超深水半潛式鉆井平臺雙井口作業(yè)系統(tǒng)總體設(shè)計

田 雪，趙建亭，劉海霞

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

0 引 言

目前，半潛式鉆井平臺已發(fā)展至第七代[1-2]，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：最大作業(yè)水深達3 660 m，最大鉆井深度達15 250 m，最大可變載荷約10 000 t，高壓管匯壓力等級達137.9 MPa，配備具有DP 3等級的動力定位系統(tǒng)[3]。技術(shù)指標(biāo)的提高對井口作業(yè)系統(tǒng)的配置提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在：配置雙聯(lián)井架；大鉤載荷需超過907 t；隔水管張緊能力需超過4 000 kip(1 kip=4.45 kN)；隔水管存儲長度達3 660 m，重約6 000 t；立根盒存儲能力達1 500 t；配置壓力等級為20 000 psi(1 psi=6.895 kPa)的雙重型防噴器組。

雙井口作業(yè)系統(tǒng)是超深水半潛式鉆井平臺(簡稱“平臺”)的核心系統(tǒng)，其主要載荷的確定和關(guān)鍵系統(tǒng)的配置選型對平臺功能和技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)、主尺度規(guī)劃、平臺總體性能有著重要的影響。本文探討適用于第七代半潛式鉆井平臺的井口作業(yè)系統(tǒng)配置方案，開展雙井口作業(yè)系統(tǒng)總體設(shè)計，為該類型平臺開發(fā)提供設(shè)計基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體規(guī)劃

平臺雙井口作業(yè)系統(tǒng)主要包括鉆臺模塊、補償系統(tǒng)、物料處理系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)總體設(shè)計需要考慮隔水管系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、司鉆控制系統(tǒng)等其他作業(yè)系統(tǒng)與支持模塊的匹配性，以保障超深水鉆井作業(yè)的順利實施[4]。

圖1 雙井口作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成

超深水半潛式鉆井平臺配置雙井口，雙井口均配置起升系統(tǒng)和鉆柱補償裝置，且雙井口作業(yè)能力相同，可實現(xiàn)并行作業(yè)，隔水管張緊系統(tǒng)可實現(xiàn)雙井口間的滑移，雙井口可并行作業(yè)。井架內(nèi)配置大容量的立根盒，圍繞月池配置鉆桿、套管和隔水管自動化處理系統(tǒng)，配置雙防噴器組和多采油樹處理系統(tǒng)。設(shè)備數(shù)量增加，管材、隔水管、防噴器組等可變載荷需求增加，井口間距增大，月池開口加大等都為井口作業(yè)系統(tǒng)的總體設(shè)計帶來困難。

2 系統(tǒng)方案論證

大鉤載荷、立根盒載荷等主要載荷和技術(shù)參數(shù)，井架及起升系統(tǒng)型式，隔水管存放方式，防噴器組存儲方式及處理系統(tǒng)型式等對雙井口作業(yè)系統(tǒng)的配置、月池開口、平臺主尺度和船型影響較大[5-8]。

2.1 主要載荷和技術(shù)參數(shù)論證

大鉤載荷是井架和鉆臺設(shè)計和雙井口作業(yè)系統(tǒng)設(shè)備選型的關(guān)鍵參數(shù)，由起下鉆桿、下套管、下放防噴器組等作業(yè)工況決定。

目標(biāo)鉆桿采用5-7/8英寸(1英寸=0.025 4 m)和6-5/8英寸2種規(guī)格，最大鉆深為15 250 m，鉆桿重約686 t，考慮動載系數(shù)1.2，起下鉆桿的鉤載需求約823 t。采用30英寸導(dǎo)管、20英寸表層套管、13-3/8英寸和9-5/8英寸技術(shù)套管、7英寸尾管組成的典型井筒模型，下套管載荷為下套管重量與鉆桿重量之和，約755 t，考慮動載系數(shù)1.2，下套管的鉤載需求約906 t。隔水管單根外徑為62英寸(含浮力塊)、長度為75英尺(1英尺=0.304 8 m)，3 660 m隔水管干重約5 850 t、濕重約390 t。壓力等級為20 000 psi的7閘板防噴器組干重約562 t、濕重約471 t。下放防噴器載荷為水中隔水管柱重量與防噴器組重量之和，約861 t，考慮動載系數(shù)1.2，下放防噴器的鉤載需求約1 034 t。由上述數(shù)據(jù)可知，目標(biāo)平臺大鉤載荷由下放防噴器組工況決定，最大鉤載需求為1 034 t，因此配置大鉤載荷為1 134 t(1 250 英石(1英石=6.35 kg)系列)的鉆機。

