超深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)選型配置研究

王維旭 韓忍之 胡 楠 王安義 張 鵬

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心 寶雞 721002；3.中國石油天然氣集團(tuán)公司 北京 100007）

引 言

海洋蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，隨著近淺海可開采油氣資源總量不斷減少，海洋油氣資源的勘探開發(fā)必將走向深海。近期雖受全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩、油價持續(xù)低迷的沖擊，深水、超深水油氣資源勘探開發(fā)活動有所放緩，但是在今后相當(dāng)長一段時期內(nèi)，石油、天然氣依然是重要的能源之一，而半潛式鉆井平臺是深水、超深水油氣資源開發(fā)的主要裝備之一，［1-5］目前已經(jīng)發(fā)展至第七代，其典型特征是最大作業(yè)水深達(dá)3 660 m、最大鉆深15 250 m、雙主井口、20 000 psi SSBOP［6-7］。

由中集來福士負(fù)責(zé)建造的超深水半潛式鉆井平臺，鉆井系統(tǒng)由NOV公司提供。國內(nèi)石油裝備制造企業(yè)在該領(lǐng)域技術(shù)相對薄弱，2016年，工信部旨在加強(qiáng)海工高端裝備的國產(chǎn)化，實(shí)施了第七代超深水鉆井平臺（船）自主創(chuàng)新工程。鉆井系統(tǒng)及關(guān)鍵裝備的國產(chǎn)化研究是重點(diǎn)之一，鉆井系統(tǒng)是半潛式鉆井平臺的核心。在超深水半潛式鉆井平臺中，只有在掌握了鉆井系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)、制造的核心技術(shù)，形成自主知識產(chǎn)權(quán)，才能使超深水半潛式鉆井平臺國產(chǎn)化邁上更高臺階。

1 超深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)技術(shù)分析

1.1 技術(shù)要求

超深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)的選型配置必須基于典型特征及核心技術(shù)參數(shù)，充分考慮海洋深水鉆井工藝與井身結(jié)構(gòu)的特殊要求，全面分析雙井口作業(yè)系統(tǒng)對鉆井系統(tǒng)選型配置的影響。

1.2 總體方案

鉆井系統(tǒng)為雙主井口，整體采用雙聯(lián)塔形井架結(jié)構(gòu)，兩井口作業(yè)能力相同且可并行作業(yè)，各井口分別配提升及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、天車補(bǔ)償裝置、排管裝置、管柱輸送裝置，立根井架內(nèi)部布置，隔水管立式排放，配套獨(dú)立的BOP &采油樹處理系統(tǒng)。鉆井系統(tǒng)三維布局圖如圖1所示。

圖1 鉆井系統(tǒng)三維布局圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

鉆井系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)包括：

最大作業(yè)水深：3 660 m

最大鉆深（按6 5/8″鉆桿）：15 250 m

最大鉤載：11 500 kN

提升系統(tǒng)繩系：8×9

轉(zhuǎn)盤開口通徑：75.5 in（1.905 m）

井架型式：雙聯(lián)塔形井架

井口間距：18 m

鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)：補(bǔ)償位移±3.81 m

高壓泥漿管匯：7 500 psi

固井管匯：20 000 psi

節(jié)流壓井管匯：20 000 psi

2 物料處理系統(tǒng)選型配置研究

鉆井系統(tǒng)的物料處理系統(tǒng)主要包括BOP處理系統(tǒng)、采油樹處理系統(tǒng)、隔水管處理系統(tǒng)、管柱處理系統(tǒng)等。

2.1 BOP處理系統(tǒng)

BOP處理系統(tǒng)包括門型吊機(jī)、運(yùn)輸滑車、導(dǎo)向系統(tǒng)等。鉆井系統(tǒng)需要配套8閘板、20 000 psi壓力級別的防噴器，其質(zhì)量超過560 t；考慮各類輔助管線及工具，總質(zhì)量超過600 t。按照BOP系統(tǒng)處理工藝需求，整套BOP處理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能及主要設(shè)備包括：

（1）BOP封固

實(shí)現(xiàn)BOP直立狀態(tài)下的有效固定，確保在平臺拖航、自航、自存等工況下BOP組可靠的存儲，需要的設(shè)備包括BOP底部支座、機(jī)械手。

（2）BOP吊運(yùn)

