挪威北海半潛式鉆井平臺(tái)總體布置研究

王 麗，楊忠華，王如壯，侯偉平

（煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺(tái) 264000）

0 引言

作為國(guó)家“十二五”規(guī)劃的重要一部分，海洋工程裝備是高端制造業(yè)的重要組成部分并被納入國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。海洋工程裝備是高風(fēng)險(xiǎn)、高科技、高投入的項(xiàng)目，半潛平臺(tái)作為海工裝備皇冠上的明珠，一直是國(guó)際海工制造商關(guān)注的焦點(diǎn)。按照《海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略（2011-2020）》（發(fā)改高技[2011]1675號(hào)）關(guān)于實(shí)施海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展工程的部署，在未來兩個(gè)五年計(jì)劃里，滿足國(guó)家對(duì)油氣資源的需求量大增的要求和我國(guó)深海油氣開發(fā)裝備非常匱乏的現(xiàn)狀，需要一大批海洋油氣開發(fā)高端裝備加入到開發(fā)我國(guó)海洋油氣資源的隊(duì)伍中來。

深水半潛式平臺(tái)是目前世界上海洋油氣生產(chǎn)的主要設(shè)施之一。在尋找深水油氣資源工程中，深水半潛式鉆井平臺(tái)是主力軍，新增的半潛式鉆井平臺(tái)從數(shù)量和鉆深上不斷增加。由于挪威北海海況惡劣，對(duì)海上作業(yè)平臺(tái)的性能和規(guī)范要求高，進(jìn)入挪威北?，F(xiàn)已成為作業(yè)平臺(tái)進(jìn)入高端市場(chǎng)的代名詞。當(dāng)前全球在役的221座半潛鉆井平臺(tái)當(dāng)中，通過挪威石油安全管理局（PSA）頒發(fā)的AoC（Acknowledgement of Compliance）認(rèn)證的僅有29座。

本文旨在闡述挪威北海海域作業(yè)的深水半潛式鉆井平臺(tái)的總布置特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)可變載荷、井架作業(yè)系統(tǒng)、隔水管存放形式、定位系統(tǒng)等一些關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 平臺(tái)及海況簡(jiǎn)述

1.1 北海作業(yè)平臺(tái)簡(jiǎn)介

該平臺(tái)（見圖1）為中集來福士所建的挪威北海系列平臺(tái)中的一座。其設(shè)計(jì)依照挪威北海海況，能夠抵御北海百年一遇的風(fēng)暴，滿足挪威石油當(dāng)局、挪威海事局（NMD）和挪威石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NORSOK）的要求，入級(jí)挪威船級(jí)社。

圖1 北海深水半潛式鉆井平臺(tái)

1.2 北海作業(yè)平臺(tái)特點(diǎn)

該北海深水半潛式鉆井平臺(tái)船體主尺度更小、空船質(zhì)量更輕，有效降低了建造成本和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)采取了較大功率推進(jìn)器，航速更快，動(dòng)力定位能力更強(qiáng)，滿足冰區(qū)拖航的船級(jí)社規(guī)范要求。此外，北海深水半潛式鉆井平臺(tái)將由國(guó)民油井華高（NOV）提供鉆井大包，鉆井過程高度自動(dòng)化，能夠進(jìn)行離線排管作業(yè)。根據(jù)挪威國(guó)家石油公司（Statoil）計(jì)算，此設(shè)計(jì)方案比北海常規(guī)鉆井平臺(tái)鉆井效率提高25%。

2 總布置的原則

北海海域作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)，需要滿足挪威船級(jí)社、挪威海事局、挪威石油管理局的標(biāo)準(zhǔn)要求，由于北海是世界上海況最惡劣的區(qū)域，加上北歐國(guó)家對(duì)健康、安全、環(huán)保的高度重視，使得該海域作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)明顯高于世界其它海域。

