自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁的發(fā)展研究

師　濤，趙世剛，張　鑫，龐世強(qiáng)，石寧可

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)①

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自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁的發(fā)展研究

師濤，趙世剛，張?chǎng)?，龐世?qiáng)，石寧可

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)①

摘要：懸臂梁是自升式鉆井平臺(tái)連接鉆機(jī)結(jié)構(gòu)件和平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備。介紹了國(guó)內(nèi)外知名自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)公司，對(duì)比了這些公司的懸臂梁的主要性能參數(shù)。介紹了國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)關(guān)于懸臂梁移動(dòng)方式的專利技術(shù)。對(duì)比研究了3種懸臂梁的布局方式，認(rèn)為懸臂梁需要根據(jù)鉆井需求合理布局，確保主梁受力均勻。針對(duì)國(guó)內(nèi)自升式平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀，建議國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇，研發(fā)適應(yīng)市場(chǎng)需求的新產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：自升式鉆井平臺(tái)；懸臂梁；鉆井能力

自1954年世界上第1座自升式鉆井平臺(tái)問(wèn)世，至今已有60多a的歷史。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，平臺(tái)結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，整體性能更加穩(wěn)定。當(dāng)今主流的形式是三樁腿桁架式懸臂梁結(jié)構(gòu)，平臺(tái)類型為修正的等腰三角形[1-2]。

懸臂梁在自升式平臺(tái)上的應(yīng)用，大幅增加了平臺(tái)的可用空間、作業(yè)范圍和作業(yè)能力，懸臂梁最大外伸距離36.5 m，橫移距離25 m，最大作業(yè)水深達(dá)到175 m。

懸臂梁作為平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，其移動(dòng)形式主要有常規(guī)型、X-Y型、旋轉(zhuǎn)型和增強(qiáng)改進(jìn)型；滑移驅(qū)動(dòng)方式主要有棘爪滑移，銷(xiāo)軸推移和齒輪齒條滑移。由于常規(guī)型和X-Y型移動(dòng)型式，以及銷(xiāo)軸推移方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)相對(duì)成熟，在現(xiàn)有的自升式平臺(tái)上應(yīng)用比較廣泛[3]。

1國(guó)外設(shè)計(jì)公司

世界知名的自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)公司有：

1)美國(guó)的LeTourneau Offshore Drilling Rigs。從1955年到2015年，半個(gè)多世紀(jì)時(shí)間內(nèi)，建造了近290臺(tái)自升式鉆井平臺(tái)，適應(yīng)水深為13.7～167.6 m(45～550 ft)，最大鉆井深度12 192 m(40 000 ft)[4]。

2)美國(guó)Friede Goldman United 。簡(jiǎn)稱F&G，主要從事海洋工程平臺(tái)設(shè)計(jì)和平臺(tái)配套設(shè)備設(shè)計(jì)和制造業(yè)務(wù)，擁有超過(guò)60多a海洋工程平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。2010-08，中交股份完成了對(duì)F&G的100%的股權(quán)收購(gòu)。F&G設(shè)計(jì)的典型自升式鉆井平臺(tái)主要有JU-2000A、JU2000E、JU-3000、MOD Ⅱ、SUPER M2、UNIVERSAL M CLASS等[5]。

3)荷蘭Gusto MSC。該公司在自升式鉆井平臺(tái)、半潛式鉆井平臺(tái)和船舶類領(lǐng)域有著專業(yè)的設(shè)計(jì)，擁有80 a的大型海洋鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造歷史。其中最著名的產(chǎn)品有自升式平臺(tái)的懸臂梁X-Y滑移系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和鎖緊裝置。公司研發(fā)了一系列CJ型自升式鉆井平臺(tái)，主要有CJ43、CJ46、CJ50、CJ54、CJ62、CJ70、CJ80等平臺(tái)，平臺(tái)的懸臂梁均采用X-Y滑移形式[6-7]。

4)新加坡吉寶遠(yuǎn)東公司。設(shè)計(jì)的自升式平臺(tái)主要包括KFELS A Class Design，KFELS B Class Design，KFELS C Class Design，KFELS G Class Design，KFELS N Class Design等。最新設(shè)計(jì)的平臺(tái)是KFELS N Plus，將適用于北海和東中國(guó)海水域，雖然平臺(tái)的自動(dòng)化程度不高，但是具有更大的鉆井能力，堪比MSC公司的CJ70型平臺(tái)[8]。

各大公司設(shè)計(jì)的平臺(tái)都有其自身的特點(diǎn)，表1列舉了各公司鉆井平臺(tái)相關(guān)參數(shù)。由表中數(shù)據(jù)可知，荷蘭Gusto MSC公司擁有世界上鉆井深度最深(12 192 m)、工作水深最大(175 m)，鉆井范圍最廣(36.5 m×12.5 m)的自升式鉆井平臺(tái)，主要原因是懸臂梁采用了X-Y移動(dòng)形式。常規(guī)型移動(dòng)方式，由于懸臂梁?jiǎn)蝹?cè)主梁承受載荷較大，移動(dòng)范圍受到了限制，但平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。