完成BOP的起吊，并運(yùn)送至月池上方，關(guān)鍵設(shè)備為BOP吊機(jī)。

（3）BOP測試

對連接完成后的BOP進(jìn)行下水前的測試。

（4）BOP運(yùn)輸

將吊運(yùn)至月池上方的BOP通過布置在月池內(nèi)的滑車運(yùn)輸至鉆臺面的井口正下方，關(guān)鍵設(shè)備是布置在月池內(nèi)的滑車。

（5）BOP導(dǎo)向

BOP和隔水管完成連接后，在下放過程中出于安全性的考慮必須對BOP實(shí)施導(dǎo)向操作，確保BOP順利通過月池。

鉆井系統(tǒng)BOP處理系統(tǒng)設(shè)備清單及參數(shù)見表1。

表1 BOP處理系統(tǒng)配置清單及參數(shù)

2.2 采油樹處理系統(tǒng)

采油樹處理系統(tǒng)包括采油樹起重機(jī)、采油樹運(yùn)輸滑車、X-Y雙向滑移裝置等，采油樹處理系統(tǒng)按照150 t載荷能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要功能包括：

（1）采油樹存儲

將準(zhǔn)備下放到海底的采油樹安全可靠地堆放于主甲板，通常情況下需要滿足至少存放4組單體采油樹的能力，采油樹存儲托座設(shè)計(jì)為可滑移結(jié)構(gòu)。

（2）采油樹測試

完成對采油樹下放前的測試工作。

（3）采油樹吊運(yùn)

將采油樹吊運(yùn)至月池上方，所需的設(shè)備為門式吊機(jī)（方案A）或行車式（方案B）。

（4）采油樹移運(yùn)

將處于月池外側(cè)的采油樹推送到月池內(nèi)井口中心位置，以便完成鉆具與采油樹的連接。

鉆井系統(tǒng)中采油樹處理系統(tǒng)設(shè)備清單及參數(shù)如表2所示。

表2 采油樹處理系統(tǒng)配置清單及參數(shù)

2.3 管子處理系統(tǒng)

管子處理系統(tǒng)分為鉆桿處理系統(tǒng)和隔水管處理系統(tǒng)。

鉆井系統(tǒng)鉆井深度15 250 m，立根臺的容量需滿足鉆井深度的要求，鉆桿采用符合API規(guī)范的Ⅲ類鉆桿，單根鉆桿長度45 ft（13.7 m），三單根一立柱，立柱高度135 ft（41 m）；通常情況下，需要對直徑小于14 in（0.36 m）大于7 in（0.18 m）套管進(jìn)行建立根作業(yè)。單根套管長度30 ft（9.15 m），四單根一立柱，單根套管高度120 ft（27.5 m）。立根組合方案見表3。

表3 立根組合方案

管子處理系統(tǒng)主要設(shè)備清單及參數(shù)如表 4所示。

鉆井系統(tǒng)最大作業(yè)水深3 660 m，提出兩隔水管單根接一柱立根的布置方案，單根隔水管長度65 ft，隔水管立柱高度130 ft，由于作業(yè)水深的增加，隔水管浮筒的外徑也隨之增加，在3 660 m水深條件下隔水管浮筒外將超過60 in。

隔水管處理系統(tǒng)主要包括隔水管起重機(jī)、隔水管傾斜臂、隔水管指梁、多功能機(jī)械臂等，推薦配置見表5。

3 游吊系統(tǒng)

游吊系統(tǒng)主要包括絞車、天車、游車、鋼絲繩等，需要根據(jù)實(shí)際鉆井工況對游吊系統(tǒng)各設(shè)備的主要參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算。

表4 管子處理系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及參數(shù) 個

表5 隔水管處理系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及參數(shù) 個

3.1 絞車主要技術(shù)參數(shù)

絞車功率為：

式中：V1為大鉤最低起鉆速度，V1=0.2 m/s；η傳動為絞車輸入軸至滾筒軸的效率，取值0.932；η滾筒為滾筒纏繩及滾筒軸效率，取值0.97；η游動為游動系統(tǒng)效率，此處游動系統(tǒng)效率按照API規(guī)定取值0.673；Q柱為最大鉆柱質(zhì)量，Q柱=q·Lmax；q為鉆柱每米長度的質(zhì)量（按6 5/8″，IEU，S級），q=47.48 kg/m；Lmax為鉆井深度，取15 250 m；Q柱=724 t。