總布置設(shè)計(jì)工作要根據(jù)平臺(tái)的使用功能進(jìn)行合理有效的總體布局安排。同時(shí)要遵循相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，最大可能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的使用要求。

1）總體布置必須安全可靠，滿足規(guī)范對(duì)防火、防爆、安全區(qū)域分割和安全逃生的要求。

2）滿足作業(yè)要求。這是基本出發(fā)點(diǎn)，如鉆井平臺(tái)要首先合理布置鉆井設(shè)備，確保鉆井；作業(yè)工作便利；生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)應(yīng)合理劃分生產(chǎn)區(qū)域和儲(chǔ)油艙，確保生產(chǎn)與安全。

3）保證技術(shù)性能?？偛贾迷O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取合適的措施確保平臺(tái)具有適宜的浮態(tài)和穩(wěn)性，以滿足有關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。

4）結(jié)構(gòu)的合理性和施工工藝。設(shè)計(jì)時(shí)力求減小總縱彎矩和剪力。避免主要結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和構(gòu)件截面的突變。艙壁和支柱的設(shè)置應(yīng)考慮它們對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和施工工藝的影響。因此總布置設(shè)計(jì)必須與平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互配合。

3 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的分析

3.1 總布置主要分析內(nèi)容

半潛式鉆井平臺(tái)以技術(shù)先進(jìn)化、系統(tǒng)復(fù)雜化、空間集約化著稱。新一代的鉆井平臺(tái)，自動(dòng)化程度的要求越來越高，安全舒適程度要求越來越高，環(huán)保降耗的要求越來越高。半潛式鉆井平臺(tái)除配有常規(guī)的操作相關(guān)系統(tǒng)和動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)外，還配有高精度的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)、自動(dòng)化和多樣化的消防技術(shù)、高效的垃圾和污水處理技術(shù)、先進(jìn)的減振降噪技術(shù)、失效備用技術(shù)，同時(shí)配有更加高技術(shù)、高復(fù)雜性的鉆井系統(tǒng)和鉆井輔助系統(tǒng)。此外，北海海域的HSE要求是在世界各主要海上油田中屬于最為嚴(yán)格的，對(duì)于人體工程學(xué)、安全逃生、振動(dòng)噪聲控制、高空重物墜落等要求都比其它大多數(shù)海域更為苛刻，所以在有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，在使詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中合理有效的布置設(shè)備、管線，電纜、通道成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

該北海深水半潛式鉆井平臺(tái)將浮筒內(nèi)的通道重新布置在船舷內(nèi)側(cè)（見圖2），這樣內(nèi)側(cè)的液艙將作為功能性艙室，而外側(cè)的液艙將用來放置壓載水。這樣的布置方式可以做到底部浮筒通道的連續(xù)性，大大地方便了浮筒內(nèi)物料的運(yùn)輸。另一方面壓載水位于船舷的外側(cè)，方便調(diào)節(jié)壓載，功能性的液艙位于船舶的內(nèi)側(cè)，即使發(fā)生碰撞破損時(shí)，也不會(huì)破到船的內(nèi)側(cè)，造成大規(guī)模的海洋污染。

圖2 浮筒布置圖

3.2 可變載荷

可變載荷是深水半潛式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，它的大小主要受平臺(tái)的最大作業(yè)水深和鉆井深度以及船型、主尺度的影響[1]。

3.2.1 可變載荷內(nèi)容

可變甲板載荷主要包括人員和備品、鉆井設(shè)備（防噴器組等）、鉆具（隔水管、套管、鉆桿等）以及鉆材（水泥、土粉、重晶石，泥漿等）的載荷，它主要由平臺(tái)的作業(yè)水深和鉆井深度所決定。作業(yè)水深主要影響隔水管的數(shù)量，鉆井深度主要影響鉆桿、套管數(shù)量等，而這兩者同時(shí)影響鉆井液的用量，特別是深水隔水管中的鉆井液用量。但深水或者超深水平臺(tái)的可變載荷還應(yīng)包含鉆井水、鹽水、基油等鉆井液及燃油，以及在下浮體中的淡水[2]。

