深水半潛式鉆井平臺(tái)BOP/采油樹處理系統(tǒng)研究

王愛民，白蘭昌，嚴(yán)金林，唐 文，范 松，付 俊，鄧 榮

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

BOP/采油樹處理系統(tǒng)是深水及超深水半潛式鉆井平臺(tái)的主要配套設(shè)備之一，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、起升、平移BOP(防噴器)及采油樹等大型水下器具。目前，BOP/采油樹處理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與制造技術(shù)掌握在少數(shù)幾個(gè)國(guó)外相關(guān)公司手中，例如NOV、MH、TSC、Cameron等，他們的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)豐富，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，技術(shù)革新不斷，占世界90%以上市場(chǎng)。因?yàn)槠脚_(tái)總體布局的多樣性，系統(tǒng)的配套形式及單元設(shè)備結(jié)構(gòu)各異。

國(guó)內(nèi)在這方面發(fā)展速度緩慢，處于研發(fā)起步階段，僅有四川宏華自主設(shè)計(jì)制造的BOP/采油樹處理系統(tǒng)應(yīng)用在Tiger鉆井船上[1]，還沒有可用于半潛式平臺(tái)上的產(chǎn)品。本著提高我國(guó)在石油鉆井裝備的競(jìng)爭(zhēng)能力和配套能力，縮短與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家海洋鉆井技術(shù)差距的目的，筆者對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)BOP/采油樹處理系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)研究，以期完成制造，并應(yīng)用于平臺(tái)，提高國(guó)產(chǎn)石油裝備的整體實(shí)力。

1 系統(tǒng)配套形式及優(yōu)缺點(diǎn)

BOP/采油樹處理系統(tǒng)主要根據(jù)BOP與采油樹的組裝、拆卸、檢修、吊運(yùn)以及鉆井工藝的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配套，目前普遍采用的配套形式主要有兩側(cè)下放與同側(cè)下放2種。采用兩側(cè)下放時(shí)，BOP和采油樹分置于月池兩側(cè)，需要在月池的兩側(cè)布置不同的設(shè)備，分別處理BOP和采油樹；采用同側(cè)下放時(shí)，BOP和采油樹布置在月池的同一側(cè)，共用同一套設(shè)備來(lái)完成吊運(yùn)、下放等作業(yè)[2-4]。

表1給出了2種下放形式的優(yōu)、缺點(diǎn)。對(duì)于平臺(tái)的探井作業(yè)，只在一個(gè)區(qū)域鉆一口井，采油樹只需要下放一次，下放BOP組和采油樹作業(yè)時(shí)間沒有沖突，采用同側(cè)下放不僅設(shè)備和空間使用率相對(duì)較高，效率影響也較?。坏珜?duì)于鉆井，采油樹作業(yè)次數(shù)多，兩側(cè)下放的效率優(yōu)勢(shì)就比較突出，作業(yè)水域越深，鉆井的效率優(yōu)勢(shì)就越明顯。另一方面，兩側(cè)下放要求月池的長(zhǎng)度超出鉆臺(tái)兩側(cè)各8 m左右，占用平臺(tái)面積較大，而在平臺(tái)總體布局設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常由于隔水管的存儲(chǔ)，鉆桿、鉆鋌、套管等管子堆放占用較多的面積，無(wú)法滿足兩側(cè)下放的空間要求[5]。

表1 兩種下放形式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

由于目標(biāo)平臺(tái)使用雙聯(lián)井架作業(yè)工藝，設(shè)有兩套鉆井系統(tǒng)，鉆臺(tái)和月池的設(shè)計(jì)尺寸以及甲板面的作業(yè)面積可滿足兩側(cè)下放的空間要求。因此選取兩側(cè)下放的配套形式(如圖1)，在提高平臺(tái)的鉆井作業(yè)效率的同時(shí)，還能保證平臺(tái)的先進(jìn)性。

圖1 目標(biāo)平臺(tái)布局示意

2 系統(tǒng)設(shè)備組成及工藝流程

結(jié)合雙聯(lián)井架的主、輔起升系統(tǒng)布置及作業(yè)工藝，一套起升系統(tǒng)用于載荷相對(duì)較小的正常鉆井的起下鉆，另一套起升系統(tǒng)用于速度相對(duì)較慢的起升和下放隔水管、BOP。采油樹經(jīng)由輔起升系統(tǒng)通過(guò)鉆桿下放，BOP經(jīng)由主起升系統(tǒng)通過(guò)隔水管下放。因此，將采油樹處理系統(tǒng)與BOP處理系統(tǒng)分別布置在平臺(tái)的左、右舷。