所以，絞車功率N=5 830 kW。

3.2 鋼絲繩主要技術(shù)參數(shù)

鉆井鋼絲繩的選擇需要考慮最大鉆柱質(zhì)量及最大鉤載兩種工況。

最大鉆柱質(zhì)量下的快繩拉力為：

式中：Q游為游吊系統(tǒng)載荷，Q游=Q頂驅(qū)+Q游車+Q柱=70 t+724 t=794 t；z為有效繩數(shù)，其值為16；η游動為游動系統(tǒng)效率，根據(jù)API 9B推薦值為0.673。

所以最大鉆柱質(zhì)量下最大快繩拉力為：

按照最大鉆柱質(zhì)量選定鋼絲繩直徑d繩，API RP 9B 規(guī)定鉆井鋼絲繩的最小設(shè)計(jì)系數(shù)（即最小安全系數(shù)）Smin1=3。

所需鋼絲繩破斷載荷為：P快max≥Smin1×P快繩=3×73.737×9.81=2170 kN

最大鉤載的快繩拉力為：

按照最大鉤載選定鋼絲繩直徑d繩，API RP 9B規(guī)定最小設(shè)計(jì)系數(shù)Smin2=2。

鋼絲繩必須具有的破斷載荷為：

P鉤max≥Smin2×P快繩=2×1 068=2 136 kN

鋼絲繩破斷載荷為：

P斷=Max（P快max，P鉤max）≥ 2 170 kN

參照API Spec 9A鋼絲繩規(guī)范，選用6×36 WSIWRC-2160，56 mm鋼絲繩，公稱破斷拉力為2 410 kN，大于鋼絲繩所需的破斷載荷。

4 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件包括頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤。

4.1 頂驅(qū)主要技術(shù)參數(shù)

海上鉆井日費(fèi)用較高，為提高鉆井效率，用頂驅(qū)代替水龍頭和轉(zhuǎn)盤，頂驅(qū)的主參數(shù)包括連續(xù)工作扭矩和最大鉤載。

頂驅(qū)的連續(xù)工作扭矩［8］：

式中：Lmax為名義井深上限，為15 250 m。

所以，頂驅(qū)連續(xù)工作扭矩Mmax≥15 250×10-2-5=147.5 （kN·m）

頂驅(qū)的最大靜載荷是頂驅(qū)能承受的最大起重能力，頂驅(qū)的最大靜載荷與大鉤載荷一致，為11 500 kN。

為進(jìn)一步提升鉆機(jī)游吊系統(tǒng)工作效率，借助管柱自動化處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)游吊系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)動作業(yè)，頂驅(qū)需要配套可伸縮的導(dǎo)軌架，在頂驅(qū)從鉆臺面向上移動的過程中有效避開井口。

4.2 轉(zhuǎn)盤主要技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)盤是海洋鉆機(jī)設(shè)備中主要的承載和旋轉(zhuǎn)部件。起下鉆柱或管柱時，承受全部鉆柱或管柱的質(zhì)量；下放水下BOP及水下器具時，承受水下BOP及水下器具的質(zhì)量；緊急狀況下處理井下事故時可用于鉆具的旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)盤選型時主要考慮轉(zhuǎn)盤開口直徑、最大靜載荷等。

轉(zhuǎn)盤開口直徑必須保證能順利下放隔水管。目前深水鉆井平臺配置的轉(zhuǎn)盤通徑都在60.5 in（1 536.7 mm）以上，并且隨著作業(yè)水深的增加，轉(zhuǎn)盤開口直徑還會繼續(xù)增加。超深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)配套的隔水管漂浮材料外徑超過60 in（1 524 mm），隔水管下放作業(yè)時安全的的操作間隙通常為5″（127 mm），因此轉(zhuǎn)盤開口直徑取為75.5 in（1 727.2 mm）。

轉(zhuǎn)盤最大靜載荷是轉(zhuǎn)盤能夠承受的最大軸向載荷，其取值不應(yīng)小于最大鉤載11 500 kN。

5 鉆柱升沉補(bǔ)償裝置

常見的鉆柱升沉補(bǔ)償裝置包括天車補(bǔ)償裝置、游車補(bǔ)償裝置、絞車補(bǔ)償裝置、死繩端補(bǔ)償裝置及伸縮鉆桿補(bǔ)償裝置。天車補(bǔ)償裝置在深水、超深水鉆井系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛；在深水、超深水鉆機(jī)系統(tǒng)中游車補(bǔ)償裝置基本很少應(yīng)用；絞車補(bǔ)償裝置可顯著減輕井架質(zhì)量但增加補(bǔ)償功能后絞車功率比普通絞車功率增加30%～50%；死繩端補(bǔ)償裝置的典型代表是豪氏威馬公司推出的鉆井系統(tǒng)，但目前應(yīng)用很少；伸縮鉆桿補(bǔ)償裝置屬于較早期產(chǎn)品，現(xiàn)已基本淘汰。