3.2.2 可變載荷的大小

由于深海環(huán)境條件惡劣，離岸較遠(yuǎn)，后勤供應(yīng)困難，而讓鉆井平臺(tái)具備一次完整的深水鉆井作業(yè)所需要的全部物資的裝載能力也是不現(xiàn)實(shí)的。提供供給船配合作業(yè)不失為一種辦法，但對(duì)于離大陸較遠(yuǎn)的海域，航線太長(zhǎng)，從經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮是不合適的，還是需要平臺(tái)自身具備較大的可變載荷。因此衡量諸多因素，為保證鉆井作業(yè)正常進(jìn)行，要求新建鉆井平臺(tái)的可變載荷能夠滿足一口目標(biāo)井的作業(yè)需要。北海深水半潛式鉆井平臺(tái)的VDL（可變甲板載荷不包含下浮體中的液體）可達(dá)4000噸。

3.3 井架作業(yè)系統(tǒng)

目前，深海半潛式鉆井平臺(tái)的井架作業(yè)系統(tǒng)的配置選擇有很大的自由度，可以根據(jù)船東及鉆井工藝的要求量身定做。有三種可以選擇，即單井架作業(yè)系統(tǒng)、一個(gè)半井架作業(yè)系統(tǒng)、雙井架作業(yè)系統(tǒng)。雙井架作業(yè)系統(tǒng)的效率是最高的，但是投入的費(fèi)用也高；單井架作業(yè)系統(tǒng)的鉆井效率比較低，一個(gè)半井架作業(yè)系統(tǒng)的效率介于雙井架和單井架之間，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)質(zhì)量輕、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)[3]。

一般深海半潛式鉆井平臺(tái)均應(yīng)盡可能的配置雙聯(lián)井架及相應(yīng)的雙井口作業(yè)，如圖3所示，然而雙井架井口作業(yè)系統(tǒng)已經(jīng)被 Transocean公司申請(qǐng)專利，涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化問題，需要交納一定的專利費(fèi)。一個(gè)半井架作業(yè)系統(tǒng)反而顯得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用，成為國(guó)內(nèi)石油公司的理想選擇，“海洋石油981”就采用了一個(gè)半井架作業(yè)系統(tǒng)的鉆機(jī)，如圖4所示。由于船東等各方面要求，北海深水半潛式鉆井平臺(tái)采用的是單井架，如圖5所示。

圖3 雙井架

圖4 一個(gè)半井架

圖5 單井架

3.4 隔水導(dǎo)管存放形式

隔水管處理系統(tǒng)關(guān)系到箱型平臺(tái)空間和主甲板區(qū)域的劃分會(huì)涉及平臺(tái)物流作業(yè)方式的選擇，對(duì)平臺(tái)初期方案的規(guī)劃影響很大。

3.4.1 存放方式

深海半潛式鉆井平臺(tái)隔水管有水平和垂直兩種存放形式[4]。水平存放的形式適用于各種規(guī)格的隔水管。垂直存放的一般為75ft規(guī)格的隔水管，這是考慮堆放時(shí)的質(zhì)量、重心及相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)的垂向高度等因素。

3.4.2 存放效率

時(shí)間上若從隔水管起重機(jī)將隔水管起吊到將隔水管輸送到鉆臺(tái)轉(zhuǎn)盤垂直位置，在這個(gè)作業(yè)流程內(nèi)考慮，隔水管垂直存放的效率要高于水平存放。

3.4.3 配置要求

隔水管的長(zhǎng)度和存放方式的不同，隔水管處理系統(tǒng)的配置要求也不同。水平存放：隔水管起重機(jī)，隔水管水平輸送機(jī)。垂直存放：隔水管起重機(jī)，隔水管指梁系統(tǒng)，隔水管托車，臺(tái)車。

