自升式鉆井平臺鉆臺鉆井設(shè)備布置方案確定

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(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所有限公司，遼寧 大連 116005)

自升式鉆井平臺鉆臺鉆井設(shè)備布置方案確定

郭云龍，郭洪生，齊亮，冷阿偉

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所有限公司，遼寧 大連 116005)

針對自升式平臺鉆臺鉆井設(shè)備的最優(yōu)布置問題，基于功能單元相關(guān)度對平臺進(jìn)行子區(qū)域劃分與模塊分解，提出3種設(shè)備布置方案，分析總結(jié)每一種方案的布置特點(diǎn)，引入層次分析法建立評價(jià)指標(biāo)體系，得出了評價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù)矩陣，通過判斷矩陣一致性驗(yàn)證了權(quán)系數(shù)矩陣的合理性，最終確定方案2為最優(yōu)方案。

海洋工程；自升式鉆井平臺；鉆井設(shè)備布置；層次分析法

鉆井設(shè)備作為自升式鉆井平臺的核心設(shè)備，其布置研究一直被視為大型海洋鉆井平臺研發(fā)中最關(guān)鍵和困難的設(shè)計(jì)任務(wù)之一，鉆臺區(qū)域需要布置著大量的鉆井設(shè)備，此區(qū)域的布置對整個(gè)平臺的生產(chǎn)效率、安全性和穩(wěn)性都有較大影響[1-3]。鉆井設(shè)備的布置需要綜合考慮高效性、安全性、可靠性等因素，其目標(biāo)是建立一個(gè)最經(jīng)濟(jì)、最安全、操作人員滿意的工作環(huán)境和設(shè)備布局方案。

鉆井系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間互相耦合，約束多，想要通過精確的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)是十分困難的?？紤]針對鉆井設(shè)備相對集中的鉆臺區(qū)域，通過對整個(gè)系統(tǒng)的子區(qū)域劃分與模塊分解來進(jìn)行布置分析，以某自升式鉆井平臺的技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)，提出了3種鉆臺區(qū)域設(shè)備布置方案，通過對比分析進(jìn)行方案優(yōu)選。

1 鉆井設(shè)備布置原則

1)滿足自升式平臺設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，包括說明書中的相關(guān)要求與船東的合理化要求[4]。

2)以提高作業(yè)效率為核心。

3)考慮人因工程學(xué)要求，規(guī)劃出合理的操作空間以及滿足HSE要求。

4)優(yōu)化降低輸送作業(yè)成本，優(yōu)先布置輸送成本高的裝備。

5)為了提高平臺的穩(wěn)定性，在滿足相關(guān)要求的原則下，降低平臺重心。

2 區(qū)域劃分

對整個(gè)自升式鉆井平臺的鉆井設(shè)備進(jìn)行子區(qū)域的劃分以及功能模塊分解，將復(fù)雜的大系統(tǒng)布局規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換為多個(gè)子系統(tǒng)布置規(guī)劃問題，從而降低運(yùn)算復(fù)雜度。模塊為功能化的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元，對于總體功能的分解方案劃分是模塊分解的基礎(chǔ)。根據(jù)功能單元相關(guān)度，將各個(gè)功能單元聚集為模塊，最后確定模塊劃分的數(shù)目，這也關(guān)系到模塊分解所得到的價(jià)值與效益。如圖1所示。

圖1 模塊分解流程

根據(jù)自升式鉆井平臺的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料輸送層次性，將平臺按空間作業(yè)需要分成鉆臺區(qū)、懸臂梁區(qū)域以及甲板區(qū)域。鉆臺區(qū)為主要鉆井作業(yè)區(qū)；甲板區(qū)既是管具存儲區(qū)，同時(shí)布置泥漿存儲和混合系統(tǒng)，動力支持系統(tǒng)(含電力、液壓、氣動等)和后勤服務(wù)系統(tǒng)，三者經(jīng)管線輸送至鉆井中心，輸送距離對作業(yè)成本影響不大。懸臂梁區(qū)域也存放管具，同時(shí)完成固控系統(tǒng)處理、對鉆屑等進(jìn)行處理回收。如圖2所示。

圖2 子區(qū)域劃分

3 鉆臺區(qū)域鉆井設(shè)備布置方案

目標(biāo)自升式鉆井平臺的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)目標(biāo)平臺的主要技術(shù)參數(shù)、功能特點(diǎn)以及基本的鉆井工藝要求，提出了3種鉆臺區(qū)域的基本布置方案。

方案1。鉆井絞車布置在鉆臺面右舷，井架外側(cè)；立根區(qū)布置在井口中心前方2側(cè)井架底座范圍內(nèi)。右側(cè)為套管立根區(qū)，左側(cè)為鉆桿立根區(qū)；井口中心在井架的幾何中心；司鉆房布置在鉆井絞車側(cè)鉆臺面左后角；1個(gè)鐵鉆工，設(shè)處理鉆桿立根和套管的2個(gè)鼠洞。鐵鉆工可以兼顧井口和1個(gè)鼠洞。鉆桿鼠洞布置在井口前側(cè)和貓道機(jī)之間；鉆桿接立根采用水平橋吊排管，設(shè)有一套單獨(dú)的套管立根處理系統(tǒng)；鉆臺面布置緊張；司鉆房內(nèi)逃生不便；司鉆房遠(yuǎn)離懸臂梁管架區(qū)，觀察管架區(qū)視野不好；離線排立根功能效率不高，當(dāng)鉆井時(shí)橋吊無法處理靠近井口的立根。見圖3。

