深水鉆井船鉆井系統(tǒng)設(shè)計研究

趙 建 亭

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

鉆井船通常具有自航能力，以及機動性好、停泊簡單、可變載荷大、存儲能力強等優(yōu)點，特別適用于深水勘探鉆井作業(yè)。目前，深水鉆井船通常采用動力定位系統(tǒng)，既有無限航區(qū)航行船的特點，又有特定環(huán)境條件及海域作業(yè)的海洋工程裝備的特點，是“型船”與“鉆機”的完美結(jié)合體。

鉆井船的船體結(jié)構(gòu)與普通船類似，常為單船體式，也有雙船體式。鉆井船的“中央月池”開設(shè)在船體的中央，處在縱橫搖的搖擺中心附近，中央月池置于此處能將船體的縱搖、橫搖及升沉運動對浮式鉆機的影響減小到最低程度[1,2]。

鉆井系統(tǒng)是深水鉆井船的“任務(wù)系統(tǒng)”，也是該型船各個系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)；深水浮式鉆井系統(tǒng)的特性要求決定了鉆井船的基本性能及作業(yè)方式不同于常規(guī)的航行船舶，深水鉆井系統(tǒng)的設(shè)計及關(guān)鍵系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方式?jīng)Q定了鉆井船的船型和主尺度。

1 設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 基本要求

深水鉆井船鉆井系統(tǒng)設(shè)計以最大作業(yè)水深及最大鉆井深度為基本要求，可以按照干貨、散貨及液貨這3類物流品處理解決方案展開設(shè)計。3類物流品涵蓋的品種、物流方式及所需的物流設(shè)備參見表1。

布置在鉆臺上的司鉆房是鉆井系統(tǒng)的控制中樞，把信息、控制、電力和液壓等各個關(guān)鍵子系統(tǒng)集成在一起，實現(xiàn)鉆井作業(yè)所需的各項功能。

表1 鉆井系統(tǒng)物流品處理解決方案

1.2 設(shè)計工況

設(shè)計工況可以按兩種情況考慮：一種是確定船體總體性能、結(jié)構(gòu)強度、定位能力及井架與鉆臺結(jié)構(gòu)設(shè)計所依據(jù)的全局工況，可為表2所示的五種工況[3]；另一種是針對鉆井作業(yè)工況下作業(yè)流程的每個工序的細(xì)分工況。深水鉆井船鉆井系統(tǒng)子系統(tǒng)及船體公用系統(tǒng)的設(shè)計均需要針對每個工序的細(xì)分工況展開設(shè)計，鉆井作業(yè)工況至少可以細(xì)分為表3所示的工序工況。

表2 鉆井船設(shè)計全局工況

表3 鉆井作業(yè)工序工況

以上所有設(shè)計工況對應(yīng)的環(huán)境條件，除了遷航工況及事故工況在DNV（挪威船級社）及ABS（美國船級社）規(guī)范內(nèi)有相關(guān)的推薦要求外，其余的全局工況及工序工況均需要與作業(yè)者根據(jù)作業(yè)海區(qū)的環(huán)境條件商討確定。例如：ABS要求鉆井船在遷航工況下鉆井及其他設(shè)備的配置及拖航固定考慮使用IACS波譜下的北大西洋環(huán)境條件；DNV的規(guī)范要求鉆井船遷航設(shè)計風(fēng)速不小于36m/s（海面以上10m，1小時風(fēng)速）；DNV規(guī)范對事故工況的設(shè)計要求為兩艙破損船體靜傾、事故位置一年一遇的環(huán)境條件船體動態(tài)運動響應(yīng)[3～5]。所有工況對應(yīng)的環(huán)境條件均需列入操作手冊內(nèi)。

1.3 設(shè)計載荷

鉆井系統(tǒng)的每個部件都應(yīng)該按預(yù)定的最不利載荷工況進行設(shè)計。作用在鉆井系統(tǒng)上，且對其功能、強度和安全可靠有不利影響的所有內(nèi)外載荷均應(yīng)加以考慮。對有可能同時作用的各種載荷，應(yīng)按其可能存在的最不利情況進行組合。作用在鉆井系統(tǒng)部件上的載荷通常包括環(huán)境載荷、作業(yè)載荷和部件自重等。

1.3.1 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷主要考慮如下幾類：船體運動（升沉、縱搖、橫搖、漂移等）、風(fēng)載荷、溫度和濕度、冰與雪等。

