深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)選型配置研究

劉 健，李迅科

(中海油研究總院，北京 100028)

深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)選型配置研究

劉 健，李迅科

(中海油研究總院，北京 100028)

鉆井系統(tǒng)選型配置是深水半潛式鉆井平臺設計的關鍵環(huán)節(jié)之一。提出了井架、升沉補償裝置、絞車、泥漿循環(huán)系統(tǒng)等主要鉆機設備的選型配置和參數(shù)確定的方法。分析了鉆井系統(tǒng)配置對平臺設計的影響。提出的方法可為深水半潛式鉆井平臺的鉆井系統(tǒng)配置提供支持。

深水；半潛式鉆井平臺；鉆機；選型配置

0 引 言

南海深水油氣田的開發(fā)離不開半潛式鉆井平臺，而鉆井系統(tǒng)是半潛式鉆井平臺最關鍵的系統(tǒng)之一。通過第一座深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”的設計建造，我國在深水半潛式平臺鉆機的選型設計、系統(tǒng)配置方面有了一定技術積累，但是由于國內對深水半潛式鉆井平臺鉆機的研究起步較晚，技術水平和經驗與國外先進水平還有一定差距，有必要對深水半潛式鉆井平臺的鉆井系統(tǒng)選型配置進行深入研究。本文對深水鉆機選型配置的原則、深水鉆機主要參數(shù)的確定、鉆機各個系統(tǒng)的配置與布置等開展研究，給出了深水鉆機選型配置方法，可為今后的半潛式鉆井平臺設計提供支持。

1 鉆井系統(tǒng)主要設備選型

井架、鉆柱升沉補償、隔水管張緊系統(tǒng)和隔水管的選擇均對鉆機系統(tǒng)有較大影響。

1.1 井架

深水鉆機井架主要有四種類型：單井架、一個半井架、雙井架(主輔井架)、雙井架(雙主井架)[1-2]。現(xiàn)代作業(yè)水深超過7 500 英尺(1英尺=30.48 cm)的半潛式鉆井平臺上主要采用雙井架和一個半井架的配置，作業(yè)水深5 000 英尺以下的半潛式鉆井平臺均采用單井架，不同井架類型的鉆機提升系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)和司鉆系統(tǒng)配置不同[3-4]。

不同井架類型的鉆機配置如表1所示[5-7]。

表1 不同類型井架鉆井系統(tǒng)的比較Table 1 Comparison of different derrick drilling systems

雙井架專利為Transocean所有，因此在建造深水鉆井平臺時必須付專利費，這也提高了雙井架鉆機的建造和作業(yè)費用。

1.2 鉆柱升沉補償裝置

目前深水鉆機用的升沉補償方式主要有兩種：天車型主動升沉補償和絞車型補償(主動補償絞車)。這兩種補償方式均有較好的補償精度[3]。

采用天車補償器會導致井架重量增加以及整個井架的重心高度增加。絞車主動補償裝置安裝在絞車上，因此井架整體的重量和重心均低于采用天車補償器的井架，對平臺的整體穩(wěn)性有利。但是主動補償絞車目前只有NOV一家公司提供，主動補償絞車的價格高于天車補償器加普通絞車的價格。另外，對于雙井架鉆機，如采用天車補償，則井口中心距必須大于10 m，一般要在12 m左右(天車補償器的尺寸所致)；而如果采用絞車補償，則井口中心距可小于10 m。

1.3 隔水管張緊系統(tǒng)

隔水管張力器有導向鋼絲繩型和無導向繩型(DAT液壓缸型)兩大類。

導向鋼絲繩型張力器采用滑輪組可以將張緊系統(tǒng)的張緊升沉補償行程增大為液壓缸活塞行程的n倍(n為滑輪組倍率)，但補償液壓缸的壓力相應增大n倍；而無導向繩張緊升沉補償方案的補償行程基本為液壓缸活塞桿的行程，由于沒有滑輪組倍率的影響，補償液壓缸的補償參數(shù)相應減小。此外，導向鋼絲繩型的張力器安裝在月池內(鉆臺下方)，占用月池的空間較多。無導向繩懸掛在月池下，液壓缸的放置采用倒置式，通過卸扣懸掛在鉆臺底下的結構上或者滑移裝置上，此種布置方式極大地降低了張緊器相對于平臺的重心位置，有利于平臺的穩(wěn)性，占用空間較少，但是此種布置方式需要較大的中央月池的開口，對平臺結構提出了較高的要求。

