陳 實(shí) 鄧 欣 陳田輝 李清明

（湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司 湛江524057）

自安裝式鉆機(jī)結(jié)構(gòu)模塊化技術(shù)研究

陳 實(shí) 鄧 欣 陳田輝 李清明

（湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司 湛江524057）

在大型海上浮吊資源緊張的情況下，研究、設(shè)計(jì)出一種獨(dú)特的鉆機(jī)結(jié)構(gòu)型式，使整臺(tái)鉆機(jī)僅借助于小噸位平臺(tái)吊機(jī)就能順利完成其海上自安裝的過(guò)程?；谡w吊裝的大模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)工藝流程、設(shè)備布置等原則對(duì)大模塊進(jìn)行“化整為零”式的拆分設(shè)計(jì)，拆分后的每一個(gè)模塊都要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、吊裝能力限制以及小模塊之間的連接強(qiáng)度的要求。崖城PFA鉆機(jī)就采用這種小模塊化的設(shè)計(jì)方法，規(guī)避了因浮吊資源緊張帶來(lái)的項(xiàng)目實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，順利完成了該鉆機(jī)的海上自安裝。

小模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；GAP單元；連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)；吊耳設(shè)計(jì)

引 言

崖城PFA項(xiàng)目7 000 m模塊化鉆機(jī)的自主設(shè)計(jì)及建造屬?lài)?guó)內(nèi)首次。為減少對(duì)緊缺大型海上安裝船舶的依賴(lài)，該模塊鉆機(jī)的所有海上安裝工作依靠新增的兩臺(tái)吊機(jī)完成。通過(guò)項(xiàng)目各方的共同努力，本項(xiàng)目的模塊鉆機(jī)按計(jì)劃順利地安裝在崖城13-1氣田AWA平臺(tái)上，并投入到后期的鉆井作業(yè)中。

為實(shí)現(xiàn)模塊鉆機(jī)的快速自安裝，該項(xiàng)目在總體規(guī)劃、結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)、海上運(yùn)輸及海上安裝等方面應(yīng)用和采取了大量的技術(shù)創(chuàng)新。這些技術(shù)創(chuàng)新為整個(gè)項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了保障，使整個(gè)項(xiàng)目順利完成。該項(xiàng)目的創(chuàng)新對(duì)今后模塊鉆機(jī)的發(fā)展具有指導(dǎo)意義，使鉆機(jī)模塊的安裝不依賴(lài)于大型海上安裝船舶，同時(shí)為模塊鉆機(jī)的搬遷和再利用創(chuàng)造了良好條件。

1 模塊鉆機(jī)需求背景

崖城13-1氣田位于南中國(guó)海鶯歌海盆地，距海南省三亞市約100 km。該氣田于1996年正式投產(chǎn)，早期僅有6口生產(chǎn)井。在中方接替英國(guó)石油公司（BP）在崖城13-1氣田的作業(yè)后，特成立了中海石油（中國(guó)）有限公司崖城作業(yè)公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“YOC”）對(duì)崖城13-1氣田進(jìn)行管理。香港中華電力公司是崖城13-1氣田的最大用戶(hù)，該公司在2007年初向YOC提出，要求崖城13-1氣田向其下游電廠增加供氣量，即所謂的加速提氣，但條件是YOC必須通過(guò)鉆井證實(shí)崖城13-1氣田的地質(zhì)儲(chǔ)量足以保證按雙方約定的最低供氣量連接供氣至2015年底。至2007年底，香港中華電力公司與YOC已原則上達(dá)成了加速提氣協(xié)議。