船體的運動載荷對鉆井系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在船體傾角及加速度上，在船體主尺度確定好后可以根據(jù)不同工況預(yù)報出風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件下對應(yīng)的船體傾角和船體某些典型位置的運動加速度等浮體特性數(shù)據(jù)，此預(yù)報數(shù)據(jù)可作為鉆井系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

風(fēng)載荷對鉆井系統(tǒng)影響主要考慮處于船體外部、甲板以上的系統(tǒng)及設(shè)備（如：井架及井架內(nèi)設(shè)備、管子處理設(shè)備等）；船體或房間之內(nèi)的設(shè)備（如泥漿泵、配漿設(shè)備等）不受風(fēng)載影響。

溫度和濕度影響鉆井系統(tǒng)的各個系統(tǒng)，對材料的選取和公用系統(tǒng)的設(shè)計影響較大；溫度與濕度的設(shè)定要與鉆井船作業(yè)區(qū)域相適應(yīng)。

若鉆井船作業(yè)于冰、雪區(qū)域，各個工況的冰雪載荷需要明確定義。

1.3.2 作業(yè)載荷

對船體設(shè)計影響較大的作業(yè)載荷主要是大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤載荷、立根盒載荷、隔水管張緊載荷等，這幾項也是井架、鉆臺及船體性能、結(jié)構(gòu)等的設(shè)計基礎(chǔ)。表4列舉了100%的自重載荷和各工況下的作業(yè)載荷。

表4 作業(yè)載荷與工況組合

除上表所列的載荷外，鉆井系統(tǒng)吊運設(shè)備的作業(yè)載荷及工況遵照船級社規(guī)范、API-8A及API-2C等規(guī)則的安全工作負(fù)荷(SWL)的要求。

1.3.3 泥漿密度

泥漿密度是鉆井船泥漿池、管系、離心泵、隔水管等的設(shè)計基礎(chǔ)；鉆井船設(shè)計需要與業(yè)主先行確定此數(shù)據(jù)。DNV規(guī)范規(guī)定：若無特別指定，泥漿的密度按2.1t/m3考慮用于泥漿池、隔水管張緊器等的設(shè)計[3]；ABS、CCS（中國船級社）等船級社規(guī)范中無相關(guān)規(guī)定。深水鉆井船項目在無業(yè)主特別要求的情況下可以初步按照DNV規(guī)范推薦值設(shè)計。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

鉆井系統(tǒng)是一種浮式鉆井作業(yè)系統(tǒng)，按功能定位、作業(yè)方式及物流處理方式的不同可以分為六個大功能系統(tǒng)：鉆機系統(tǒng)、補償系統(tǒng)、隔水管系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)；每個功能系統(tǒng)包含若干子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 鉆井系統(tǒng)構(gòu)成

鉆機系統(tǒng)主要處于主甲板以上、船體艙室外，屬于船舶的上部模塊；是完成深水鉆井作業(yè)及相關(guān)物流作業(yè)的關(guān)鍵系統(tǒng)。補償系統(tǒng)及隔水管系統(tǒng)是浮式鉆井所特有的系統(tǒng)，補償系統(tǒng)良好地消除了船體升沉運動對鉆井作業(yè)及隔水管張緊力的影響，維持了井底鉆壓的穩(wěn)定及隔水管張緊力的恒定；隔水管系統(tǒng)為浮動鉆井平臺與井口之間提供流體流動的通道，為節(jié)流、壓井和其他管線提供支撐，為鉆井工具進入井內(nèi)提供導(dǎo)向，為防噴器組的安裝和回收提供服務(wù)。

泥漿系統(tǒng)主要處于船體艙室內(nèi)或者主甲板的圍蔽處所內(nèi)，為鉆進作業(yè)及井控作業(yè)提供不同的泥漿體系，是鉆井作業(yè)重要的支持系統(tǒng)，也是與船體系統(tǒng)深度融合在一起的系統(tǒng)。井控系統(tǒng)是鉆井作業(yè)重要的安全系統(tǒng)，能有效地控制井口，維持井內(nèi)壓力、防止井噴事故。海底防噴器組及表面防噴器組均可用于深水鉆井船。輔助系統(tǒng)是完成鉆井作業(yè)各個系統(tǒng)功能所必需的支持系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