圖3 方案1布置

方案2。鉆井絞車布置在右舷鉆臺面，井架外側(cè)；立根區(qū)布置在井口中心左側(cè)井架底座范圍內(nèi)；井口中心相對于井架的幾何中心偏心；司鉆房布置在鉆井絞車側(cè)右前角升高平臺；2個(gè)鐵鉆工，1個(gè)鐵鉆工專為井口作業(yè)服務(wù)，1個(gè)專為接立根服務(wù)，2個(gè)鼠洞。鼠洞布置在井口前和貓道機(jī)之間；采用豎直排管器?？v向布置，排管器兼顧井口和立根區(qū)；離線排立根功能效率高，立根區(qū)離井口距離適中，鉆井井口作業(yè)時(shí)不影響排管器接立根，滿足全時(shí)離線立根作業(yè)，井口作業(yè)和立根作業(yè)分開互不干涉；2個(gè)鼠洞和2個(gè)鐵鉆工的設(shè)計(jì)，使接立根的時(shí)間縮短了一半；鉆臺面的載荷分布較為均勻，逃生路線規(guī)則合理；人員作業(yè)空間較舒適，視野較好。符合人機(jī)工程學(xué)的要求；布置重心稍偏左舷；儀表房設(shè)置在升高甲板，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高；鉆臺面面積較大。見圖4。

圖4 方案2布置

方案3。鉆井絞車布置在右舷鉆臺面，井架外側(cè)；立根區(qū)布置在井口中心左側(cè)井架底座范圍內(nèi)；井口中心相對于井架的幾何中心偏心；司鉆房布置在鉆井絞車側(cè)鉆臺面右前角；1個(gè)鐵鉆工，2個(gè)鼠洞，鐵鉆工與鼠洞和井口成一線布置，可以兼顧井口和鼠洞。鼠洞布置在井口后和鐵鉆工之間；采用豎直排管器；布置重心稍偏左舷；鉆臺面布置稍緊張；鼠洞布置在井口后，對鉆臺下的BOP處理區(qū)布置干擾；離線排立根功能效率不高，立根區(qū)離井口太近，鉆井井口作業(yè)時(shí)影響排管器接立根。見圖5。

圖5 方案3布置

4 布置方案評價(jià)

4.1 評價(jià)指標(biāo)體系

在制定單項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，盡量保證指標(biāo)間的相互獨(dú)立性；應(yīng)使單個(gè)評價(jià)指標(biāo)更易于標(biāo)準(zhǔn)化或者量化。針對鉆井系統(tǒng)，主要?dú)w納4項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)。

1)規(guī)則性指標(biāo)，主要包括所入船級社的規(guī)范規(guī)則，工作地的法令法規(guī)，船東的個(gè)性化要求等。

2)性能指標(biāo)，主要包括鉆井系統(tǒng)的性能、壽命、可靠性、安全性、環(huán)保性等。

3)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，主要包括方案設(shè)計(jì)成本、總建造費(fèi)用，維護(hù)成本、設(shè)計(jì)建造調(diào)試周期等。

4)方案實(shí)施難度指標(biāo)，主要包括設(shè)計(jì)難度、建造難度、風(fēng)險(xiǎn)可控性等。

4.2 方案評價(jià)

基于上述分析，提出引入定量與定性相結(jié)的層次分析法進(jìn)行方案評價(jià)。此方法可以更為準(zhǔn)確的得到評價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)[5-7]。

1)建立層次模型。如圖6所示，此層次模型分為目標(biāo)層M、指標(biāo)層Z與方案層F，其中目標(biāo)層為想要獲得的方案評價(jià)結(jié)果。指標(biāo)層為上文中針對鉆井系統(tǒng)制定的指標(biāo)，分別為規(guī)則性指標(biāo)、性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及方案實(shí)施難度指標(biāo)。方案層為要進(jìn)行評價(jià)的方案1～3。

圖6 層次分析模型

2)建立對比判斷矩陣。建立對比判斷矩陣C=[cij]是層次分析法中一個(gè)關(guān)鍵的步驟。對于指標(biāo)層集合Z=[zi]而言，根據(jù)指標(biāo)zi的相對重要性程度的判斷，采用1—9標(biāo)度法，將其相對重要程度轉(zhuǎn)化為一個(gè)對比矩陣。層次分析法判斷矩陣對比標(biāo)度見表2。

Z=[zi]的集合元素為規(guī)則性指標(biāo)(z1)、性能指標(biāo)(z2)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)(z3)、方案實(shí)施難度指標(biāo)(z4)，建立判斷矩陣C如表2所示。