根據(jù)國(guó)際、國(guó)內(nèi)鉆井船特別緊張的實(shí)際情況，YOC決定建造一座由小模塊組裝而成的平臺(tái)鉆機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“模塊鉆機(jī)”）取代常規(guī)的鉆井船或鉆井模塊在AWA平臺(tái)進(jìn)行鉆、完井。該模塊鉆機(jī)將采用自安裝方法安裝至崖城13-1氣田AWA平臺(tái)頂層甲板上用于該平臺(tái)上4口生產(chǎn)井的鉆、完井作業(yè)和數(shù)口現(xiàn)有生產(chǎn)井的修井作業(yè)。該模塊鉆機(jī)具有7000米鉆井能力的典型平臺(tái)鉆機(jī)，設(shè)計(jì)、制造成基本自持、基本不依賴(lài)AWA平臺(tái)或崖城13-1氣田生產(chǎn)設(shè)施上的公用系統(tǒng)，則設(shè)計(jì)、制造成由較多模塊組裝而成的鉆機(jī)模塊。

2 崖城PFA模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

崖城PFA模塊鉆機(jī)安裝在崖城13-1氣田AWA井口平臺(tái)頂層甲板上，依據(jù)鉆井工藝流程、設(shè)備布置方案、海上運(yùn)輸?shù)耐庑统叽缗c吊裝能力限制等原則,自西向東，分別布置動(dòng)力模塊、散料儲(chǔ)存橇、鉆井設(shè)備模塊、鉆井支持模塊為主的大小共136個(gè)分模塊［1］（圖1）。

動(dòng)力模塊主要包括發(fā)電機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、柴油罐、鉆井水罐、空壓機(jī)橇、VFD房以及配電室等，保障作業(yè)期間的電力供應(yīng)。

鉆井設(shè)備模塊主要包括滑動(dòng)基座、固控設(shè)備、泥漿儲(chǔ)存池、鉆臺(tái)和井架等?；瑒?dòng)基座由平臺(tái)上甲板的兩條滑軌支撐，使整個(gè)鉆井設(shè)備模塊能作南北方向移動(dòng)。鉆臺(tái)和井架由滑動(dòng)基座支撐，使其能在滑動(dòng)基座上作東西方向移動(dòng)。這樣鉆機(jī)就能覆蓋南北向的5排和東西向的3排，共計(jì)15口井。

鉆井支持模塊主要包括高壓泥漿泵、泥漿儲(chǔ)存、混合及相關(guān)系統(tǒng)、管子堆場(chǎng)等，它與鉆井設(shè)備模塊之間采用拖鏈連接，為管線(xiàn)、電纜提供通道。新增的兩臺(tái)吊機(jī)的最終位置也位于該模塊。

散料儲(chǔ)存罐為鉆井過(guò)程提供重晶石粉、膨潤(rùn)土粉和水泥灰。

圖1 崖城PFA模塊鉆機(jī)總體布置方案

3 小模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于國(guó)內(nèi)海洋工程界尚無(wú)此先例，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者們立足于經(jīng)典的力學(xué)理論，開(kāi)拓思維、自主創(chuàng)新，高質(zhì)量地完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，并創(chuàng)造了架空設(shè)計(jì)、GAP單元虛擬連接技術(shù)、剛性連接設(shè)計(jì)等關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，保證了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

3.1 模塊間的連接模擬［2］

崖城PFA模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與常規(guī)的海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)不同，崖城PFA模塊鉆機(jī)由數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)小模塊堆疊而成，模塊之間用銷(xiāo)軸連接。要應(yīng)用海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SACS來(lái)計(jì)算，每個(gè)模塊之間要模擬成鉸接，需在模塊之間建立虛擬桿件，釋放其端頭彎矩，使這些虛擬桿件只傳遞模塊之間的力，而不傳遞彎矩，這樣才符合銷(xiāo)軸連接的實(shí)際情況。

如果垂直疊放的兩個(gè)模塊之間沒(méi)有焊接，僅采用螺栓或銷(xiāo)軸連接，那么要在適當(dāng)?shù)奈恢媒⑻摂M傳力桿，一般設(shè)置在立柱和主梁端點(diǎn)之間。如果該位置沒(méi)有真實(shí)的銷(xiāo)軸存在，則該位置的虛擬構(gòu)件應(yīng)模擬成只承受壓力的GAP單元（見(jiàn)圖2）。