立根盒是井架內(nèi)鉆桿、鉆鋌和套管的排放區(qū)域，其容量須滿足鉆井深度的要求。鉆桿采用滿足美國石油協(xié)會(API)規(guī)范的Ⅱ類鉆桿，單根長度為31英尺，采用4單根一立柱的存放方式，立柱高度為124英尺?？紤]雙井口并行作業(yè)的需求，設(shè)計目標(biāo)平臺立根盒可存儲22 845 m鉆桿、680 m鉆鋌及2 305 m套管，管子總重量為1 479 t。根據(jù)上述要求，立根盒載荷確定為1 500 t。數(shù)據(jù)估算如表1所示。

表1 立根盒載荷需求估算

2.2 井架及起升系統(tǒng)選型論證

井架及起升系統(tǒng)是整個鉆臺模塊的核心，是決定鉆井作業(yè)效率的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。目前能夠適用于鉆井平臺的鉆機型式主要包括傳統(tǒng)鉆機、液壓鉆機、柱塔鉆機和單層卷筒絞車鉆機等。傳統(tǒng)鉆機采用桁架式井架、鉆井絞車起升方式；液壓鉆機采用桁架式井架、液壓缸起升方式；柱塔鉆機采用封閉柱式鉆塔、鉆井絞車起升方式；單層卷筒絞車鉆機采用桁架式井架、單層卷筒絞車起升方式。從作業(yè)效率、重量重心、整機功率、系統(tǒng)維護、工程造價、對井架和鉆臺設(shè)計影響等方面對上述4種型式的井架及起升系統(tǒng)進行論證，如表2所示。

表2 不同井架及起升系統(tǒng)對比分析

由表2可知：液壓鉆機和單層卷筒絞車鉆機具有起升速度快、重心低等優(yōu)點，但其功率消耗大，工程造價和維護成本較高；柱塔鉆機具有重心低、維護方便等優(yōu)點，但其整機重量大，對月池開口要求高，且無法實現(xiàn)泥漿重力返流，需額外配置泵送系統(tǒng)；傳統(tǒng)鉆機在整機功率、工程造價、操作維護等方面性能較優(yōu)，綜合考慮技術(shù)成熟性和作業(yè)可靠性，目標(biāo)平臺采用傳統(tǒng)鉆機更為穩(wěn)妥，選用桁架式雙聯(lián)井架，配置2套大鉤載荷為1 134 t的絞車起升系統(tǒng)，以實現(xiàn)雙井口并行作業(yè)，2套系統(tǒng)互為備用，提高系統(tǒng)冗余性和鉆井作業(yè)效率。

2.3 隔水管存放方式論證

隔水管本體外徑為546 mm(21.5英寸)，增加浮力材料后外徑為1 575 mm(62英寸)，單根長度為22.8 m(75英尺)，按最大作業(yè)水深為3 660.0 m計算，需配置160根。隔水管存儲方式初步考慮采用立放形式，幾種存儲方案如圖2所示。

由圖2可知：方案A每排存放6根隔水管，所需空間為56.2 m×13.36 m，對平臺橫向尺度要求較大，且存儲區(qū)域橫向不對稱；方案B每排存放7根隔水管，所需空間為48.6 m×15.2 m，存儲區(qū)域不對稱，不利于平臺穩(wěn)性和調(diào)載；方案C每排存放8根隔水管，所需空間為42.5 m×16.9 m，存儲區(qū)域橫向?qū)ΨQ，可避免在隔水管移運過程中增加平臺的橫傾，便于壓載調(diào)節(jié)，但對平臺縱向尺度要求較大；方案D艏部設(shè)置隔水管立放區(qū)域，每排存放6根隔水管，所需空間為42.5 m×13.4 m，存儲區(qū)域?qū)ΨQ，主甲板右舷艉部區(qū)域設(shè)置隔水管平放區(qū)域，每層存放7根，排放6層，所需空間為13.8 m×25.6 m。綜合對比方案A～方案D對平臺主尺度和穩(wěn)性的影響，考慮平臺主尺度的限制，確定目標(biāo)平臺隔水管存儲采用3 050.0 m(75%)立放+610.0 m(25%)平放的組合存儲方式。