表1　國(guó)外自升式鉆井平臺(tái)相關(guān)參數(shù)

表1(續(xù))

注：表格空白處為“無(wú)準(zhǔn)確信息”。

2國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)公司

國(guó)內(nèi)能夠自主設(shè)計(jì)鉆井平臺(tái)的公司主要有：

1)大連船舶重工集團(tuán)海洋工程有限公司。于2011年自主研發(fā)設(shè)計(jì)了DSJ300型自升式平臺(tái)，近期并沒(méi)有新的自升式平臺(tái)推出。

2)遼河陸海石油裝備研究院有限公司。是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的海工裝備設(shè)計(jì)和制造企業(yè)，自主研發(fā)設(shè)計(jì)了CP系列自升式鉆井平臺(tái)，主要包括CP-300、CP-350、CP-375、CP-400、CP460等。

3)中交股份旗下美國(guó)F&G公司。該公司提供平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，振華重工完成詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)，主要有“振海一號(hào)”，適應(yīng)水深91.44 m，鉆井深度9 000 m；“振海二號(hào)”適應(yīng)水深122 m，最大鉆井深度10 668 m。

4)宏華集團(tuán)。研發(fā)設(shè)計(jì)了HHJ1三樁腿自升式鉆井平臺(tái)，作業(yè)水深122 m，懸臂梁最大外伸距離22.86 m。

在國(guó)內(nèi)石油鉆采裝備行業(yè)領(lǐng)先的公司都致力于自升式鉆井平臺(tái)用鉆井包的研發(fā)，宏華集團(tuán)開(kāi)發(fā)了HZJ90DBS鉆井包，鉆井深度9 000 m，最大鉤載6 800 kN。寶雞石油機(jī)械制造有限公司研發(fā)了9 000 m海洋平臺(tái)用鉆井包，有7套用于自升式平臺(tái)。南陽(yáng)二機(jī)石油裝備有限公司自主研制了國(guó)內(nèi)首套自升式9 000 m海洋模塊鉆機(jī)井架及提升系統(tǒng)[9]。

國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的自升式鉆井平臺(tái)相關(guān)參數(shù)對(duì)比如表2所示。將表1和表2中參數(shù)對(duì)比顯示，國(guó)內(nèi)研發(fā)的自升式平臺(tái)最大作業(yè)水深為140 m，最大鉆井深度為10 668 m，懸臂梁為常規(guī)移動(dòng)方式，縱橫移動(dòng)范圍為24.4 m×6.1 m，與國(guó)外先進(jìn)的自升式平臺(tái)還具有一定差距。

表2　國(guó)內(nèi)自主研發(fā)自升式鉆井平臺(tái)相關(guān)參數(shù)

3國(guó)內(nèi)的專利技術(shù)

鑒于懸臂梁式自升式鉆井平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)都在進(jìn)行研發(fā)，并形成了一些專利技術(shù)。

1)大連理工大學(xué)。研究設(shè)計(jì)了“石油鉆井平臺(tái)鉆塔移動(dòng)裝置”，如圖1所示，該裝置采用4個(gè)支撐托架，托架下滑道與主甲板固定連接，并設(shè)置有棘爪移動(dòng)槽孔，與托架橫向滑槽配合，用于鉆塔的橫向移動(dòng)；托架上滑道位于懸臂梁的下部，同樣設(shè)置有槽孔，與托架縱向滑槽配合，用于鉆塔的縱向移動(dòng)，如圖2～3所示。橫向和縱向移動(dòng)都采用棘爪推移方式，定位準(zhǔn)確，而且懸臂梁在移動(dòng)過(guò)程中兩主梁受力均勻，提高了鉆井能力[10]。

圖1　鉆塔移動(dòng)裝置

圖2　A向視圖

圖3　B向視圖

2)中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所。設(shè)計(jì)了“自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁縱橫移動(dòng)裝置”，如圖4所示。該裝置采用齒輪齒條移動(dòng)方式，平臺(tái)主甲板上設(shè)置橫向齒條，懸臂梁上設(shè)置縱向齒條，縱橫移動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒條鎖緊器和移動(dòng)滑槽都固定在基座上。橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速器和齒輪構(gòu)成，工作時(shí)，電機(jī)經(jīng)減速器減速后通過(guò)齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)懸臂梁橫向移動(dòng)?？v移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由支架、電機(jī)、減速器、齒輪和反轉(zhuǎn)輪構(gòu)成，如圖5所示，電機(jī)經(jīng)減速器減速后通過(guò)齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)懸臂梁縱向移動(dòng)，反轉(zhuǎn)輪用于抵消齒輪齒條嚙合產(chǎn)生的徑向載荷?；显O(shè)置的縱橫移動(dòng)鎖緊器，采用了自升式平臺(tái)齒輪齒條式升降裝置中的鎖緊結(jié)構(gòu)，由電動(dòng)推桿推動(dòng)楔塊與齒條嚙合實(shí)現(xiàn)鎖緊；基座焊接固定有縱橫移動(dòng)滑槽，工作時(shí)，橫向滑槽向下勾住甲板軌道，縱向滑槽向上勾住懸臂梁軌道[11]。