鉆井系統(tǒng)設(shè)計可以從鉆井作業(yè)方式的系統(tǒng)規(guī)劃和鉆井設(shè)備配置及系統(tǒng)設(shè)計兩方面入手，參照圖2的路線圖展開。處于船體以上的鉆機系統(tǒng)及補償系統(tǒng)設(shè)計對總體性能、船型及主尺度影響較大；而對于布置在船體艙內(nèi)的泥漿系統(tǒng)、井控系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等可以根據(jù)工藝流程的需求及船體空間的劃分，開展相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計，隔水管系統(tǒng)設(shè)計則側(cè)重于項目環(huán)境條件下的系統(tǒng)設(shè)備選型及與船體界面的處理工作。

圖2 鉆井系統(tǒng)設(shè)計路線

3.1 鉆機系統(tǒng)

目前能夠適用于深水鉆井船并相對成熟的鉆機系統(tǒng)主要有3種方案：傳統(tǒng)鉆機、液壓鉆機和柱塔鉆機。傳統(tǒng)鉆機以桁架式井架、鉆井絞車起升為特點；新型鉆機（液壓鉆機和柱塔鉆機）突破以上限制，以作業(yè)高效、整機重量輕、占地面積小及受風(fēng)面積少為創(chuàng)新設(shè)計方向。傳統(tǒng)深水鉆機在國內(nèi)首艘深水鉆井平臺“海洋石油 981”上已經(jīng)成功應(yīng)用，新型鉆機由于專利特有、標(biāo)的價格及后期維護成本等各方面的因素在國內(nèi)還未應(yīng)用[6]。表5列舉了新型鉆機的特性。

表5 新型鉆機特性

3.2 補償系統(tǒng)

補償系統(tǒng)包含鉆柱運動補償系統(tǒng)與隔水管張緊系統(tǒng)。目前能適用于深水鉆井船的鉆柱運動補償系統(tǒng)主要有天車型、游車型、絞車型、液壓鉆機等4種方案。液壓鉆機特點見表5；其他3型補償系統(tǒng)特點參見表6。

表6 鉆柱運動補償系統(tǒng)特點

隔水管張緊系統(tǒng)主要有鋼絲繩式及直接作用式兩種方案。兩者不同點在于張緊器的布置位置及系統(tǒng)張緊傳遞力的執(zhí)行方式上，而張緊系統(tǒng)工作的基本原理及主要設(shè)備構(gòu)成基本類似。不同的隔水管張緊系統(tǒng)方案會引起鉆井船的月池區(qū)、鉆臺布置不同。適用鉆井船的隔水管張緊系統(tǒng)比較參見表7。

表7 隔水管張緊系統(tǒng)比較

4 系統(tǒng)布置

系統(tǒng)總布置需要遵循“以鉆機系統(tǒng)為中心，從內(nèi)向外、由上而下”展開布置的設(shè)計原則，各個功能模塊按照流程功能要求分區(qū)集中布置。鉆井系統(tǒng)的布置區(qū)域可以分為“鉆井作業(yè)區(qū)域”和“鉆井公用區(qū)域”兩部分：前者包含井架、鉆臺、月池區(qū)、泥漿處理區(qū)域等通常可能出現(xiàn)危險氣體的功能區(qū)域；后者包含泥漿泵艙、配漿區(qū)域、散料區(qū)域、固井區(qū)域等通常不會出現(xiàn)危險氣體的功能區(qū)域。

4.1 總則

系統(tǒng)布置應(yīng)考慮高潛在風(fēng)險的設(shè)備與低潛在風(fēng)險者相互隔離；電纜、電纜槽、進排氣管、控制和關(guān)斷系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)在鉆井作業(yè)期間應(yīng)得到保護，免受損壞；重要設(shè)備和設(shè)施的位置在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)考慮吊物一旦墜落時的潛在后果，尤其是與物料及設(shè)備吊運有關(guān)的設(shè)備；甲板和工作區(qū)域應(yīng)布置有污油水及泥漿的有效排泄設(shè)施；來自于鉆臺、月池區(qū)和試油區(qū)等的危險排放物應(yīng)予以收集并導(dǎo)入專用的污油水柜系統(tǒng)，與非危險區(qū)的排放相隔離。擬在船上進行操作、檢查和維護的所有設(shè)備均應(yīng)布置有安全方便的通道。

4.2 鉆臺區(qū)