圖2 隔水管存儲方案示例

2.4 防噴器組存儲方式及處理系統(tǒng)論證

防噴器組的存儲和移運方式對月池開口尺寸、區(qū)域布置影響較大。目前，鉆井平臺上防噴器組處理系統(tǒng)主要有起重機吊運和托車移運兩種型式。兩種型式的對比如表3所示。

表3 不同型式防噴器組處理系統(tǒng)對比分析

從工程應(yīng)用方面分析，目前大多數(shù)浮式鉆井裝置采用起重機吊運式防噴器組處理系統(tǒng)，技術(shù)發(fā)展成熟且系統(tǒng)配置簡單，而托車移運式防噴器組處理系統(tǒng)工程應(yīng)用較少；從作業(yè)方式方面分析，起重機吊運式防噴器組處理系統(tǒng)可滿足BOP和LMRP在存儲位置進行分體試壓和組裝后試壓的需求，而托車移運式處理系統(tǒng)避免了重型吊運作業(yè)，作業(yè)安全性高，但組裝后的防噴器組需要在月池區(qū)進行試壓，影響月池區(qū)域布置；從對月池開口影響方面分析，兩種方式對月池橫向開口需求均較大，開口須滿足臺車將防噴器組從存儲位置移運至井口的需求，而起重機吊運型式對月池主甲板縱向開口需求比托車移運型式小。綜上所述，確定目標(biāo)平臺采用起重機吊運式防噴器組處理系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)布置規(guī)劃

在系統(tǒng)方案論證的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃鉆臺、月池和主甲板堆場等區(qū)域布置，形成目標(biāo)平臺雙井口作業(yè)系統(tǒng)總體布置方案，如圖3和圖4所示。

圖3 雙井口作業(yè)系統(tǒng)總體布置方案側(cè)視圖

圖4 雙井口作業(yè)系統(tǒng)總體布置方案艉視圖

鉆臺布置在平臺中間位置，以降低平臺運動對鉆井作業(yè)的影響。鉆臺面上設(shè)置雙聯(lián)井架，配置2套大鉤載荷相同的井口作業(yè)系統(tǒng)，雙井口對稱布置，井口間距足夠大，避免井口鉆井作業(yè)相互干涉。雙聯(lián)井架大門設(shè)置在艏艉方向：艏部設(shè)置隔水管立放堆場，通過立式隔水管處理系統(tǒng)實現(xiàn)隔水管移運；艉部設(shè)置鉆桿、套管及隔水管平放堆場，通過管子折臂起重機和貓道機實現(xiàn)管子移運。左舷設(shè)置2套海底防噴器組存儲區(qū)域和處理系統(tǒng)，右舷設(shè)置多套采油樹存儲區(qū)域和處理系統(tǒng)，海底防噴器與采油樹左右兩舷雙側(cè)下放，互不干擾。

4 系統(tǒng)配置方案

開發(fā)適用于3 660 m作業(yè)水深的半潛式鉆井平臺雙井口作業(yè)系統(tǒng)配置方案，其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 目標(biāo)平臺雙井口作業(yè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

5 結(jié) 論

從主要載荷確定、井架型式和起升系統(tǒng)的選型、隔水管存放方式、防噴器組存儲方式和處理系統(tǒng)的選型等方面開展充分論證，形成雙井口作業(yè)系統(tǒng)總體設(shè)計方案，主要特點如下：配置相同大鉤載荷的雙聯(lián)井架作業(yè)系統(tǒng)，雙井口對稱布置，可并行作業(yè)，鉆井作業(yè)效率高，同時2套系統(tǒng)互為備用，配置冗余性強；甲板堆場面積大，立根盒可容納所有鉆具，管柱自動化處理作業(yè)效率高；可存放2臺海底防噴器組，井口間距大，可實現(xiàn)隔水管柱和BOP在雙井口間的停車；雙井口均設(shè)置泥漿返流系統(tǒng)，有效提高泥漿返流的冗余性。

超深水鉆井平臺作業(yè)水深、鉆井深度、大鉤載荷、可變載荷等能力的提升為鉆井作業(yè)系統(tǒng)的配置和總體布置帶來了困難。提出一種可行的鉆井作業(yè)系統(tǒng)總體解決方案，為超深水半潛式鉆井平臺工程設(shè)計提供參考。