圖4　懸臂梁縱橫移動(dòng)裝置

圖5　A-A視圖

3)四川宏華集團(tuán)。研究設(shè)計(jì)了“一種自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁滑移裝置”，如圖6所示，該裝置包括減速器、動(dòng)力源、制動(dòng)器、滑移裝置、支座、驅(qū)動(dòng)齒輪和滾輪組件?；蒲b置安裝在平臺(tái)主甲板上，內(nèi)部設(shè)置齒輪副，外部與驅(qū)動(dòng)齒輪和減速器相連。工作時(shí)，電機(jī)經(jīng)減速器將動(dòng)力傳給滑移裝置，輸出給驅(qū)動(dòng)齒輪，與固定在懸臂梁上的齒條嚙合，驅(qū)動(dòng)懸臂梁移動(dòng)，滾輪組件位于齒條上部，用于調(diào)整驅(qū)動(dòng)齒輪和齒條間的工作間隙。齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式為連續(xù)運(yùn)動(dòng)，定位時(shí)通過(guò)制動(dòng)器將懸臂梁可靠地鎖緊在相應(yīng)位置[12]。

圖6　一種懸臂梁移動(dòng)裝置

以上專利都是針對(duì)懸臂梁滑移形式的，專利一[10]和專利二[11]為X-Y滑移方式，分別由棘爪和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，專利三[12]為常規(guī)滑移方式，由齒輪齒條驅(qū)動(dòng)。X-Y滑移形式，懸臂梁承載能力大，但是制造難度大，船型結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)平臺(tái)空間要求高；常規(guī)移動(dòng)方式，懸臂梁承載能力小，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。綜合以上因素以及懸臂梁移動(dòng)系統(tǒng)的安全性，設(shè)計(jì)的專利技術(shù)能否應(yīng)用到實(shí)踐，需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4懸臂梁內(nèi)部設(shè)備布局

懸臂梁位于自升式平臺(tái)的尾部，承載著整個(gè)鉆井設(shè)備的重力，而鉆井用發(fā)電機(jī)、電控柜、鉆井泵、泥漿儲(chǔ)備罐、凈化系統(tǒng)、固井泥漿等都位于主甲板內(nèi)，這些設(shè)備只有通過(guò)懸臂梁才能有效地與鉆井井口設(shè)備連接，而且懸臂梁只有伸出平臺(tái)才能進(jìn)行正常的鉆井作業(yè)，它的移動(dòng)范圍決定著平臺(tái)的作業(yè)能力。

與懸臂梁相關(guān)的主要鉆井設(shè)備包括，套管張力系統(tǒng)、井控設(shè)備、液壓控制單元、固控系統(tǒng)、固井裝置和第三方設(shè)備等。不同的鉆井平臺(tái)，懸臂梁的結(jié)構(gòu)和布局不同，下面介紹了幾種常見(jiàn)的懸臂梁布局形式。

1)第1種懸臂梁布局。懸臂梁為單腹板形式，門(mén)式結(jié)構(gòu)，如圖7所示，縱移距離0～14 m，橫移距離-3～3 m，最大作業(yè)水深35 m。泥漿處理系統(tǒng)位于懸臂梁內(nèi)，固定于平臺(tái)主甲板的艉部；防噴器組(BOP)位于懸臂梁的尾部支撐架上；地質(zhì)房和泥漿化驗(yàn)室位于平臺(tái)左舷，懸臂梁外側(cè)；固井設(shè)備位于平臺(tái)右舷。

圖7　懸臂梁布局簡(jiǎn)圖之一

2)第2種懸臂梁布局。懸臂梁為單腹板，門(mén)式結(jié)構(gòu)，如圖8～9所示，縱移距離0～15.24m，橫移距離-4.57～4.57 m，最大作業(yè)水深91.44 m。固控系統(tǒng)位于平臺(tái)右舷的尾部，懸臂梁的右側(cè)。固井設(shè)備位于懸臂梁的左側(cè)，與固控系統(tǒng)對(duì)稱布置。懸臂梁尾部左右兩側(cè)布置高低壓防噴器(BOP)組，并設(shè)置移運(yùn)裝置，BOP控制系統(tǒng)位于懸臂梁的中部，作業(yè)時(shí)隨懸臂梁一起移動(dòng)[13]。

