超深水半潛式鉆井平臺鉆機模塊總體方案研究

胡 楠 王安義 楊秀菊 劉志桐 張 鵬

（1.寶雞石油機械有限責(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）

引 言

近年受到低油價的沖擊，海洋深水領(lǐng)域油氣勘探開發(fā)活動有所減緩，受其影響深水鉆井平臺（船）利用率較低、日費大幅下滑。但是，從長遠(yuǎn)看深水、超深水油氣開發(fā)勢在必行，半潛式鉆井平臺是海洋油氣開發(fā)的主要設(shè)施之一，是深水、超深水油氣資源勘探開發(fā)工程中的主力軍。相對而言，我國在超深水鉆機領(lǐng)域與國外還有較大差距，在現(xiàn)階段海洋深水鉆機發(fā)展放緩的情勢下，正是我國加快發(fā)展步伐追趕的關(guān)鍵時機［1-6］。

目前，半潛式鉆井平臺已經(jīng)發(fā)展到第七代，相比第六代半潛式平臺，第七代超深水鉆井平臺在甲板可變載荷、作業(yè)水深、大鉤載荷、鉆井深度方面都有大幅度的提升［7］，例如，適應(yīng)作業(yè)水深超過了12 000 ft（1 ft = 0.304 8 m）、鉆井深水度超過50 000 ft，這也是第七代超深水半潛式鉆井平臺鉆機模塊（以下簡稱：第七代平臺鉆機模塊）的典型特征。據(jù)統(tǒng)計，目前全球作業(yè)水深超過3 600 m的半潛式鉆井平臺僅有5座［8］，但是還沒有一座平臺完全達(dá)到第七代的關(guān)鍵參數(shù)要求。

本文針對海洋工程裝備領(lǐng)域第七代超深水鉆井平臺（船）創(chuàng)新專項中的鉆機模塊及關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化開展研究，重點進(jìn)行適應(yīng)作業(yè)水深12 000 ft、鉆井深度50 000 ft的鉆機模塊總體方案研究。

1 鉆機模塊典型特征與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 典型特征

第一代到第七代鉆井平臺在作業(yè)水深、鉆井深度、定位方式、井架型式等方面都有一定的區(qū)別，其中第五代至第七代平臺之間的劃分趨于模糊，但是在作業(yè)水深、鉆井深度等方面還是有一定差別。

將第七代鉆井平臺在適應(yīng)作業(yè)水深更深、鉆井深度更深的特點映射到配套的鉆機模塊上，其典型特征主要包括：適應(yīng)水深12 000 ft、鉆井深度50 000 ft、雙井口和20K級別防噴器組。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

煙臺中集來福士建造的兩座超深水半潛式鉆井平臺，其配套鉆機模塊采用國外雙塔架液壓提升系統(tǒng)，采用液缸舉升式提升系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)絞車提升系統(tǒng)，每個井口配5組液壓缸，具備提升鉆柱、升沉補償?shù)碾p重功能，系統(tǒng)配1 250 t頂驅(qū)、開口75.5 in轉(zhuǎn) 盤、15 000 psi（1 psi = 6.895 kPa） 閘 板海底防噴器組以及6個液壓缸張緊器，張緊能力4 500 kips（1 kips ≈ 453.59 kg），在系統(tǒng)配置上相比第六代有所提升。平臺雖由中國船廠負(fù)責(zé)建造，但是作為鉆井平臺核心的鉆機模塊則由國外公司提供，仍舊沒有從根本上擺脫我國超深水高端鉆井裝備依賴進(jìn)口的不利局面。

2 鉆機模塊布局設(shè)計難點

適應(yīng)作業(yè)水深更深、鉆井深度更深是第七代平臺鉆機模塊最為典型的特征。這些特征對鉆機模塊作業(yè)工藝、系統(tǒng)配置都提出了新的要求。因此在鉆機模塊布局設(shè)計中也面臨新的困難，這也是第七代鉆井平臺鉆機模塊設(shè)計必須首先重點研究的方向。

2.1 水深更深、鉆深更深

鉆機模塊要求作業(yè)水深達(dá)到3 660 m，需要配套3 660 m長度隔水管，而隔水管質(zhì)量巨大（達(dá)6 000 t），浮筒外徑更大，直徑超過60 in（1 in = 2.54 cm），在鉆機模塊布局研究中必須綜合考慮空間布置、質(zhì)量重心、處理能力等綜合因素。

最大鉆井深度達(dá)到了15 250 m，鉆機模塊立根臺容量隨之增加，立根質(zhì)量更大，在鉆機模塊布局研究中需要系統(tǒng)分析管柱立根的質(zhì)量、重心對平臺甲板可變載荷的影響，同時還需兼顧管柱處理工作效率、可靠性等因素，這也是進(jìn)行鉆機模塊布局設(shè)計時需要重點解決的問題。

