師　濤，趙世剛，張　鑫，龐世強，石寧可

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)①

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自升式鉆井平臺懸臂梁的發(fā)展研究

師濤，趙世剛，張鑫，龐世強，石寧可

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)①

摘要：懸臂梁是自升式鉆井平臺連接鉆機結(jié)構(gòu)件和平臺的關(guān)鍵設(shè)備。介紹了國內(nèi)外知名自升式平臺設(shè)計公司，對比了這些公司的懸臂梁的主要性能參數(shù)。介紹了國內(nèi)研究機構(gòu)關(guān)于懸臂梁移動方式的專利技術(shù)。對比研究了3種懸臂梁的布局方式，認為懸臂梁需要根據(jù)鉆井需求合理布局，確保主梁受力均勻。針對國內(nèi)自升式平臺發(fā)展現(xiàn)狀，建議國內(nèi)企業(yè)應抓住機遇，研發(fā)適應市場需求的新產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：自升式鉆井平臺；懸臂梁；鉆井能力

自1954年世界上第1座自升式鉆井平臺問世，至今已有60多a的歷史。隨著技術(shù)的不斷進步，平臺結(jié)構(gòu)不斷改進，整體性能更加穩(wěn)定。當今主流的形式是三樁腿桁架式懸臂梁結(jié)構(gòu)，平臺類型為修正的等腰三角形[1-2]。

懸臂梁在自升式平臺上的應用，大幅增加了平臺的可用空間、作業(yè)范圍和作業(yè)能力，懸臂梁最大外伸距離36.5 m，橫移距離25 m，最大作業(yè)水深達到175 m。

懸臂梁作為平臺的關(guān)鍵設(shè)備，其移動形式主要有常規(guī)型、X-Y型、旋轉(zhuǎn)型和增強改進型；滑移驅(qū)動方式主要有棘爪滑移，銷軸推移和齒輪齒條滑移。由于常規(guī)型和X-Y型移動型式，以及銷軸推移方式結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)相對成熟，在現(xiàn)有的自升式平臺上應用比較廣泛[3]。

1國外設(shè)計公司

世界知名的自升式鉆井平臺設(shè)計公司有：

1)美國的LeTourneau Offshore Drilling Rigs。從1955年到2015年，半個多世紀時間內(nèi)，建造了近290臺自升式鉆井平臺，適應水深為13.7～167.6 m(45～550 ft)，最大鉆井深度12 192 m(40 000 ft)[4]。

2)美國Friede Goldman United 。簡稱F&G，主要從事海洋工程平臺設(shè)計和平臺配套設(shè)備設(shè)計和制造業(yè)務，擁有超過60多a海洋工程平臺設(shè)計經(jīng)驗。2010-08，中交股份完成了對F&G的100%的股權(quán)收購。F&G設(shè)計的典型自升式鉆井平臺主要有JU-2000A、JU2000E、JU-3000、MOD Ⅱ、SUPER M2、UNIVERSAL M CLASS等[5]。

3)荷蘭Gusto MSC。該公司在自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺和船舶類領(lǐng)域有著專業(yè)的設(shè)計，擁有80 a的大型海洋鉆井平臺的設(shè)計和建造歷史。其中最著名的產(chǎn)品有自升式平臺的懸臂梁X-Y滑移系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和鎖緊裝置。公司研發(fā)了一系列CJ型自升式鉆井平臺，主要有CJ43、CJ46、CJ50、CJ54、CJ62、CJ70、CJ80等平臺，平臺的懸臂梁均采用X-Y滑移形式[6-7]。

4)新加坡吉寶遠東公司。設(shè)計的自升式平臺主要包括KFELS A Class Design，KFELS B Class Design，KFELS C Class Design，KFELS G Class Design，KFELS N Class Design等。最新設(shè)計的平臺是KFELS N Plus，將適用于北海和東中國海水域，雖然平臺的自動化程度不高，但是具有更大的鉆井能力，堪比MSC公司的CJ70型平臺[8]。

各大公司設(shè)計的平臺都有其自身的特點，表1列舉了各公司鉆井平臺相關(guān)參數(shù)。由表中數(shù)據(jù)可知，荷蘭Gusto MSC公司擁有世界上鉆井深度最深(12 192 m)、工作水深最大(175 m)，鉆井范圍最廣(36.5 m×12.5 m)的自升式鉆井平臺，主要原因是懸臂梁采用了X-Y移動形式。常規(guī)型移動方式，由于懸臂梁單側(cè)主梁承受載荷較大，移動范圍受到了限制，但平臺結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。