圖8　懸臂梁實(shí)物照片

圖9　懸臂梁布局簡(jiǎn)圖之二

3)第3種懸臂梁布局。 圖10所示為懸臂梁內(nèi)部布局圖，懸臂梁縱移距離0～22.28 m，橫移距離-4.57～4.57 m，最大作業(yè)水深122 m。懸臂梁為封閉型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部分兩層布置，尾部為井口區(qū)域，主要布置隔水管張力系統(tǒng)，中前部布置BOP控制單元。在下層甲板中部左側(cè)布置一個(gè)倉(cāng)庫(kù)用于儲(chǔ)存鉆井工具。在懸臂梁的首部下層平臺(tái)布置錄井單元、固井單元。一個(gè)篩布倉(cāng)庫(kù)和一個(gè)固控化驗(yàn)室布置在懸臂梁的左側(cè)，中間甲板設(shè)置固控系統(tǒng)，并分層布置，下層布置除砂、除泥泵，離心機(jī)供液泵，計(jì)量泵，沉砂池，上層布置泥漿凈化設(shè)備，包括振動(dòng)篩，除氣、除砂、除泥器，清潔器，中高速離心機(jī)等，同時(shí)布置螺旋推進(jìn)器和離心機(jī)用于巖屑收集和處理。懸臂梁移動(dòng)時(shí)內(nèi)部設(shè)備一起移動(dòng)[14]。

圖10　懸臂梁布局簡(jiǎn)圖之三

第1種布局方式適應(yīng)水深較淺，沒(méi)有隔水管張緊系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)屬于老式平臺(tái)；第2種布局相對(duì)先進(jìn)，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的DSJ300、CP300采用該種布局；第3種情況為比較先進(jìn)的布置方式，適合于深水平臺(tái)，海洋石油941采取該種布局方式。懸臂梁采用常規(guī)型移動(dòng)方式時(shí)，設(shè)備布局應(yīng)在懸臂梁中心兩側(cè)對(duì)稱布置，以保證懸臂梁兩側(cè)的大主梁受力均勻，同時(shí)根據(jù)鉆井工藝合理安排設(shè)備的位置。由于內(nèi)部設(shè)備較多，而且液電氣管路較為密集，因此要合理布置。

5結(jié)論

1)國(guó)內(nèi)在海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)方面才剛剛起步，正處于發(fā)展階段，與國(guó)外先進(jìn)的懸臂梁式自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)有一定的差距。雖然國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)針對(duì)海洋石油平臺(tái)的懸臂梁取得了一些專利技術(shù)，但是專利缺乏市場(chǎng)應(yīng)用。

2)懸臂梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局需要根據(jù)平臺(tái)的作業(yè)情況決定，當(dāng)設(shè)計(jì)適應(yīng)深水和鉆深能力大的平臺(tái)時(shí)，懸臂梁需要進(jìn)行合理的布局，以保證懸臂梁的承載性能和作業(yè)能力。

3)近年來(lái)，我國(guó)自升式鉆井平臺(tái)技術(shù)發(fā)展較快，懸臂梁的移動(dòng)范圍和承載能力大幅提高，但都是基于國(guó)外產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，與國(guó)際先進(jìn)公司還有很大差距。國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇，盡快研發(fā)出適應(yīng)市場(chǎng)需求且具有競(jìng)爭(zhēng)能力的產(chǎn)品。

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Development and Research of Jack-up Cantilever

SHI Tao，ZHAO Shigang，ZHANG Xin，PANG Shiqiang，SHI Ningke

(QingdaoBranch，LanzhouLSEnergyEquipmentEngineeringResearchInstituteCo.，Ltd.，Qingdao266520，China)

Abstract：Cantilever is the key equipment of the jack-up drilling platform，connecting rig structure and platform，in order to study their development，the article introduces the well-known jack-up drilling platform design company，by comparison，understand the key performance parameters of the cantilever，while introduces the domestic research institutions on the patented technology of the cantilever movement.By studying three kinds of cantilever layout，it is found that the cantilever needs the rational distribution according to drilling conditions，to ensure the force of the main beam is uniform.In view of the development of the domestic jack-up platform，it is recommended domestic enterprises should seize the opportunity to develop new products to meet market demand.

Keywords：jack-up drilling platform；cantilever；drilling capacity

中圖分類號(hào)：TE951

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.020

作者簡(jiǎn)介：師濤(1986-)，男，山西介休人，碩士，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)械工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆采裝備技術(shù)研究及設(shè)計(jì)工作，E-mail：shidast@163.com。6

收稿日期：①2015-08-266

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0088-06