自升式鉆井平臺(tái)海水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王兆強(qiáng)，高金軍

（上海外高橋造船海洋工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200137）

0 引 言

在能源需求與日俱增的今天，海洋油氣資源的開發(fā)日益引人注目。海洋油氣資源的鉆探、開發(fā)及生產(chǎn)專用裝備已成為能源開發(fā)中的關(guān)鍵裝備，需求量也呈大幅度上升。在用于海洋石油開發(fā)的各種海洋平臺(tái)及其他海洋構(gòu)筑物中，自升式平臺(tái)較適合于淺海區(qū)域，具有耗用鋼材少、造價(jià)低、水上完井、在多種海況下幾乎都能持續(xù)作業(yè)和效率高等優(yōu)點(diǎn)。它在國內(nèi)外海洋勘探和開發(fā)中，特別是在近海海洋石油開發(fā)中發(fā)揮了巨大的作用，成為目前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)式鉆井設(shè)施[1]。自建造于 1950年的第一座自升式鉆井平臺(tái)“DeLong 1”號(hào)起，經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，自升式鉆井平臺(tái)在工作水深、抗風(fēng)暴能力、可變載荷、鉆井能力和操作性能等方面取得了巨大進(jìn)步[2,3]。

JU2000E型自升式鉆井平臺(tái)相對(duì)于傳統(tǒng)的船舶來講，海水管路系統(tǒng)繁復(fù)，設(shè)備布置分散且空間狹小，各設(shè)備對(duì)海水的需求量差異較大，且工況復(fù)雜，船舶設(shè)計(jì)中常用的算法已很難滿足海工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件模擬管網(wǎng)流體的工況，優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)已成為海工產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要途徑。

1 自升式鉆井平臺(tái)海水系統(tǒng)

海水系統(tǒng)是自升式平臺(tái)上一切海水用戶的水源，針對(duì)不同工況，海水系統(tǒng)的水源也不同。當(dāng)平臺(tái)處于漂浮狀態(tài)時(shí)，海水系統(tǒng)從左右海底門吸水，供艙底掃艙、消防、鉆井水系統(tǒng)等用水；當(dāng)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)壓載時(shí)，海水由預(yù)壓載潛水泵供給；當(dāng)平臺(tái)處于升起狀態(tài)時(shí)，由 3臺(tái)海水深潛泵供水，每臺(tái)深潛泵額定排量為500m3/h，壓頭為60m。

海水環(huán)管的供水用戶：泥漿池、艙底掃艙系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)、鉆井水系統(tǒng)、冷藏機(jī)組、泥漿泵用戶、造水機(jī)、低壓泥漿混合處理系統(tǒng)、冷水機(jī)組、中央冷卻器、庫管員柜機(jī)、電氣設(shè)備間柜機(jī)、鉆井剎車電阻、懸臂梁和鉆臺(tái)用戶等。

懸臂梁和鉆臺(tái)用戶的海水由海水環(huán)管經(jīng)一6英寸軟管供給，懸臂梁上的海水用戶主要有：振動(dòng)篩排砂槽沖洗、固井裝置、沖洗離心機(jī)排渣管、泥漿處理室、沖洗泥漿返回槽、刮泥器排海槽沖洗等，另外懸臂梁上套管張力器液壓動(dòng)力單元是從懸臂梁增壓泵后取水；鉆臺(tái)上的鉆井絞車剎車?yán)鋮s單元海水用戶的供水是通過懸臂梁增壓泵增壓后經(jīng)一4英寸軟管供給。

海水系統(tǒng)的用戶繁多，分布廣泛，高度差距大，流量分配復(fù)雜。由于在漂浮和預(yù)壓載工況時(shí)懸臂梁和鉆臺(tái)等高處的海水用戶不需供給海水，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮在平臺(tái)升起后各工況下海水系統(tǒng)的工作能力。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)放樣，驗(yàn)證海水系統(tǒng)的初期設(shè)計(jì)，提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

2 建 模

AFT Fathom 8.0可以模擬不可壓縮管網(wǎng)系統(tǒng)、開式和閉式系統(tǒng)、壓力變化、傳熱和能量平衡系統(tǒng)等。采用AFT Fathom 8.0對(duì)不同工況下海水管網(wǎng)中海水分配情況進(jìn)行仿真。首先對(duì)整個(gè)海水系統(tǒng)建模，AFT模型中各設(shè)備、管路、閥附件等的位置數(shù)據(jù)、材料參數(shù)、管系附件尺寸等均來自自升式鉆井平臺(tái)的Tribon模型，AFT模型中包括了管路阻力參數(shù)、彎頭閥附件等的局部阻力參數(shù)等。模型中各泵的曲線、海水用戶設(shè)備阻力等參數(shù)取生產(chǎn)廠提供的資料。整個(gè)海水系統(tǒng)建模布局見圖1。

圖1 海水系統(tǒng)AFT模型布局

3 初期設(shè)計(jì)計(jì)算分析

根據(jù)平臺(tái)的工作需求，在初期設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)平臺(tái)的工況分類見表1。

表1 初期設(shè)計(jì)方案時(shí)工況分類

按照初期設(shè)計(jì)方案，對(duì)海水系統(tǒng)進(jìn)行建模，模型運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)鉆井剎車電阻、冷水機(jī)組、中央冷卻器等海水用戶的海水流量嚴(yán)重超出額定流量，深潛泵工況嚴(yán)重偏離額定工況點(diǎn)，進(jìn)而造成懸臂梁等高處的海水用戶壓力和流量不足。為了使各海水用戶的海水流量能接近額定流量，特在模型中懸臂梁以下主要海水用戶前增加流量控制閥，各流量控制閥的流量設(shè)定值按照設(shè)備額定工況下流量進(jìn)行設(shè)定，各值如下：