2.2 作業(yè)效率更高

第七代半潛式鉆井平臺建造費用較高，平臺日費也較貴，因此必須有效提升平臺的整體作業(yè)效率與可靠性以降低作業(yè)成本。鉆機模塊作為半潛式鉆井平臺的核心是決定平臺整體作業(yè)效率的關(guān)鍵，為提高鉆機模塊作業(yè)效率，配置雙井口、管柱自動化處理系統(tǒng)、司鉆集成控制系統(tǒng)等，從而提升作業(yè)可靠性、增加鉆機模塊的冗余功能，確保鉆井模塊的作業(yè)效率。

首先，設(shè)備數(shù)量增加較多，需要合理規(guī)劃空間布局以解決平臺空間有限與設(shè)備數(shù)量眾多之間的矛盾；其次，布局中既要兼顧設(shè)備的冗余，又要避免設(shè)備相互干涉。

3 鉆機模塊總體布置原則

目標(biāo)系統(tǒng)的總體布置原則是：雙井口作業(yè)系統(tǒng)；隔水管立式排放，船首側(cè)布置；雙管柱輸送系統(tǒng)，船尾側(cè)布置；X-Y雙向移動采油樹處理系統(tǒng)，左舷側(cè)布置；防噴器組處理系統(tǒng)布置在右舷，如圖1所示。

該布置方案的優(yōu)勢：

（1）最大限度利用了甲板空間；

（2）各系統(tǒng)工作區(qū)域獨立、互不干涉，便于并行作業(yè)；

（3）鉆機模塊整體重心居中，對船體穩(wěn)性影響較小。

4 鉆機模塊總體設(shè)計技術(shù)分析

4.1 提升系統(tǒng)選擇

國外研制的液缸舉升式提升系統(tǒng)在深水、超深水半潛式鉆井平臺上已經(jīng)成功應(yīng)用，省去了傳統(tǒng)的鉆井絞車、天車補償裝置，是深水鉆機模塊發(fā)展的一個重要方向，其核心是大直徑液缸的制造技術(shù)及高精度控制技術(shù)，我國在該領(lǐng)域技術(shù)相對薄弱。

另外液缸舉升式提升系統(tǒng)存在安裝困難、控制復(fù)雜、維護成本較高等客觀問題。

傳統(tǒng)絞車提升系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，整體技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，作業(yè)可靠性也得到長時間的現(xiàn)場驗證，因此相比液缸舉升式提升系統(tǒng)而言采用傳統(tǒng)的常規(guī)絞車提升系統(tǒng)更為穩(wěn)妥，也更貼合目前我國的整體水平。

4.2 隔水管存儲方案

如2.1節(jié)所述，無論從隔水管總重還是單根外徑而言，對鉆機模塊的布局設(shè)計均會增加一定難度。

超深水半潛式平臺中隔水管布置方案通常分為三類： 水平布置、豎直布置和水平+豎直布置［9］。水平布置占用較大甲板面積，但是整體重心較低；豎直布置節(jié)省甲板面積，但重心較高；水平+豎直布置可有效平衡甲板面積與布置重心的利弊，但是處理系統(tǒng)需要兼具處理水平布置及豎直布置的隔水管，相對復(fù)雜，目前在役的鉆井平臺中，“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺具有最大作業(yè)水深3 048 m（10 000 ft）的能力，其75%隔水管垂直排放，25%水平放置。

該鉆機模塊擬采用單一的隔水管排放方式完成隔水管的存放。以3 660 m隔水管為例，分析水平和立式兩種布置方案的占用面積以及重心高度，參見表1。

表1 平放、立放隔水管所占面積和重心對比

水平布置占地面積為立式放置占地面積的1.7倍，立式放置重心高度較水平放置重心高度增加66%。結(jié)合該類型平臺船型，為了進(jìn)一步降低隔水管堆放狀態(tài)下的重心高度，可將隔水管穿艙布置放在雙層甲板上，對比直接放置在上層甲板，可將重心高度直接降低7 m。該布置方案保證了隔水管立式布置和水平布置的重心高度基本相近，但是穿艙的布置會對船體結(jié)構(gòu)設(shè)計造成一定的影響，需要提前做好船體結(jié)構(gòu)布局。

4.3 立根布置

該鉆機模塊最大鉆深15 250 m，通常情況下立根的容量要大于最大鉆深能力，由表2可知，立根總重約1 500 t。

表2 立根載荷統(tǒng)計表

在進(jìn)行鉆桿布置規(guī)劃時，需要綜合考慮到立根臺容量、立根載荷、立根重心、處理效率、操作視線、井架V大門高度等因素。鉆桿的布置位置通常有兩大類，井架內(nèi)、井架外，井架外布置方式按照立根臺設(shè)備高度的不同又可分為高位布置與低位布置。