1.4 隔水管

隔水管接頭有兩種型式：法蘭和快速接頭。傳統(tǒng)隔水管的連接方式均為法蘭連接，近年來發(fā)展起來的快速接頭型式的隔水管由于聯(lián)接方便快速，可提高作業(yè)效率，因此逐漸被推廣使用。

隔水管單根長度范圍一般為50～90 英尺。采用較短尺寸的隔水管會增加隔水管的數(shù)量，降低隔水管起下速度。采用90 英尺隔水管，能夠減少隔水管接頭數(shù)量，提高起下隔水管效率，但同時要增加隔水管處理設備能力，且陸路運輸和海上運移均較困難。目前較多深水鉆機采用75 英尺長隔水管。

2 鉆井系統(tǒng)配置

2.1 鉆機主參數(shù)的確定

最大鉤載為鉆機的主參數(shù)，最大鉤載確定了鉆機最大起重量和處理事故的能力。確定最大鉤載主要根據(jù)鉆柱的重量、水下器具的重量及下放的套管柱的重量，同時考慮平臺運動導致的附加動載荷[8]。

鉆機最大鉤載可以通過如下簡化公式進行計算：

Qmax≥KKaddmax(F管柱,F水下)，

F管柱=(L1G空+L2G空f)[1-(γ泥/γ鐵)×2/3]+400，

F水下=Friser+FBOP，

(1)

式中：K為鉤載儲備系數(shù)；Kadd為動載荷系數(shù)；F管柱為最大管柱重力，kN；L1為定向井中管柱垂直投影長度，m；L2為定向井中管柱水平投影長度，m；G空為管柱在空氣中的單位長度的重量，kN/m；f為摩擦系數(shù)；γ泥為泥漿比重；γ鐵為鋼鐵比重；F水下為水下系統(tǒng)最大重力，kN；Friser為隔水管濕重，kN；FBOP為防噴器組濕重，kN。

根據(jù)平臺設計水深和最大鉆井深度，確定極限狀況下的井身結構，根據(jù)給出的具體井身結構，按照式(1)可計算出作業(yè)工況中受到的最大鉤載。

2.2 井架

井架的主要參數(shù)包括井架最大載荷和井架有效高度。井架最大載荷必須滿足鉆機最大的起重量和處理卡鉆等事故的要求，因此井架最大載荷與鉆機大鉤的最大載荷相等，雙井架(主輔)鉆機的輔井架最大載荷和輔助井口大鉤的提升能力相等。井架有效高度(從鉆臺面到二層臺的高度)必須滿足一個鉆桿立柱起下鉆和排放的要求，深水鉆機為了提高工作效率，普遍采用4個單根的立柱，因此深水鉆機井架有效高度必須滿足一次起下4根鉆桿長度的要求。

對井架和底座進行計算校核時，載荷可以分成以下幾個類型：永久載荷、可變載荷、環(huán)境載荷、突發(fā)載荷、變形載荷以及疲勞載荷。對不同載荷進行載荷組合來校核井架強度。

校核井架與底座時，載荷組合主要分以下幾個工況：起下防噴器，下套管，正常鉆進，平臺的生存工況，疲勞，平臺損壞。對井架和底座進行校核，需要進行極限強度校核、工作強度校核、事故強度校核、疲勞強度校核。不同情況下進行載荷組合，所取的載荷系數(shù)不同，具體取值如表2所示。

表2 井架底座校核時載荷系數(shù)取值Table 2 Values of load factors of the derrick and substructure

另外，進行井架疲勞計算時，采用的是平臺在波浪作用下的加速度，平臺的最大運動加速度是按照100年重現(xiàn)期計算的。井架的設計壽命一般為25年，因此計算最大加速度時，需要乘一個系數(shù)f25轉換到25年重現(xiàn)期計算，系數(shù)計算公式如下：

(2)