表1　國外自升式鉆井平臺相關(guān)參數(shù)

表1(續(xù))

注：表格空白處為“無準確信息”。

2國內(nèi)設(shè)計公司

國內(nèi)能夠自主設(shè)計鉆井平臺的公司主要有：

1)大連船舶重工集團海洋工程有限公司。于2011年自主研發(fā)設(shè)計了DSJ300型自升式平臺，近期并沒有新的自升式平臺推出。

2)遼河陸海石油裝備研究院有限公司。是國內(nèi)領(lǐng)先的海工裝備設(shè)計和制造企業(yè)，自主研發(fā)設(shè)計了CP系列自升式鉆井平臺，主要包括CP-300、CP-350、CP-375、CP-400、CP460等。

3)中交股份旗下美國F&G公司。該公司提供平臺基礎(chǔ)設(shè)計，振華重工完成詳細設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計，主要有“振海一號”，適應水深91.44 m，鉆井深度9 000 m；“振海二號”適應水深122 m，最大鉆井深度10 668 m。

4)宏華集團。研發(fā)設(shè)計了HHJ1三樁腿自升式鉆井平臺，作業(yè)水深122 m，懸臂梁最大外伸距離22.86 m。

在國內(nèi)石油鉆采裝備行業(yè)領(lǐng)先的公司都致力于自升式鉆井平臺用鉆井包的研發(fā)，宏華集團開發(fā)了HZJ90DBS鉆井包，鉆井深度9 000 m，最大鉤載6 800 kN。寶雞石油機械制造有限公司研發(fā)了9 000 m海洋平臺用鉆井包，有7套用于自升式平臺。南陽二機石油裝備有限公司自主研制了國內(nèi)首套自升式9 000 m海洋模塊鉆機井架及提升系統(tǒng)[9]。

國內(nèi)自主研發(fā)的自升式鉆井平臺相關(guān)參數(shù)對比如表2所示。將表1和表2中參數(shù)對比顯示，國內(nèi)研發(fā)的自升式平臺最大作業(yè)水深為140 m，最大鉆井深度為10 668 m，懸臂梁為常規(guī)移動方式，縱橫移動范圍為24.4 m×6.1 m，與國外先進的自升式平臺還具有一定差距。

表2　國內(nèi)自主研發(fā)自升式鉆井平臺相關(guān)參數(shù)

3國內(nèi)的專利技術(shù)

鑒于懸臂梁式自升式鉆井平臺的優(yōu)勢，國內(nèi)高校和企業(yè)都在進行研發(fā)，并形成了一些專利技術(shù)。

1)大連理工大學。研究設(shè)計了“石油鉆井平臺鉆塔移動裝置”，如圖1所示，該裝置采用4個支撐托架，托架下滑道與主甲板固定連接，并設(shè)置有棘爪移動槽孔，與托架橫向滑槽配合，用于鉆塔的橫向移動；托架上滑道位于懸臂梁的下部，同樣設(shè)置有槽孔，與托架縱向滑槽配合，用于鉆塔的縱向移動，如圖2～3所示。橫向和縱向移動都采用棘爪推移方式，定位準確，而且懸臂梁在移動過程中兩主梁受力均勻，提高了鉆井能力[10]。

圖1　鉆塔移動裝置

圖2　A向視圖

圖3　B向視圖

2)中國船舶工業(yè)集團公司第七〇八研究所。設(shè)計了“自升式鉆井平臺懸臂梁縱橫移動裝置”，如圖4所示。該裝置采用齒輪齒條移動方式，平臺主甲板上設(shè)置橫向齒條，懸臂梁上設(shè)置縱向齒條，縱橫移動機構(gòu)、齒條鎖緊器和移動滑槽都固定在基座上。橫向移動機構(gòu)由電機、減速器和齒輪構(gòu)成，工作時，電機經(jīng)減速器減速后通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動懸臂梁橫向移動。縱移驅(qū)動機構(gòu)，由支架、電機、減速器、齒輪和反轉(zhuǎn)輪構(gòu)成，如圖5所示，電機經(jīng)減速器減速后通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動懸臂梁縱向移動，反轉(zhuǎn)輪用于抵消齒輪齒條嚙合產(chǎn)生的徑向載荷?；显O(shè)置的縱橫移動鎖緊器，采用了自升式平臺齒輪齒條式升降裝置中的鎖緊結(jié)構(gòu)，由電動推桿推動楔塊與齒條嚙合實現(xiàn)鎖緊；基座焊接固定有縱橫移動滑槽，工作時，橫向滑槽向下勾住甲板軌道，縱向滑槽向上勾住懸臂梁軌道[11]。