隔水管起重機(jī)的起吊能力足以吊運(yùn)伸縮節(jié)為設(shè)計(jì)要求，通常為35t～40t。

垂直運(yùn)送隔水管，頂部采用專用工具底部配置專用的臺(tái)車將隔水管托住，與隔水管起重機(jī)同步將隔水管移進(jìn)/出指梁并送到鉆臺(tái)的托車。

本文的北海深水半潛式鉆井平臺(tái)隔水管采用水平放置的方式，并且采用兩個(gè)貓道機(jī)的形式，分別運(yùn)送隔水套管與鉆桿，可以避免運(yùn)送隔水套管與鉆桿的貓道機(jī)發(fā)生干涉的情況。這種方案采用了第六代平臺(tái)的新技術(shù)，使得平臺(tái)的工作效率可以大大地提高。

3.5 動(dòng)力定位

3.5.1 動(dòng)力定位的介紹

北海深水半潛式鉆井平臺(tái)具備最高等級(jí)的DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)，其對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能、線型、推進(jìn)器設(shè)計(jì)、艙室布置、DP分割、電力載荷等都提出了更高的要求。該項(xiàng)目的DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)通過了故障模式及效果分析和挪威船級(jí)社審核[4]。

最新一代DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)如圖6所示，技術(shù)先進(jìn)，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)和自身計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自身定位調(diào)節(jié)，最大限度支持海上鉆井、采油工作的順利進(jìn)行。全球工作海域的設(shè)計(jì)方案，適應(yīng)性廣泛，極大的提升經(jīng)濟(jì)性能，具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。系統(tǒng)通用性強(qiáng)，模塊化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)和操作以及功能調(diào)整。提供130人單人居住艙室，利于海上組織生產(chǎn)人員，保障良好生活條件。利用中集來福士獨(dú)有的建造設(shè)備與工藝，實(shí)現(xiàn)甲板模塊整體安裝，降低建造預(yù)應(yīng)力，進(jìn)一步提升平臺(tái)安全性能。

圖6 動(dòng)力定位示意圖

3.5.2 新型半潛式鉆井平臺(tái)的定位方式

新型的半潛式鉆井平臺(tái)從安全作業(yè)和經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合的角度出發(fā)，一般都采用錨泊定位和動(dòng)力定位相結(jié)合的定位方式[5]。排水量較大的鉆井平臺(tái)，會(huì)自帶一部分錨鏈，在水深不大的海域作業(yè)時(shí)，采用自拋錨的方式；在中等深水海域作業(yè)時(shí)，可以采用預(yù)拋錨方式，也可以采用動(dòng)力定位和錨泊相結(jié)合的方式；在深水海域作業(yè)時(shí)，采用動(dòng)力定位方式。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了挪威北海作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)的總布置特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。挪威北海海域作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)滿足深海鉆井可變載荷要求，配備高度自動(dòng)化的鉆井系統(tǒng)。以6機(jī)組、3機(jī)艙達(dá)到動(dòng)力定位DP-3，在適應(yīng)惡劣海況和滿足各項(xiàng)最為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)情況下，確保平臺(tái)性能要求，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)安全高效作業(yè)。隨著自主研發(fā)技術(shù)的提高和經(jīng)驗(yàn)的積累，必將推動(dòng)深海惡劣環(huán)境下能源的勘探和開發(fā)。

[1]DNV Offshore Code-OS-C201 / Section3 /D.Variable Functional Loads/D200[S].2011.

[2]劉海霞.深海半潛式鉆井平臺(tái)的總布置[J].中國(guó)海洋平臺(tái), 2007(3): 7-11.

[3]晏紹枝, 李浪清, 黃映城, 等.深海半潛式鉆井平臺(tái)鉆井系統(tǒng)選型探討[J].中國(guó)海洋平臺(tái), 2010(6): 42-46,51.

[4]DNV OS A101 Safety Principles and Arrangement[S].2008.

[5]DNV Offshore code-OS-E301 Position Mooring[S].2007.