圖2 結(jié)構(gòu)GAP單元原理圖

采用單元荷載與荷載因子的相互聯(lián)系來(lái)假定非線(xiàn)性GAP單元。對(duì)于任何一個(gè)輸出工況，GAP單元中的總力可分為初始單元力以及單元之間的荷載/荷載因子的相互關(guān)系，如式（1）所示：

假設(shè)GAP單元中的總力為0，以抵消子單元之間的相互作用。因此，對(duì)于單個(gè)子單元有：

上式以矩陣形式表示為：

即：｛P｝=-［A］-1｛Fo｝

采用GAP單元來(lái)模擬疊放結(jié)構(gòu)之間的傳力，能較準(zhǔn)確地模擬模塊鉆機(jī)的整體結(jié)構(gòu)受力情況。

3.2 框架式吊機(jī)底座的設(shè)計(jì)［3］

普通的海洋平臺(tái)吊機(jī)通常采用立柱式底座，與平臺(tái)一起整體建造。由于本項(xiàng)目需要添加兩臺(tái)分塊式吊機(jī)，以滿(mǎn)足海上安裝的吊重限制，又因?yàn)榘惭b順序的需要，因此，吊機(jī)在臨時(shí)位置采用了兩條高2 m的組合梁作為支撐底座，而在永久位置采用兩條高2.2 m的組合梁作為支撐底座。吊機(jī)的上下底座均采用框架式底座的設(shè)計(jì)。

采用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)吊機(jī)各方向操作荷載與風(fēng)力荷載進(jìn)行分析，確保吊機(jī)框架式底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。底座模塊與平臺(tái)頂層甲板采用M42高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)，螺栓的強(qiáng)度滿(mǎn)足其設(shè)計(jì)軸向荷載的要求。該設(shè)計(jì)可有效提高底座的強(qiáng)度和剛度，最大限度解決吊機(jī)底座在較大集中荷載作用下的強(qiáng)度和吊機(jī)頂部的水平位移問(wèn)題。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，使用拼接組合梁，以達(dá)到合理利用材料、減重的目的；同時(shí)通過(guò)大量的整體與局部計(jì)算，以保障吊機(jī)操作的結(jié)構(gòu)安全性。

圖3 框架式吊機(jī)底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.3 模塊剛性連接設(shè)計(jì)［4］

為方便海上安裝，崖城PFA模塊鉆機(jī)各分塊結(jié)構(gòu)之間采用高強(qiáng)度螺栓或銷(xiāo)軸的連接，并確保這些連接構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度，以維持整個(gè)模塊的剛度與結(jié)構(gòu)可靠性。

3.3.1 鉆井水罐模塊剛性連接設(shè)計(jì)

由于崖城原AWA平臺(tái)頂層甲板西側(cè)是整片鋪板，并由小梁搭接在主梁上來(lái)支撐，為使該處動(dòng)力模塊的荷載都合理傳遞至平臺(tái)大梁，因此，采用了剛度較大的型高2 m的工字梁作為動(dòng)力模塊的底座。利用其剛度較大且不易變形的特點(diǎn)，使荷載傳遞到平臺(tái)主梁而不易造成小梁彎曲破壞。此外，該型高2 m的工字梁也作鉆井水罐的罐壁，使模塊布置更加緊湊、合理。

南北各有一個(gè)鉆井水罐，之間的大梁采用螺栓剛性連接，從而保證型高2 m的工字梁剛度的連續(xù)性。同時(shí)兩個(gè)水罐直接放置在平臺(tái)甲板上，最大限度減少平臺(tái)改造的工作。鉆井水罐間的連接如圖4所示。

3.3.2 轉(zhuǎn)盤(pán)模塊銷(xiāo)軸連接設(shè)計(jì)