圖4　懸臂梁縱橫移動裝置

圖5　A-A視圖

3)四川宏華集團。研究設(shè)計了“一種自升式鉆井平臺懸臂梁滑移裝置”，如圖6所示，該裝置包括減速器、動力源、制動器、滑移裝置、支座、驅(qū)動齒輪和滾輪組件。滑移裝置安裝在平臺主甲板上，內(nèi)部設(shè)置齒輪副，外部與驅(qū)動齒輪和減速器相連。工作時，電機經(jīng)減速器將動力傳給滑移裝置，輸出給驅(qū)動齒輪，與固定在懸臂梁上的齒條嚙合，驅(qū)動懸臂梁移動，滾輪組件位于齒條上部，用于調(diào)整驅(qū)動齒輪和齒條間的工作間隙。齒輪齒條驅(qū)動方式為連續(xù)運動，定位時通過制動器將懸臂梁可靠地鎖緊在相應位置[12]。

圖6　一種懸臂梁移動裝置

以上專利都是針對懸臂梁滑移形式的，專利一[10]和專利二[11]為X-Y滑移方式，分別由棘爪和齒輪齒條驅(qū)動，專利三[12]為常規(guī)滑移方式，由齒輪齒條驅(qū)動。X-Y滑移形式，懸臂梁承載能力大，但是制造難度大，船型結(jié)構(gòu)相對復雜，對平臺空間要求高；常規(guī)移動方式，懸臂梁承載能力小，結(jié)構(gòu)相對簡單。綜合以上因素以及懸臂梁移動系統(tǒng)的安全性，設(shè)計的專利技術(shù)能否應用到實踐，需要進一步的驗證。

4懸臂梁內(nèi)部設(shè)備布局

懸臂梁位于自升式平臺的尾部，承載著整個鉆井設(shè)備的重力，而鉆井用發(fā)電機、電控柜、鉆井泵、泥漿儲備罐、凈化系統(tǒng)、固井泥漿等都位于主甲板內(nèi)，這些設(shè)備只有通過懸臂梁才能有效地與鉆井井口設(shè)備連接，而且懸臂梁只有伸出平臺才能進行正常的鉆井作業(yè)，它的移動范圍決定著平臺的作業(yè)能力。

與懸臂梁相關(guān)的主要鉆井設(shè)備包括，套管張力系統(tǒng)、井控設(shè)備、液壓控制單元、固控系統(tǒng)、固井裝置和第三方設(shè)備等。不同的鉆井平臺，懸臂梁的結(jié)構(gòu)和布局不同，下面介紹了幾種常見的懸臂梁布局形式。

1)第1種懸臂梁布局。懸臂梁為單腹板形式，門式結(jié)構(gòu)，如圖7所示，縱移距離0～14 m，橫移距離-3～3 m，最大作業(yè)水深35 m。泥漿處理系統(tǒng)位于懸臂梁內(nèi)，固定于平臺主甲板的艉部；防噴器組(BOP)位于懸臂梁的尾部支撐架上；地質(zhì)房和泥漿化驗室位于平臺左舷，懸臂梁外側(cè)；固井設(shè)備位于平臺右舷。

圖7　懸臂梁布局簡圖之一

2)第2種懸臂梁布局。懸臂梁為單腹板，門式結(jié)構(gòu)，如圖8～9所示，縱移距離0～15.24m，橫移距離-4.57～4.57 m，最大作業(yè)水深91.44 m。固控系統(tǒng)位于平臺右舷的尾部，懸臂梁的右側(cè)。固井設(shè)備位于懸臂梁的左側(cè)，與固控系統(tǒng)對稱布置。懸臂梁尾部左右兩側(cè)布置高低壓防噴器(BOP)組，并設(shè)置移運裝置，BOP控制系統(tǒng)位于懸臂梁的中部，作業(yè)時隨懸臂梁一起移動[13]。