式中：f25為轉換系數(shù)；N為波浪循環(huán)次數(shù)；h為波浪Weibull分布參數(shù)。

2.3 絞車

鉆井絞車是提升系統(tǒng)最主要的設備。提升系統(tǒng)的提升能力應與鉆機最大鉤載相等。

對于絞車，除了確定最大鉤載外，還要計算絞車的功率、最大提升速度等參數(shù)，從而確定絞車的型號。大鉤提升速度可以按照經驗公式選定：

Vk=al0.5/Z

，

(3)

式中:Z為鉆井繩數(shù)，可按美國石油協(xié)會(API)標準取值；a為速度系數(shù)，可取3～4；l為立根長度，深水鉆機一般取37 m；對于深水鉆井設備，大鉤提升速度可以取到2.4 m/s。

根據(jù)最大鉤載以及最低提升速度，可以確定絞車功率，計算公式如下：

P絞=V1Q1/(η傳η滾η游),

(4)

式中:V1為最低起鉆速率，取0.2 m/s；Q1為游動系統(tǒng)總重量(鉤載+游車重量)，kN；η傳η滾η游為傳動系統(tǒng)、滾筒和游動系統(tǒng)的效率之積，可近似取0.7。

另外，由于主動補償絞車需要補償鉆柱的運動，因此必須配置比普通絞車更大的功率，同樣大鉤載荷能力的主動補償絞車功率比普通絞車功率大30%～50%，選配時須注意。

2.4 旋轉系統(tǒng)

旋轉系統(tǒng)包括轉盤與頂驅。深水鉆機的轉盤開口直徑大多數(shù)為60-1/2英寸(1英寸=2.54 cm)，可通過外徑54英寸的隔水管，轉盤的額定負荷與最大鉤載一致。輔井架的鉆機一般不用于下放水下器具，因此可配置開口直徑為49-1/2英寸的轉盤，輔轉盤的額定負荷與輔井口大鉤載荷一致。

深水鉆機中普遍采用大扭矩交流變頻率頂驅，頂驅的扭矩和功率確定了鉆機旋轉鉆井的能力，鉆機必須給鉆具提供足夠的扭矩和速度來保證鉆柱的旋轉和破巖能力。額定負荷是頂驅動的主參數(shù)，表示頂驅能承受的最大起重量，頂驅的額定負荷和鉆機的最大鉤載一致，輔頂驅的額定負荷與輔井口大鉤載荷一致。

2.5 泥漿泵

深水鉆機的泥漿傳輸系統(tǒng)包括高壓泥漿泵、灌注泵、泥漿輸送泵、鹽水泵、基油泵、混合泵、計量泵等。高壓泥漿泵是最主要的循環(huán)設備，也是鉆機主要的大功率設備之一。

高壓泥漿泵參數(shù)包括最大排量、最大泵壓和總功率。最大排量可按照下式計算：

Q=Aπ[D(D-d)d]V×0.001/(4Dγ)，

(5)

式中：D為井眼直徑，mm；d為鉆桿直徑，mm；V為泥漿返回速度，m/s，一般泥漿返回速度不大于1 m/s；A取值范圍一般在180～250，對于深水鉆機可以取A=250；γ為泥漿比重。

另外，可根據(jù)井身結構以及泥漿的水力學參數(shù)計算出最大泵壓，深水鉆機泥漿泵壓一般為7 500 psi(1 psi=6.895 kPa)。

根據(jù)泥漿泵的排量和壓力，可以計算泵組的功率：

P泵=pQ/0.75，

(6)

式中：P泵為功率，kW;p為泵壓，kPa;Q為排量，m3/s。

高壓泥漿泵的最大排量和最大壓力不會同時出現(xiàn)?？捎嬎悴煌钋闆r下的泵排量和壓力，選用其中最大的一種情況作為泵組功率選擇的依據(jù)。

鉆深井的下部井眼時，為了保證井壁的穩(wěn)定性只能用小排量鉆進，這時隔水管內泥漿上返速度很小，甚至可能低于允許的最小環(huán)空流速，因此必須從隔水管直接泵入泥漿提高隔水管內泥漿上返速度。隔水管增壓流量計算公式如下：

Q1≥π(D2-d2)v×10-3/4-Q0，

(7)