針對該鉆機模塊立根布置需求，結(jié)合以上常見的幾種立根布置型式對比（如表3所示），統(tǒng)一以三單根一立柱模式。單根長度45 ft，立柱高度135 ft，其中“井架外低位布置”指立根穿艙立放在雙層甲板上，“井架外側(cè)高位布置”指立根布置在與鉆臺面平齊的高度，立根重心高度統(tǒng)一以鉆臺面為基準(zhǔn)零點。

表3 立根布置型式對比

因此，綜合考慮船體影響、操作視線、井架V大門、排管系統(tǒng)配置、處理效率等因素，同時由于立根布置在井口中心線兩側(cè)，所以立根質(zhì)量對船體操作工況下的可變載荷影響可忽略，因此確定采用立根布置在井架內(nèi)并且高位布置的方式。

4.4 防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)

基于高效作業(yè)的需求，該鉆機模塊設(shè)置相互獨立的防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)，以確保兩套系統(tǒng)能獨立工作，互不干擾。

第七代平臺鉆機模塊的典型特征是配套20K級別8閘板防噴器組。該鉆機模塊配套2套防噴器組主體和1套LMRP，因此防噴器組處理系統(tǒng)必須具備至少3組存儲位置。防噴器組處理系統(tǒng)配門形吊機，可實現(xiàn)防噴器組和LMRP在甲板上存儲位置的組裝，同時具備將試壓完成的防噴器組吊運至月池正上方，并下放至月池內(nèi)的防噴器組滑車上。防噴器組處理系統(tǒng)布置方案如圖2所示。

采油樹處理系統(tǒng)配套可滑移的采油樹吊機，以便能完成采油樹起吊、搬運的需求，可將堆放在主甲板上的采油樹吊運至月池正上方，并下放至月池內(nèi)的采油樹滑車，該滑車可沿月池滑移，將采油樹從月池邊緣運輸?shù)骄谥行??？紤]到進(jìn)一步擴展采油樹處理系統(tǒng)能力，在主甲板設(shè)置可X-Y雙向滑移的采油樹移運裝置，根據(jù)實際甲板空間可將采油樹存儲位置擴展至多個（如圖3所示）。

4.5 鉆臺布置

4.5.1 鉆臺空間布局

相比液缸舉升式提升系統(tǒng)，傳統(tǒng)絞車提升方案鉆臺面設(shè)備數(shù)量偏多，還需將立根布置在鉆臺面井架內(nèi)側(cè)，因此，必須合理規(guī)劃鉆臺空間布局。

設(shè)備的增多需要更大的有效鉆臺空間，但是鉆臺面積的增大勢必會影響到布置在鉆臺周圍的防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)，在確保鉆臺面垂向投影尺寸不變的情況下，采用多層布置方案，垂直方向合理擴充鉆臺面有效面積。鉆臺結(jié)構(gòu)整體采用三層布置方案（如圖4所示），第一層鉆臺面布置鐵鉆工、轉(zhuǎn)盤、液壓貓頭、電梯，同時預(yù)留較大區(qū)域的工具存儲間；第二層布置LIR及DCR；第三層布置絞車、鋼絲繩卷筒等。

表4 設(shè)備及數(shù)量對比表

4.5.2 管柱排放系統(tǒng)布置

如4.3節(jié)所述，立根在井架內(nèi)、高位布置，如圖5所示。立根臺靠近井口，柱式排管機可實現(xiàn)立柱在立根臺和井口間的快速傳輸，共配兩套柱式排管機，共用一組軌道，互為備用，增加了排管系統(tǒng)的冗余性。

5 鉆機系統(tǒng)總體布置

結(jié)合超深水半潛式鉆井平臺鉆機模塊典型特征，系統(tǒng)剖析論證提升系統(tǒng)選擇、隔水管存儲方案、立根布置、防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)布置方案、鉆臺結(jié)構(gòu)總體規(guī)劃，形成了一套第七代平臺鉆機模塊總體設(shè)計方案。鉆機模塊側(cè)視圖如圖6所示，鉆機模塊主視圖如圖7所示。

6 結(jié) 論

本文結(jié)合超深水半潛式鉆井平臺典型特征對鉆機模塊總體布局的需求，闡述了鉆機模塊總體布置設(shè)計面臨的困難，系統(tǒng)論證了提升系統(tǒng)選擇、隔水管存儲方案、立根布置方案、防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)布置方案、鉆臺結(jié)構(gòu)總體規(guī)劃，總結(jié)了鉆機模塊總體設(shè)計考慮的主要因素和設(shè)計方法，同時結(jié)合總體布局思路形成了一套鉆機模塊總體布置方案，為超深水半潛式平臺鉆機模塊的工程設(shè)計提供了參考。

鉆機模塊布局設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，本文提出了一種可行的總體布局解決方案。

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