鉆柱升沉補(bǔ)償按動力供給方式的補(bǔ)償型式，可以分為被動式、主動式和半主動式。被動式補(bǔ)償能耗小，但是補(bǔ)償性能不穩(wěn)定，滯后較明顯，早期使用較多；主動補(bǔ)償抗干擾能力強(qiáng)、補(bǔ)償精度高、性能穩(wěn)定，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、能耗高；半主動式補(bǔ)償是介于被動和主動之間的復(fù)合系統(tǒng)，與主動式相比可減少所需的動力，補(bǔ)償精度介于主動與被動之間，因而應(yīng)用較廣泛。

鉆井系統(tǒng)配套半主動式天車升沉補(bǔ)償裝置，其主要技術(shù)參數(shù)包括最大靜載荷、最大補(bǔ)償載荷，天車補(bǔ)償裝置的最大靜載荷不應(yīng)小于鉆井系統(tǒng)最大鉤載。

在鉆井過程時，天車補(bǔ)償裝置的最大補(bǔ)償載荷Qmax=Q柱+Q游動-F浮。其中：

F浮=ρgV排=1 500×9.8×70.24≈1 030 kN。

因此，Qmax=725+70-103=692 t，天車補(bǔ)償裝置的最大靜載荷為1 150 t，最大補(bǔ)償載荷為692 t。

6 隔水管張緊系統(tǒng)

隔水管張緊裝置分為鋼絲繩式和液壓缸式。鋼絲繩式張緊器普遍用于第四代及第五代半潛平臺上，主要優(yōu)勢是造價低，缺點(diǎn)是張緊力有限、鋼絲繩、滑輪等易磨損，安裝重心偏高，同時不適用于雙井口作業(yè)系統(tǒng)。液缸式張緊器普遍用于第五代、第六代半潛平臺上，主要優(yōu)勢是張緊力大、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、重心低，但是造價偏高，另外液缸式張緊器配合滑移裝置可方便實(shí)現(xiàn)雙井口之間的滑移。

針對超深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)，選用液壓缸式隔水管張緊器，其主要技術(shù)參數(shù)包括張緊行程、最大張緊載荷、工作壓力等。

采用基于下放鉤載的隔水管頂部張力確定方法，按照上限80%大鉤載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)［9］，張緊器張力T=80%×1 150=920 t。

設(shè)置6個液壓缸承載張緊力，考慮到張緊器失效或維修的情況下，4個液壓缸工作情況下張力器尚能為隔水管提供所需要的最小張力，液壓缸傾斜角度不大于3°，單缸最小張緊力因此隔水管張緊裝置最大張緊力為F張緊器總=F單缸×6=1 380 t。

通常情況下，超深水鉆井系統(tǒng)隔水管張緊裝置行程為15.24 m（50 ft），液壓系統(tǒng)工作壓力21 MPa，空氣系統(tǒng)壓力21 MPa。

7 井架及鉆臺

7.1 井架主參數(shù)

在確定鉆井系統(tǒng)井架井口間距18 m的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步分析論證包括井架有效高度、V大門高度、井架底部尺寸等關(guān)鍵參數(shù)。

7.1.1 井架有效高度H井架

井架有效高度H井架主要取決于鉆機(jī)起下鉆作業(yè)中，游車上行到最高位置時，仍能保證有足夠的安全高度，與立柱高度、游車長度、頂驅(qū)長度、補(bǔ)償位移、防碰距離密切相關(guān)。式中：h立根為立根的有效高度，取41.15 m（135 ft）；l游吊為游車+頂驅(qū)實(shí)際高度，取13 m；h天車防碰距離為頂部安全防碰空間，取4.5 m（包括3.81 m補(bǔ)償行程）；h鉆臺防碰高度為底部安全防碰空間，取4.5 m（包括3.81 m補(bǔ)償行程）。