鉆臺(tái)的轉(zhuǎn)盤(pán)分模塊是直接承受鉆井荷載的結(jié)構(gòu)，它與鉆臺(tái)基座模塊之間采用銷(xiāo)軸連接，如圖5所示。銷(xiāo)軸連接虛擬桿件的受力情況見(jiàn)表1。

圖4 鉆井水罐剛性連接設(shè)計(jì)圖

圖5 轉(zhuǎn)盤(pán)模塊銷(xiāo)軸連接設(shè)計(jì)圖

表1 銷(xiāo)軸連接虛擬桿件極端受力情況

銷(xiāo)軸直徑100 mm，材料 42 CrMo、σs≥930 MPa、σb≥ 1 080 MPa，簡(jiǎn)要計(jì)算過(guò)程如下：

● 步驟1

銷(xiāo)軸截面面積Ap=πR2=3.14×52=78.5 cm2承受的剪應(yīng)力

規(guī)范容許的剪應(yīng)力

Fp=2×0.4σsAp=2×0.4×93×78.5=5 480 kN

因 fp＜Fp，故滿(mǎn)足規(guī)范要求。

● 步驟2

連接鋼板強(qiáng)度校核：

剪應(yīng)力校核：fh1= fh2= fp=1 326 kN

彎曲應(yīng)力校核：ph1= ph2= fp=1 326 kN

雙連接板側(cè)容許剪應(yīng)力：雙連接板側(cè)容許彎曲應(yīng)力：

Ph1=2×0.9σsAp1=2×0.9×35.5×10×5=3 195 kN

因fh1＜Fh1，ph1＜Ph1，故滿(mǎn)足規(guī)范要求。

● 步驟3

單連接板側(cè)容許剪應(yīng)力：

單連接板側(cè)容許彎曲應(yīng)力：

因fh2＜Fh2，ph2＜Ph2，故滿(mǎn)足規(guī)范要求。

● 步驟4

連接板截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求：

面積A=693 cm2

平面內(nèi)抗彎慣性矩Iyy=1 109 375 cm4

平面外抗彎慣性矩Izz=1 444 cm4

軸向壓應(yīng)力：

fa=511.4 / 693=0.74 kN/cm2

fa/0.6Fy+fby/0.66Fy=1.21/21.3 +0.74/23.43 = 0.53＜1.0，故組合應(yīng)力校核滿(mǎn)足規(guī)范要求。

剪應(yīng)力校核：

V=sqrt(Fy2+Fz2)=237.08 kN

τ=237.08/67.50=3.51 kN/cm2＜0.4×35.5 =14.2 kN/cm2，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.4 鉆井支持模塊的架空設(shè)計(jì)

鉆井支持模塊下方與原平臺(tái)的連接采用架空設(shè)計(jì)，模塊下方兩條高2.2 m的大梁和兩條高2 m的大梁通過(guò)支墩連接到原平臺(tái)的大梁上。使整個(gè)模塊的受力合理傳遞到大梁上，保證了平臺(tái)東側(cè)的小梁安全及整體結(jié)構(gòu)安全。

圖6 鉆井支持模塊架空設(shè)計(jì)方案

鉆井支撐模塊上的設(shè)備荷載、堆管場(chǎng)荷載等等，均簡(jiǎn)化為點(diǎn)荷載或均布荷載施加在大梁上，并校核大梁端部截面在拉彎或壓彎狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變情況。并保證大梁的截面強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范AISC所規(guī)定的抵抗翼緣失穩(wěn)、腹板失穩(wěn)、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)等各種校核條件。

對(duì)于原平臺(tái)甲板大梁的理論計(jì)算，同樣采用簡(jiǎn)支梁來(lái)模擬，在組塊立柱的位置設(shè)置絞支座，假設(shè)甲板小梁承受了部分彎矩，根據(jù)鉆井支撐模塊實(shí)際產(chǎn)生的荷載進(jìn)行組塊大梁的校核。