采油樹處理系統(tǒng)主要包括采油樹吊機(jī)、采油樹臺(tái)車、采油樹滑橇等，如圖2。整套系統(tǒng)可對(duì)采油樹進(jìn)行提升/下放、X/Y平移以及存儲(chǔ)等作業(yè)，覆蓋范圍廣、空間布置靈活可變。其作業(yè)工藝流程為：采油樹(多個(gè))存放在平臺(tái)甲板的采油樹滑橇之上，滑橇可以沿導(dǎo)軌滑移，將采油樹運(yùn)送至采油樹吊機(jī)的正下方，采油樹吊機(jī)將采油樹起吊，沿導(dǎo)軌平移向臺(tái)車正上方，下放采油樹至臺(tái)車上；臺(tái)車沿著月池兩側(cè)的軌道將采油樹輸送至井口位置[6]。回收采油樹的作業(yè)流程相反。

BOP/采油樹處理系統(tǒng)主要包括BOP吊機(jī)、BOP臺(tái)車、基座、導(dǎo)向支架等，如圖3。整套系統(tǒng)可對(duì)BOP組進(jìn)行提升/下放、X/Y平移以及拆裝、存儲(chǔ)、試壓等作業(yè)。其作業(yè)工藝流程為：首先，在存儲(chǔ)區(qū)布置了3個(gè)基座，用來(lái)存放BOP組，以及BOP組拆卸后的LMRP或BOP Stack；其次，BOP吊機(jī)平移至BOP組正上方并起吊，沿導(dǎo)軌平移到臺(tái)車正上方，下放BOP至臺(tái)車上；導(dǎo)向支架設(shè)置在BOP吊機(jī)的一側(cè)支腿上，用來(lái)約束BOP組，防止其晃動(dòng)；最后，臺(tái)車沿著月池兩側(cè)的軌道將BOP組輸送至主井口位置，連接隔水管下放。以相反工藝流程便可以回收BOP組。

1—采油樹吊機(jī)；2—采油樹滑橇；3—采油樹臺(tái)車。圖2 采油樹處理系統(tǒng)

1—BOP吊機(jī)；2—導(dǎo)向支架；3—基座；4—BOP臺(tái)車。

3 單元設(shè)備特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)

兩套處理系統(tǒng)的布置緊緊圍繞鉆臺(tái)面、月池及BOP組/采油樹來(lái)開展。鉆臺(tái)面、月池尺寸及BOP組/采油樹的外形尺寸決定了各單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)如表2。

表2 主要單元設(shè)備結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.2.1 主體結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)

區(qū)別于陸地及固定式平臺(tái)，半潛式平臺(tái)在海浪的作用下存在橫、縱向振蕩及周期性的上下升沉運(yùn)動(dòng)，設(shè)備在作業(yè)時(shí)存在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力；除此之外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)還需考慮船體的傾斜及風(fēng)力作用等不利條件下產(chǎn)生的附加載荷。并且要全面分析設(shè)備在平臺(tái)正常作業(yè)、航行及風(fēng)暴自存等不同工況下的載荷情況，最終還要驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性[8-11]。例如，對(duì)于BOP吊機(jī)在正常作業(yè)工況時(shí)的受力情況，通過(guò)有限元仿真，施加各種載荷進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度校核，如圖4。

圖4 BOP吊機(jī)強(qiáng)度及剛度校核云圖

3.2.2 行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

軌道式單元設(shè)備(BOP/采油樹吊機(jī)、BOP/采油樹臺(tái)車)的行走作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，齒輪齒條副傳動(dòng)，滾輪沿導(dǎo)軌行走。齒輪齒條副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的加工、安裝精度要求較高，如果齒輪齒條在嚙合過(guò)程中存在傳動(dòng)間隙，則會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)、沖擊、噪聲，并產(chǎn)生動(dòng)載荷；傳動(dòng)齒的磨損也會(huì)加快。BOP、采油樹吊機(jī)的行程都超過(guò)了15 m，齒條的安裝精度很難得到保證。因此，在本設(shè)計(jì)中采用了鉸接式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖5所示。行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)主體之間采用銷軸鉸接，在固定齒條時(shí)，使齒條分度線通過(guò)銷軸中心線，這樣可確保嚙合切向力完全轉(zhuǎn)換成設(shè)備運(yùn)動(dòng)方向上的驅(qū)動(dòng)力。并在減速器殼體上伸出一個(gè)導(dǎo)向輪沿齒條背面行走[12-13]。