圖8　懸臂梁實物照片

圖9　懸臂梁布局簡圖之二

3)第3種懸臂梁布局。 圖10所示為懸臂梁內(nèi)部布局圖，懸臂梁縱移距離0～22.28 m，橫移距離-4.57～4.57 m，最大作業(yè)水深122 m。懸臂梁為封閉型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部分兩層布置，尾部為井口區(qū)域，主要布置隔水管張力系統(tǒng)，中前部布置BOP控制單元。在下層甲板中部左側(cè)布置一個倉庫用于儲存鉆井工具。在懸臂梁的首部下層平臺布置錄井單元、固井單元。一個篩布倉庫和一個固控化驗室布置在懸臂梁的左側(cè)，中間甲板設(shè)置固控系統(tǒng)，并分層布置，下層布置除砂、除泥泵，離心機供液泵，計量泵，沉砂池，上層布置泥漿凈化設(shè)備，包括振動篩，除氣、除砂、除泥器，清潔器，中高速離心機等，同時布置螺旋推進器和離心機用于巖屑收集和處理。懸臂梁移動時內(nèi)部設(shè)備一起移動[14]。

圖10　懸臂梁布局簡圖之三

第1種布局方式適應水深較淺，沒有隔水管張緊系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)屬于老式平臺；第2種布局相對先進，國內(nèi)自主研發(fā)的DSJ300、CP300采用該種布局；第3種情況為比較先進的布置方式，適合于深水平臺，海洋石油941采取該種布局方式。懸臂梁采用常規(guī)型移動方式時，設(shè)備布局應在懸臂梁中心兩側(cè)對稱布置，以保證懸臂梁兩側(cè)的大主梁受力均勻，同時根據(jù)鉆井工藝合理安排設(shè)備的位置。由于內(nèi)部設(shè)備較多，而且液電氣管路較為密集，因此要合理布置。

5結(jié)論

1)國內(nèi)在海洋石油平臺的設(shè)計方面才剛剛起步，正處于發(fā)展階段，與國外先進的懸臂梁式自升式平臺設(shè)計技術(shù)有一定的差距。雖然國內(nèi)高校和企業(yè)針對海洋石油平臺的懸臂梁取得了一些專利技術(shù)，但是專利缺乏市場應用。

2)懸臂梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局需要根據(jù)平臺的作業(yè)情況決定，當設(shè)計適應深水和鉆深能力大的平臺時，懸臂梁需要進行合理的布局，以保證懸臂梁的承載性能和作業(yè)能力。

3)近年來，我國自升式鉆井平臺技術(shù)發(fā)展較快，懸臂梁的移動范圍和承載能力大幅提高，但都是基于國外產(chǎn)品設(shè)計的，與國際先進公司還有很大差距。國內(nèi)企業(yè)應抓住機遇，盡快研發(fā)出適應市場需求且具有競爭能力的產(chǎn)品。

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Development and Research of Jack-up Cantilever

SHI Tao，ZHAO Shigang，ZHANG Xin，PANG Shiqiang，SHI Ningke

(QingdaoBranch，LanzhouLSEnergyEquipmentEngineeringResearchInstituteCo.，Ltd.，Qingdao266520，China)

Abstract：Cantilever is the key equipment of the jack-up drilling platform，connecting rig structure and platform，in order to study their development，the article introduces the well-known jack-up drilling platform design company，by comparison，understand the key performance parameters of the cantilever，while introduces the domestic research institutions on the patented technology of the cantilever movement.By studying three kinds of cantilever layout，it is found that the cantilever needs the rational distribution according to drilling conditions，to ensure the force of the main beam is uniform.In view of the development of the domestic jack-up platform，it is recommended domestic enterprises should seize the opportunity to develop new products to meet market demand.

Keywords：jack-up drilling platform；cantilever；drilling capacity

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.020

作者簡介：師濤(1986-)，男，山西介休人，碩士，2013年畢業(yè)于中國石油大學(華東)機械工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆采裝備技術(shù)研究及設(shè)計工作，E-mail：shidast@163.com。6

收稿日期：①2015-08-266

文章編號：1001-3482(2016)02-0088-06