3.5 小模塊吊耳設(shè)計(jì)［5-6］

除了保證大梁與立柱的結(jié)構(gòu)安全之外，還存在許多精心的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。由于每個(gè)模塊都必須在海上完成吊裝作業(yè)，模塊吊耳的設(shè)計(jì)尤為重要。由于每個(gè)模塊的重心位置不一，使吊耳主板方向不能平行于吊繩。另外，模塊之間的銷(xiāo)軸的存在，以及模塊上表面無(wú)法安置吊耳這個(gè)限制條件，給吊耳的合理布置造成一定難度。經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，較重模塊（＞30 t）的吊耳都布置在模塊的外側(cè)，在其內(nèi)側(cè)特別設(shè)計(jì)了承力梁來(lái)抵御吊裝時(shí)產(chǎn)生的扭矩。在吊耳布置受限的狹小空間特別設(shè)置了活動(dòng)蓋板，方便吊裝時(shí)卸扣的拆裝。

同時(shí)，為了保證吊裝的平穩(wěn)，對(duì)各模塊的重心進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)，結(jié)合各模塊上的吊耳位置確定4根吊繩每一根的長(zhǎng)度。通過(guò)精確控制和計(jì)算，最終保證了吊裝的安全順利進(jìn)行。

4 結(jié) 論

崖城PFA自安裝式模塊鉆機(jī)的成功實(shí)踐，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)不依靠海上大型安裝船舶成功實(shí)現(xiàn)海上安裝的模塊鉆機(jī)項(xiàng)目。本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新是項(xiàng)目成功的保障，也是貫穿整個(gè)項(xiàng)目的思路。

本項(xiàng)目創(chuàng)造性完成國(guó)內(nèi)第一次小模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并成功通過(guò)勞氏船級(jí)社的第三方審查，也取得了一系列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果與技術(shù)創(chuàng)新；在成為海洋工程界典范的同時(shí)，也為小模塊鉆機(jī)的健康發(fā)展鋪平道路。

［1］《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007．

［2］ ENGINEERING DYNAMIC INC. SACS Manual［M］. USA［s.n.］, 2002．

［3］ API SPEC 2C 6th edition. Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes ［S］. American Petroleum Institute, 2004.

［4］ API RP 2A 21st edition. Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress design ［S］. American Petroleum Institute, 2005.

［5］ Manual of STEEL CONSTRUCTION Allowable Stress Design ［S］. American Institute of Steel Construction, 1989.

［6］ 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2005．

Research of structural modular design for self-installed drilling rig

CHEN Shi DENG Xin CHEN Tian-hui LI Qing-ming
(NHWOC Zhanjiang Survey and Design Co., Ltd., Zhanjiang 524057, China)

Owing to a lack of floating crane resource, a special structural configuration of drilling rigs has been researched and designed to complete the successful self-installation of the whole drilling rig with platform crane of small tonnage. Based on the structural configuration of the modular drilling rig which can be lifted entirely, the whole modular is decomposed into parts according to the principle of process flow, equipment layout, etc. Each part should meet the structural strength requirement, limitation of lifting capacity and connecting the strength among small modular. YOC PFA drilling rig adopts this small modular design method to avoid the risk of project execution due to a lack of floating crane resource, and is successfully self-installed on the sea.

small modular structural design; GAP element; connector strength design; lifting padeye design

TE922

A

1001-9855（2014）02-0039-06

2013-06-27；

2013-08-06

陳 實(shí)（1982-），男，工程師，從事海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與評(píng)估。鄧 欣（1975-），男，高級(jí)工程師，從事海洋工程設(shè)計(jì)與評(píng)估。陳田輝（1980-），男，工程師，從事海洋工程設(shè)計(jì)與評(píng)估。李清明（1983-），男，工程師，從事海洋工程設(shè)計(jì)與評(píng)估。