鉸接式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1) 裝配自由度較大，拆卸方便，易于維護(hù)。

2) 齒間距的調(diào)整可依靠調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3) 有效減小了齒條的橫向承載力。

4) 降低了齒條的安裝精度。

1—減速器；2—銷筒；3—導(dǎo)向輪；4—齒條；5—齒輪；6—?dú)んw。

3.2.3 電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BOP/采油樹吊機(jī)的行走、起升/下放，導(dǎo)向支架的夾持、行走等執(zhí)行動(dòng)作均采用液壓驅(qū)動(dòng)及電液控制。選用負(fù)載敏感多路閥對(duì)各個(gè)執(zhí)行元件進(jìn)行控制；電控系統(tǒng)采用電液復(fù)合專用核心控制器，成本較低，抗振動(dòng)、沖擊、電磁干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。操作面板采用遠(yuǎn)程無(wú)線通訊遙控技術(shù)，通過(guò)操作面板上的按鈕和操縱桿控制設(shè)備所有的功能，并在各執(zhí)行動(dòng)作之間設(shè)計(jì)了聯(lián)動(dòng)、互鎖等保護(hù)機(jī)制[14]。操作方便、靈活，安全可靠。

3.2.4 滾輪的選取

BOP/采油樹吊機(jī)、BOP/采油樹臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有沿導(dǎo)軌行走的滾輪，其中滾輪的選用已經(jīng)在工程領(lǐng)域有豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的HILMAN滾輪小車，如圖6。作為履帶式承載滾輪，HILMAN滾輪小車依靠一排承載滾輪沿導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)，很好地實(shí)現(xiàn)了與導(dǎo)軌之間的面接觸，而且可以在導(dǎo)軌兩側(cè)面增設(shè)導(dǎo)向輪，以防設(shè)備偏斜運(yùn)行。該滾輪小車可靠性較高，使用壽命較長(zhǎng)；承載能力大[15](最大可達(dá)10 000 kN)，與導(dǎo)軌之間基本實(shí)現(xiàn)零摩擦，起動(dòng)摩擦因數(shù)低至0.05，但是要求運(yùn)行速度很慢。

圖6 HILMAN滾輪小車

3.2.5 拖鏈的選取

往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軌道行走設(shè)備一般都會(huì)使用拖鏈來(lái)束縛、保護(hù)隨之運(yùn)動(dòng)的液壓膠管或電纜。拖鏈的選型要嚴(yán)格依據(jù)管線的數(shù)量和規(guī)格選定，其最小彎曲半徑不得小于最大管徑的彎曲半徑；當(dāng)拖鏈內(nèi)的管線管徑差異較大時(shí)，必須安裝分隔片，且布置時(shí)盡量避免重疊鋪設(shè)。此外，管線必須固定得當(dāng)，避免設(shè)備帶動(dòng)管線行走時(shí)拉斷或嚴(yán)重?cái)D壓管線。必要時(shí)，在拖鏈的行走軌跡上布置導(dǎo)向槽，起到保護(hù)拖鏈及內(nèi)部管線的作用。

4 結(jié)論

1) 結(jié)合雙聯(lián)井架的主、輔起升系統(tǒng)布置及作業(yè)工藝，確定BOP/采油樹處理系統(tǒng)采用分布鉆臺(tái)兩側(cè)的布置形式。用主、輔起升系統(tǒng)分別下放BOP與采油樹，可大幅提高平臺(tái)的作業(yè)效率。利于平臺(tái)后期升級(jí)擴(kuò)展，保證平臺(tái)的優(yōu)越性、先進(jìn)性。確立了BOP/采油樹處理系統(tǒng)的作業(yè)工藝流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)BOP/采油樹的提升/下放、X/Y平移以及拆裝、存儲(chǔ)等操作。

2) 圍繞鉆臺(tái)面、月池及BOP組/采油樹來(lái)開展單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)載荷應(yīng)考慮平臺(tái)在不同工況下、各種不利因素下的載荷組合，關(guān)系到平臺(tái)的總體布局尺寸及平臺(tái)承受的可變載荷；吊機(jī)、臺(tái)車等單元設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化。

3) 主要單元設(shè)備的行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)主體之間采用銷軸鉸接，具有拆卸方便，易于維護(hù)的特點(diǎn)，并有效降低了齒條的安裝精度，減小了齒條的橫向承載力。兩套吊機(jī)的控制系統(tǒng)采用電液控制，在各動(dòng)作之間設(shè)計(jì)了聯(lián)動(dòng)、互鎖等電、液雙重保護(hù)機(jī)制，保證操作的安全可靠性。