式中:Q1為泵加力所需要的泵排量;Q0為原泵排量；v為泥漿在隔水管內的上返速度，m/s；D為隔水管內徑，d為鉆桿外徑，mm。

考慮到隔水管增壓的需要以及泥漿泵的備用，深水鉆機往往配置4臺泥漿泵。

2.6 防噴器組

防噴器組的參數(shù)包括壓力等級和環(huán)形防噴器、閘板防噴器的數(shù)量，深水半潛式鉆井平臺上防噴器組的參數(shù)主要和作業(yè)水深有關。表3所列是在不同水深典型鉆井平臺的BOP組配置情況得出的數(shù)據(jù)，可作為深水鉆井防噴器組配置的參考。

表3 深水防噴器配置與水深關系Table 3 Relationship between BOP configuration and water depth

2.7 隔水管張緊系統(tǒng)

隔水管張緊系統(tǒng)的參數(shù)包括：張力器液缸的數(shù)量，單個張力器液缸的張力，總張緊力和補償行程。根據(jù)隔水管所需的張緊力來配置隔水管張緊系統(tǒng)，總張緊力根據(jù)隔水管浮重確定。張緊系統(tǒng)最小張力的設定應保證隔水管的穩(wěn)定性；最大張力的設定不應超過張力器動態(tài)張力極限值的90%。隔水管最大張緊力的核算是以隔水管組(包括隔水管內的泥漿)在水中的重量為計算依據(jù)的，另外還要考慮鋼絲繩或活塞桿與隔水管組的角度及系統(tǒng)效率的影響，并且張緊系統(tǒng)的設計應能保證在一個張力器液缸失效或維修的情況下，其余張力器液缸能為隔水管提供所需要的最小張力。

根據(jù)以上原則可以配置隔水管張力器。張力器液缸相對于井口對稱布置，并且都成對使用。張力器補償行程與平臺的升沉運動最大幅值對應。

2.8 灰罐與泥漿池

深水半潛式鉆井平臺灰罐與泥漿池配置方法是：根據(jù)平臺設計水深和最大鉆井深度，確定極限狀況下的井身結構，然后計算需要的泥漿容積及土粉、水泥、重晶石消耗量，根據(jù)設計經驗取放大系數(shù)，從而得到灰罐和泥漿池容積。其中日用泥漿池容積配置計算公式為[9]

Va≥CaVrh max,

(8)

式中:Va為日用泥漿池體積，m3；Vrh max為隔水管和井眼最大體積，m3；Ca為系數(shù)，取1～1.5。

備用泥漿池容積配置計算公式為[9]

Vr≥CrVa,

(9)

式中:Vr為備用泥漿池體積，m3；Va為日用泥漿池體積，m3；Cr為系數(shù)，一般要求大于等于1.5。

灰罐容積配置計算公式為[9]

Vt≥CtL/ds,

(10)

式中：Vt為灰罐體積，m3；L為干料載荷，t；ds為干料堆積密度，g/cm3，水泥粉為1.4，土粉為1.1，重晶石為2.1；Ct為系數(shù)，取1～1.5。

3 鉆井系統(tǒng)配置對平臺設計的影響

鉆機升沉補償方式、井架類型、隔水管存放方式等鉆井系統(tǒng)的參數(shù)對平臺設計均有影響，主要體現(xiàn)在對平臺重量重心的影響、對甲板面積的影響和對平臺電力負荷的影響。

3.1 鉆機不同井架型式對平臺的影響

不同井架型式對平臺系統(tǒng)的影響主要有兩點：重量重心(可變載荷)與電力負荷。

(1) 對平臺重量的影響：天車補償?shù)囊粋€半井架系統(tǒng)和絞車補償?shù)碾p井架(主輔)系統(tǒng)相比，雙井架(主輔井架)的鉆機重量增加400～700 t。根據(jù)平臺重心和穩(wěn)性計算，與一個半井架鉆機相比，雙井架鉆機平臺的可變載荷降低600～800 t。

天車補償?shù)碾p井架(主輔)鉆機總重量比天車補償?shù)囊粋€半井架鉆機總重量增加1 000 t左右，重量增加主要在鉆臺面以上，因此如果采用天車補償?shù)碾p井架(主輔)，平臺的可變載荷要降低1 000 t以上(與一個半井架鉆機比較)。雙主井架鉆機重量比一個半井架鉆機的重量增加超過1 200 t，泥漿系統(tǒng)、散料系統(tǒng)和管材堆場等輔助系統(tǒng)的重量也要增加，而且對可變載荷的要求更大。