表2 層次分析法判斷矩陣對比標(biāo)度

注：2,4,6,8標(biāo)度是上述相鄰判斷中值

表3 判斷矩陣

對結(jié)果進(jìn)行歸一化處理可得權(quán)系數(shù)集合為

A=[0.529 4,0.208 4,0.185 3,0.076 9]

4)一致性驗(yàn)證。由于客觀事物的復(fù)雜性和主觀判斷的不穩(wěn)定性，難以將同一準(zhǔn)則的事物差異度量的十分準(zhǔn)確，當(dāng)建立完判斷矩陣后，需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。當(dāng)判斷矩陣具備一致性的時(shí)候，其一致性指標(biāo)為

(1)

式中:λmax為矩陣C的最大特征值；n為矩陣C的階數(shù)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，對不同階數(shù)其數(shù)值不同，見表4。

表4 RI取值

判斷矩陣C的最大特征值，λmax=4.205 9。則可得

(2)

當(dāng)CR<10%，則可認(rèn)為判斷矩陣具有規(guī)范一致性，否則需要對判斷矩陣進(jìn)行修正或者調(diào)整。由式(2)可知，權(quán)系數(shù)求解結(jié)果滿足一致性驗(yàn)證，可以作為評價(jià)依據(jù)。

5)方案確定。在得出權(quán)系數(shù)矩陣后，應(yīng)用專家打分法對3種方案各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評分。以上述3種方案為例，其得分見表5。

表5 方案評價(jià)得分

表中0.95～1.00為“非常好”；0.90～0.95代表“好”；0.85～0.90代表“良好”；0.75～0.80代表“中”；0.70～0.75代表“一般”。

則評分矩陣B為

則矩陣

由表5可知，方案的排序?yàn)榉桨?優(yōu)于方案3，方案3優(yōu)于方案1。

5 結(jié)論

1)在進(jìn)行自升平臺鉆臺區(qū)域鉆井設(shè)備布置時(shí)，根據(jù)建造說明書提出若干種備選方案，需要對方案進(jìn)行對比評價(jià)并進(jìn)行優(yōu)選。

2)在應(yīng)用層次分析法確定權(quán)系數(shù)時(shí)，有必要對比分析矩陣進(jìn)行一致性驗(yàn)證，以期得到更為準(zhǔn)確的權(quán)系數(shù)矩陣；在進(jìn)行自升式平臺鉆臺區(qū)域鉆井設(shè)備布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首要考慮規(guī)則性指標(biāo)；其次為性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，二者的權(quán)重比接近；最后為方案實(shí)施難度指標(biāo)。

3)通過層次分析法分析比較可知：方案2的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與方案實(shí)施難度指標(biāo)稍差于其他2個(gè)方案，其他指標(biāo)均不低于方案1與方案3；但方案2綜合得分最高，亦是推薦最佳方案。

4)基于層次分析方法來對鉆井設(shè)備布置進(jìn)行綜合評價(jià)是一個(gè)開放的系統(tǒng)方法，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自己較為關(guān)注的指標(biāo)調(diào)整相應(yīng)的判斷矩陣。在今后的研究中，當(dāng)出現(xiàn)群體判斷問題時(shí)，應(yīng)試著結(jié)合最優(yōu)化理論進(jìn)行綜合判斷，以期使得結(jié)論更有說服力。

[1] 張振國,王長進(jìn),李銀朋.海洋石油工程概論[M].北京:中國石化出版社,2014.

[2] 王進(jìn)鋒,顧藝.基于知識工程的自升式鉆井平臺方案設(shè)計(jì)方法[J].船海工程,2011,40(5):193-196.

[3] 王定亞,鄧平,劉文宵.海洋水下井口和采油裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].石油機(jī)械,2011,39(1):75-79.

[4] ABS. Classification of Drilling Systems[S]. ABS,2012.

[5] BOZBURA F T, BESKESE A. Prioritization of organizational capital measurement indicators using fuzzy AHP[J]. International Journal of Approximate Reasoning,2007,44(2):124-147.

[6] 楊承參,施潤華.船舶動力裝置[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1996.

[7] 陳如星,周瑞平,樊紅.平臺供應(yīng)船主推進(jìn)系統(tǒng)綜合評估方法研究[J].船海工程,2014(4):138-141.

Determination of the Drilling Equipments Layout on Drill Floor for Self-elevating Drilling Unit

GUOYun-long,GUOHong-sheng,QILiang,LENGA-wei

(Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Research Institute Co. Ltd., Dalian Liaoning 116000, China)

Aiming at obtaining the optimal layout of equipments, three setting plans of drilling equipments on drill floor were presented by means of area dividing and module decomposition for the whole system and analyzed characteristics, the coefficient matrix were obtained by the establishment of system indexes with analytic hierarchy process, the optimal plan was selected finally.

offshore engineering; self-elevating drilling unit; drilling equipment layout; analytic hierarchy process

U674.38;TE951

A

1671-7953(2017)05-0026-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.008

2016-11-18

修回日期：2016-12-16

國家高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目“120 m及以上水深自升式鉆井平臺自主研發(fā)”

郭云龍(1988—)，男，工學(xué)博士，工程師

研究方向：海洋工程裝備設(shè)計(jì)