鉆臺應(yīng)至少設(shè)有兩條無障礙直接通向安全區(qū)的通道；井架應(yīng)設(shè)有應(yīng)急脫險設(shè)施。司鉆應(yīng)有清晰的視野，能直接或者借助可靠的輔助可視設(shè)備看清鉆臺及井架內(nèi)的一切作業(yè)活動。鉆臺區(qū)主要區(qū)域應(yīng)有防滑及防風(fēng)雨措施，某些區(qū)域應(yīng)能承受241.3mm鉆鋌立根從1.5m高處墜落引起的沖擊載荷；立根盒區(qū)域表面應(yīng)覆蓋防止鉆桿接頭損傷的材料。安裝在井架上的設(shè)備和部件應(yīng)牢靠系固[8]。

4.3 月池區(qū)

月池區(qū)是鉆機與海底井口連接通道；鉆井船的月池周圍應(yīng)設(shè)置隔離空艙，若經(jīng)過特殊考慮，此處的隔離空艙也可以由壓載水艙、鉆井水艙代替，但是此類艙應(yīng)在水泵出后能夠方便人員進入[9]。月池開口盡量降低對船舶的航行性能及結(jié)構(gòu)的影響；月池區(qū)的空間及結(jié)構(gòu)要能滿足海底或者表面防噴器組處理方案及隔水管柱收放方案的實現(xiàn)。

4.4 泥漿區(qū)

泥漿系統(tǒng)功能區(qū)域需要優(yōu)先考慮各泥漿流程的順利實現(xiàn)，由于船體瘦長、型深大的特點，通常泥漿處理區(qū)域處于主甲板以上靠近月池左舷或者右舷的位置，泥漿池及泥漿泵艙位于船體內(nèi)，以便保證泥漿返流及巖屑排放的斜度要求；散料罐處于船體艙內(nèi)月池的兩側(cè)；配漿區(qū)設(shè)置在船體內(nèi)或者主甲板房間內(nèi)。

5 目標(biāo)型船

在工信部深水鉆井船開發(fā)研究課題的支持下，708研究所在各型深水鉆機系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，以經(jīng)濟實用、簡約可靠的傳統(tǒng)鉆機為設(shè)計基礎(chǔ)開發(fā)了一型緊湊型的目標(biāo)深水鉆井船（見圖3），并且就此型船對液壓鉆機及柱塔鉆機的替換性、適應(yīng)性等進行了研究。該型船鉆井系統(tǒng)的主要性能參數(shù)見表8。

圖3 目標(biāo)深水鉆井船概貌

表7 目標(biāo)深水鉆井船的鉆井系統(tǒng)主要性能參數(shù)

目標(biāo)船型在鉆機系統(tǒng)選型方面采用主動補償絞車及傳統(tǒng)型井架方案，省去井架頂部的鉆柱補償器，盡可能降低井架系統(tǒng)的重量及重心；采用鋼絲繩式隔水管張緊器方案，以降低鉆臺高度及整個鉆機系統(tǒng)的重心。船體內(nèi)的鉆井系統(tǒng)設(shè)計與其他型船相比主要的特點為：1) 突破傳統(tǒng)的泥漿泵艙與泥漿池處于同一層面的設(shè)計理念，采用泥漿池位于泥漿泵艙上部的設(shè)計理念；泥漿始終保持正壓頭，較好地保證了泥漿泵的吸入性能；2) 突破傳統(tǒng)甲板存放或者深艙內(nèi)存放隔水管的理念，采用下沉開放式隔水管堆場設(shè)計理念；在沒有增加設(shè)備的情況下有效地降低了隔水管堆放重心的高度。

6 結(jié) 語

鉆井系統(tǒng)設(shè)計的國產(chǎn)化是一條勢在必行的道路。海洋工程裝備的國產(chǎn)化，不能僅限于裝備制造，只有掌握了系統(tǒng)設(shè)計，才能夠真正有效地控制整個項目的指標(biāo)及成本。

深水鉆井船的鉆井系統(tǒng)設(shè)計主要解決兩大問題，一是按功能要求將鉆井系統(tǒng)設(shè)置到船上；二是要處理船體本身的特性對鉆井系統(tǒng)的影響；而鉆井系統(tǒng)自身作業(yè)功能理念設(shè)計或者更新更需要“船舶”與“鉆井”兩個行業(yè)內(nèi)的人員共同努力，才能逐漸走出一條大型海洋工程裝備完全獨立自主的設(shè)計道路。

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[3] DNV-OS-E101, Drilling Plant[S]. 2009.

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