單井架重量比一個半井架重量輕，而且少了一些配套設備(接管設備)，因此單井架鉆機在不降低可變載荷的情況下，鉆井平臺的尺寸和排水量均可減小。

(2) 對平臺電力負荷的影響：由于雙井架(主輔)鉆機可以在一個井口鉆井的同時另外一個井口鉆表層，因此雙井架鉆機比一個半井架鉆機的電力負荷高。最終導致雙井架鉆機的主發(fā)電站功率比一個半井架鉆機的主發(fā)電站功率高一個量級。

3.2 鉆柱升沉補償裝置對平臺的影響

鉆柱升沉補償裝置的型式對于平臺的重量、重心以及電力負荷也有一定的影響。對于雙井架鉆機，升沉補償裝置的型式還影響到井口間距和月池尺寸。

天車型升沉補償裝置布置在井架頂端(重量近150 t)，且采用天車補償裝置會導致井架本身重量增加(與采用絞車補償?shù)你@機井架比較)，這兩方面均對平臺重量和重心有很不利的影響。絞車型升沉補償裝置對平臺重量和重心的影響很小，但是主動補償絞車的功率比普通絞車功率大30%～50%，會造成平臺電力負荷增加2 000 hp(1 hp=0.745 7 kW)左右。

表4給出了雙井架-天車補償、一個半井架-天車補償和雙井架-絞車補償三種情況下，井架形式和升沉補償裝置對平臺的影響。

3.3 隔水管布置方式對平臺的影響

隔水管的存放形式主要為三種形式：平放、立放、立放+平放。立放可提高隔水管以至整體作業(yè)效率，但提高了重心，對穩(wěn)性不利。平放一般位于主甲板，其區(qū)域可與套管存放區(qū)域綜合使用。立放則伸入箱型甲板，自下甲板始放，為專門存放區(qū)域，不易做其他用途。立放+平放的組合形式兼顧了兩種存放形式的優(yōu)勢。

表5給出了7 500 英尺隔水管在立放、平放和立放+平放的三種情況下占用甲板面積和重心高的比較。其中立放隔水管放到箱型甲板上，其占用面積按雙層計入，底端距下甲板取0.5 m。為便于比較其對穩(wěn)性的影響，重心高統(tǒng)一相對下甲板而言。

表4 井架形式和升沉補償裝置對平臺的影響(三種典型情況)Table 4 Influence of derrick type and heave compensation system on platform (three typical cases)

表5 隔水管不同存放方式的比較Table 5 Comparison of different storage modes of riser

方式1與方式2的重心高度差對平臺整體的影響，平臺總重以45 000 t(生存工況)計入：(11.93-10.075) ×2 400/45 000=0.1 m，即平臺重心差0.1 m。

4 結 語

設計深水半潛式鉆井平臺時，需根據(jù)設計標準、作業(yè)水深、環(huán)境條件、平臺功能需求、鉆井深度等設計基礎來確定平臺設計方案以及鉆井系統(tǒng)配置。鉆井系統(tǒng)中，井架、鉆柱升沉補償、隔水管張緊系統(tǒng)、隔水管等是影響鉆井系統(tǒng)選型設計的主要因素。本文重點分析了這些鉆井設備的選型配置方法，并給出鉆機的提升系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、防噴器組等鉆機主要設備參數(shù)確定方法，最后分析了井架、鉆柱升沉補償、隔水管布置方式對平臺設計的影響。本文的研究可為深水半潛式鉆井平臺的設計配置提供決策依據(jù)。

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ResearchontheDrillingSystemMode-SelectionandConfigurationofDeepwaterSemi-SubmersibleDrillingPlatform

LIU Jian， LI Xun-ke

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The mode-selection and configuration of drilling system are the key step of deepwater semi-submersible drilling platform design. The mode-selection and configuration methods of drilling equipment such as derrick, heave compensator, drawworks and mud system, are put forward. The influence of drilling system configuration on platform design is analyzed. The proposed method can provide technical support for drilling system configuration of deepwater semi-submersible drilling platform.

deep water； semi-submersible drilling platform； drilling rig； mode-selection and configuration

2015-10-20

國家科技重大專項(2011ZX05027-001)

劉健(1973—)，男，高級工程師，主要從事海洋鉆采裝備方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2015)06-0384-06