(yōu)化結構的選材，同時要保證鉆機具有足夠的強度，以滿足作業(yè)期間的需求。采用框架結構型式可以有效地降低結構質量。

3） 鉆機各撬塊的連接形式多樣。

鉆機采用模塊化的設計要求，撬塊之間的連接節(jié)點設計區(qū)別于常規(guī)鉆機，即每個小撬塊之間主要采用銷軸和螺栓2種連接方式。采用這2種連接方式可以快捷、高效地完成現(xiàn)場組裝。

4） 鉆機海上安裝費用低。

鉆機在海上安裝過程中采用平臺吊機的安裝形式，故不需動用大型的浮吊及駁船，僅需要利用較大型的拖輪負責運輸各撬塊，這樣可以有效地降低海上安裝費用。

4 減輕結構質量措施

模塊質量控制是崖城小撬塊、組合式模塊鉆機結構設計的主要控制因素。由于崖城13-1AWA井口平臺為老平臺，模塊鉆機的質量受限于平臺的承載能力，同時鉆機采用平臺吊機的安裝方式，故對每個撬塊的質量需要嚴格地進行控制。在設計初始階段，根據(jù)提供的平臺吊機及新增吊機的實際起重能力，對鉆機各功能模塊開展分塊方案，以確保項目順利實施。

崖城鉆機結構設計采用的輕量化措施主要包括：

1） 根據(jù)模塊鉆機的總體布置要求，對各撬塊的結構型式進行合理的優(yōu)化。盡可能使桿件在各種受力狀態(tài)下都能發(fā)揮較大的作用，結構盡量對稱。

2） 對主體結構的選材，為減輕結構質量應盡量少選用單重較大的寬翼緣H型鋼，在適當?shù)奈恢脩M量減小構件的規(guī)格。但關鍵部位（如吊耳，基座，大型設備及主要節(jié)點等部位）應保證具備足夠的強度。

3） 利用X-STEEL三維軟件對模塊鉆機建立精確的結構模型，模型盡量做到準確、完整，以準確地控制結構質量。

4） 在設計過程中，各專業(yè)應互相協(xié)作，提供較為準確的設備質量。如果撬塊的質量超出預期的數(shù)值，將導致項目無法順利實施。

5 與常規(guī)鉆機進行對比

截至目前，海洋石油模塊鉆機設計水平已經(jīng)有了很大的提高，從已經(jīng)服役的各種鉆機中分析，不難得出，鉆機主要分為以下2種：

1） 常規(guī)鉆機。

常規(guī)鉆機是目前中海油所有海洋模塊鉆機項目中使用最廣泛的類型。常規(guī)鉆機各功能模塊部分的劃分非常明確，結構型式獨立，模塊之間通過拖鏈、軟管連接，整體性較好。常規(guī)鉆機往往采用海上整體吊裝，可以減少海上安裝的周期，但因模塊的整體質量較大，需動用大型浮吊和眾多支持船來完成海上吊裝作業(yè)，海上安裝費用較高。如果需要利用大型浮吊，需要提前鎖定船舶資源。

在這類鉆機中，以番禺30-1模塊鉆機、西江23-1模塊鉆機、旅大5-2模塊鉆機、渤中28-2南模塊鉆機、陸豐13-2模塊鉆機最具代表性。如圖7～10所示。

圖7 旅大5-2模塊鉆機

圖8 番禺30-1模塊鉆機

圖9 西江23-1模塊鉆機

圖10 渤中28-2南模塊鉆機

2） 小撬塊式、組合型鉆機。

該鉆機的主要特點是由多個小撬塊組裝而成，各小模塊之間通過銷軸和螺栓等進行連接，組成DES、DSM和PM等幾大功能模塊，其結構型式比較緊湊，空間利用率較高。海上安裝時可利用平臺吊機和海上支持船完成海上安裝作業(yè)，無需動用大型浮吊，大幅降低了海上安裝費用，但此類鉆機的安裝周期較長。此類鉆機以崖城13-1MPDR模塊鉆機和蓬萊19-3修井機最具代表性。如圖11～12。

圖11 崖城13-1模塊鉆機

圖12 蓬萊19-3修井機

6 結語

小撬塊式、組合型鉆機雖然在建造和安裝階段存在精度控制問題，但相對于常規(guī)鉆機，它具有獨特的優(yōu)勢，例如：縮短了模塊建造周期，各撬塊可同時施工；避免動用大型的浮吊，不受船舶資源短缺的影響，進而節(jié)省了現(xiàn)場建造時間并降低了施工成本。此外，該型式鉆機還可以實現(xiàn)平臺間的搬遷，滿足重復利用要求，可以作為今后鉆機研究的新方向。

［1］馮定，楊志遠，周魁．輕型可搬遷海洋鉆機模塊劃分方案研究［J］．石油礦場機械，2010，39（2）：46-47．

［2］王洪芳，姚志義，馮少明．組合型鉆修井模塊建造技術［J］．中國海上油氣，2010．22（6）：409-412．

［3］王長軍．崖城PFA小撬塊式模塊鉆機總體方案設計［J］．石油礦場機械，2011，40（1）：61-62．

［4］張建勇，王寧，胡澤剛，等．7000m海洋模塊鉆機滑軌結構優(yōu)化設計［J］．石油礦場機械，2012，41（6）：30-33．

［5］關德，劉孔忠．某海洋鉆井井架振動測試及有限元分析［J］．石油礦場機械，2012，41（8）：50-54．

Structure Design of Compact Rig Module in Yacheng 13-1PFA

GAO Jian-xin，ZHANG Lin，ZHANG Jin-lei
（Energy Technology&Services-Oilfield Construction Engineering Co．，CNOOC，Tianjin 300452，China）

marine drilling rig；modular assembling；compact module；structure

TE922

A

1001-3482（2014）01-0029-05

2013-07-01

高建新（1982-），男，天津人，工程師，主要從事海洋工程結構設計工作，E-mail：gaojx＠cnooc．com．cn。

Abstract：The compact offshore rig module in Yancheng 13-1PFA features for its small size modules combined compact with pins and bolts connection．An infinite element analysis was carried out for its DES module，PM module and DSM module．The comparison between the new and conventional ones and conclusion of its structure and feature were carried out as well．The module features for its compact size to be installed with existing lifter to save installation cost and avoiding the dependent of floating lifter．