中央冷卻器（通道1）：240m3/h；中央冷卻器（通道2）：140m3/h；冷水機(jī)組（2臺(tái)）：360m3/h；鉆井剎車電阻（1&2）：60m3/h；鉆井剎車電阻（3&4）：60m3/h；造水機(jī)：120m3/h；

增加流量控制閥后運(yùn)行模型得到各工況下懸臂梁軟管接頭處的絕對(duì)壓力見表2。

表2 各工況下懸臂梁軟管接頭的絕對(duì)壓力 單位：MPa

初期設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果分析：

1) 由于鉆臺(tái)絞車剎車高度約33m，而懸臂梁軟管接頭處的高度約16m，所以由“各工況下懸臂梁軟管接頭的絕對(duì)壓力”可知在各工況下都需要啟動(dòng)懸臂梁增壓泵；

2) 在19.81m氣隙時(shí)鉆表層井工況和固井工況，海水系統(tǒng)能滿足各海水用戶的水量需求；

3) 在33.5m氣隙時(shí)鉆表層井工況，海水系統(tǒng)基本能滿足各海水用戶的水量需求，但海水無法到達(dá)“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”處，需要將“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”接至懸臂梁增壓泵后；

4) 在19.81m氣隙時(shí)鉆井工況二，海水無法到達(dá)“沖洗高速離心機(jī)排渣管雜用”、“沖洗中速離心機(jī)排渣管雜用”、“振動(dòng)篩排砂槽沖洗”和“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”；且中央冷卻器海水流量不足；

5) 在 33.5m氣隙時(shí)鉆井工況三，海水無法到達(dá)“沖洗高速離心機(jī)排渣管雜用”、“沖洗中速離心機(jī)排渣管雜用”、“振動(dòng)篩排砂槽沖洗”和“刮泥器排海槽沖洗 GUMBO”；且中央冷卻器、冷水機(jī)組、冷藏機(jī)組、造水機(jī)等海水流量不足；

6) 在 19.81m氣隙時(shí)鉆井工況七，海水無法到達(dá)“刮泥器排海槽沖洗 GUMBO”；且“沖洗高速離心機(jī)排渣管雜用”、“沖洗中速離心機(jī)排渣管雜用”、“振動(dòng)篩排砂槽沖洗”海水流量不足；

7) 在 33.5m氣隙時(shí)鉆井工況八，海水無法到達(dá)“沖洗高速離心機(jī)排渣管雜用”、“沖洗中速離心機(jī)排渣管雜用”、“振動(dòng)篩排砂槽沖洗”和“刮泥器排海槽沖洗 GUMBO”；且中央冷卻器、冷水機(jī)組、冷藏機(jī)組、造水機(jī)等海水流量不足。

4 系統(tǒng)優(yōu)化后的仿真計(jì)算

由初步設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果可知海水系統(tǒng)還需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，故將“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”接至懸臂梁增壓泵后，冷水機(jī)組流量按照138m3/h進(jìn)行計(jì)算。系統(tǒng)優(yōu)化后的工況分類見表3。

表3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的工況分類

由于在初期設(shè)計(jì)方案計(jì)算時(shí)，為了控制海水用戶的海水流量在模型中使用流量控制閥對(duì)模型進(jìn)行理想化處理，但實(shí)際系統(tǒng)中不安裝流量控制閥，而采用節(jié)流孔板，所以需要計(jì)算出各海水用戶處節(jié)流孔板的孔徑。

通過計(jì)算和選型得出各節(jié)流孔板的孔徑見表4。

表4 海水用戶各節(jié)流孔板的孔徑 單位：mm

對(duì)海水系統(tǒng)優(yōu)化后的方案進(jìn)行建模，并用節(jié)流孔板替換模型中的流量控制閥，運(yùn)行優(yōu)化后的系統(tǒng)模型，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 海水系統(tǒng)優(yōu)化后各海水用戶在各工況下的海水流量 單位：m3/h

由運(yùn)算結(jié)果可知，海水系統(tǒng)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案能滿足各工況下海水用戶的需求（氣隙33.5m時(shí)試油應(yīng)開3臺(tái)深潛泵），海水系統(tǒng)流量分配合理。

5 結(jié) 語

海水系統(tǒng)作為自升式鉆井平臺(tái)的最大且最重要的系統(tǒng)之一，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備種類多，流量需求差異大，工況種類多，采用專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行流體分析是系統(tǒng)優(yōu)化的最好方法之一。軟件模擬分析可以在前期就對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的計(jì)算分析，找出設(shè)計(jì)的不足之處，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并可對(duì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，減少了后期的修改，降低系統(tǒng)的建造成本。計(jì)算軟件可以模擬不同工況下設(shè)備、管線的運(yùn)作情況，可以在方案設(shè)計(jì)、設(shè)備的精確選型、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能夠提高設(shè)計(jì)效率、縮短調(diào)試周期、節(jié)約工程成本。

[1] 馬志良，羅德濤. 近海移動(dòng)式平臺(tái)[M]. 北京：海洋出版社，1993.

[2] 陳 宏，李春祥. 自升式鉆井平臺(tái)的發(fā)展綜述[J]. 中國海洋平臺(tái)，2007,22（6）：1～6.

[3] 張用德，袁學(xué)強(qiáng). 我國海洋鉆井平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 石油礦場機(jī)械，2008,37（9）：14～17.