因此，H井架=41.15+13+4.5+4.5=63.15 m，確定井架有效高度64 m。

7.1.2 井架底部開襠

井架底部開襠的確定需要綜合考慮船體結(jié)構(gòu)、鉆臺布置等因素。

按照船體月池開口跨距9 m的參數(shù)考慮，在保證井架內(nèi)部充分操作空間的基礎(chǔ)上，確保主載荷垂向施加，盡量減少對船體月池兩側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。同時，較小的井架底部開襠對船首側(cè)布置的隔水管立根影響也較小，因此建議井架的底部寬度為11 m。

月池的長度按照42～44 m，在此基礎(chǔ)上需要滿足采油樹下放、BOP下放、鉆井絞車布置、同時滿足各種設(shè)備周邊足夠有效的操作維護(hù)空間，井架的底部開襠長度方向?yàn)?9.5 m。

因此，井架底部開襠確定為19.5 m×11 m。

7.1.3 V大門有效高度

井架的V大門包括隔水管側(cè)V大門及鉆桿側(cè)V大門。

按照操作工藝要求，單根隔水管立根長度為130 ft，是通過可以傾斜的隔水管滑槽運(yùn)送到鉆臺面，因此井架隔水管側(cè)V大門有效高度必須要滿足隔水管在滑槽內(nèi)傾斜過程中順利通過井架，不能干涉。隔水管立根穿艙布置在雙層底甲板上，底部距離上甲板7 m，鉆臺面距離上甲板9 m，因此隔水管立根超出鉆臺面的距離為：39.63-9-7=23.6 m。安裝漂浮材料的隔水管單根外徑可達(dá)到62 in（1.575 m），在考慮到足夠安全空間的基礎(chǔ)上，隔水管側(cè)V大門在24 m處凈空間不小于1.6 m，以確保隔水管可以順利通過V大門。

按照1.2節(jié)總體布置方案及管柱處理系統(tǒng)流程，在井口完成離線建立根的作業(yè)，依靠柱式排管機(jī)提升裝置完成單根鉆柱的HTV（horizon to vertical）動作并送至動力鼠洞，因此鉆桿側(cè)V大門的有效高度須滿足35 ft單根鉆柱在傾斜45°狀態(tài)下進(jìn)出井架，所以鉆桿側(cè)V大門的有效高度為：

35 ft×sin45°×0.3 048 m/ft=7.6 m。

7.1.4 井架頂部開襠

井架的頂部主要是滿足安裝天車補(bǔ)償裝置而設(shè)計(jì)，推薦井架的頂部開襠為6.7 m×6.7 m。

7.2 底座主要參數(shù)

鉆臺高度是底座最為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，需要考慮的因素包括：泥漿回流管角度、隔水管張緊器擺動角度、BOP&采油樹處理凈空間等因素，同時鉆臺高度又對鉆井系統(tǒng)的重心位置影響較大。

鉆臺高度：

式中：h1為泥漿分配器進(jìn)口高度，鉆井系統(tǒng)布局中h1=3 m；h2為泥漿排出口和泥漿分配器進(jìn)口之間的垂直落差；h3為泥漿排出口距鉆臺面高差。

從泥漿排出口至泥漿分配器進(jìn)口之間回流管的長度為L，傾斜角度一般不小于5°，h2=L×sin，因此h2=2.62 m。

綜合考慮轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)盤梁、分流器的實(shí)際尺寸，分流器上泥漿排出口距鉆臺面高差h3不小于3 m。

所以，鉆臺高度H=3+3+2.62=8.62 m，因此確定9 m高的鉆臺面高度較為合理。

此外，還需進(jìn)一步核實(shí)隔水管張緊器在完全伸出、擺動角度3°時，張緊器和月池側(cè)壁之間保證足夠的安全空間。

8 結(jié) 論

針對超深水半潛式鉆井平臺雙井口作業(yè)系統(tǒng)總體布置方案，結(jié)合鉆井工藝特點(diǎn)，進(jìn)行多個關(guān)鍵系統(tǒng)的選型配置研究，為鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備選型提供依據(jù)，并對超深水半潛式鉆井平臺的月池尺寸、總體性能和布置方案的確定具有重要意義。

文中所采用的關(guān)鍵設(shè)備選型配置的方法可為其他海洋鉆機(jī)的設(shè)計(jì)選型提供參考。

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