劉永勝, 王安義, 買成華, 胡 楠, 汪靖享, 郭乾坤

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

BT3500支持平臺鉆井包模塊劃分與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

劉永勝1.2, 王安義1.2, 買成華1.2, 胡 楠1.2, 汪靖享1.2, 郭乾坤1.2

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

針對BT3500支持平臺鉆井包作業(yè)特點(diǎn)，制定模塊總體布局的原則，選擇最優(yōu)的布置方案，設(shè)計(jì)一種由18個子模塊組成、各模塊之間采用螺栓或銷軸連接的新型海洋模塊化鉆井包。該模塊鉆井包具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、拆裝方便的優(yōu)點(diǎn)，通過支持平臺吊機(jī)可實(shí)現(xiàn)鉆井模塊在井口平臺間的快速搬遷。重點(diǎn)總結(jié)鉆井包模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量控制措施。該支持平臺鉆井包模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)與方法可用于指導(dǎo)其他海洋模塊鉆機(jī)的研究設(shè)計(jì)。

支持平臺；鉆井包；模塊化劃分；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；重量控制

0 引言

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示支持平臺鉆井方式具有投資少、回報(bào)快、回報(bào)率高的優(yōu)勢。實(shí)踐證明，在深水海域采用半潛式鉆井支持平臺能有效降低投資和作業(yè)費(fèi)用，顯著降低主平臺上部模塊重量。采用支持平臺鉆井的最大優(yōu)勢在于可有效減少井口平臺的頂部模塊對重量和空間的要求，從而顯著降低井口平臺的造價，同時綜合考慮法律法規(guī)、風(fēng)險及可靠性等方面因素，傾向于將鉆井系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)施從井口平臺上分離出去，這都是支持平臺鉆井包得以發(fā)展的有利因素。此外，據(jù)測算，采用支持平臺鉆井方式后，井口平臺的造價可減少約1.4億美元[1-2]。支持平臺輔助鉆井作業(yè)方式如圖1所示。

圖1 支持平臺輔助鉆井作業(yè)效果圖

1 支持平臺鉆井技術(shù)介紹

支持平臺鉆井是一種新的鉆井方式，該鉆井方式具有浮式鉆井平臺適應(yīng)水深范圍廣的特點(diǎn)，同時又兼具常規(guī)鉆井平臺造價低的優(yōu)勢。正常作業(yè)時需要支持平臺輔助鉆井單元(TenderAssistedDrillingUnit,TADU)和井口平臺共同協(xié)作完成鉆井任務(wù)。TADU由支持平臺(TenderSupportVessel,TSV)和鉆井包(MastEquipmentPackage,MEP)組成，為固定式平臺和浮式平臺等井口平臺提供鉆井作業(yè)。TADU上封固有用于井口平臺鉆井作業(yè)的MEP，還裝載有鉆井作業(yè)所需的全套輔助設(shè)施，如發(fā)電機(jī)組、泥漿泵、燃料、淡水、鉆桿、套管、鉆井泥漿、固井水泥、重晶石等，同時具有存儲、封固和運(yùn)輸模塊化鉆井包所需的空間和相關(guān)設(shè)施，并提供工作人員的生活設(shè)施。鉆井作業(yè)前將裝載有MEP的TSV靠近井口平臺并將MEP各模塊通過支持平臺吊機(jī)吊運(yùn)至井口平臺并完成鉆機(jī)的安裝。鉆井作業(yè)過程中TSV為井口平臺上的MEP提供動力、泥漿、水泥、海水、淡水、壓縮空氣等輔助支持。作業(yè)完成后將MEP各模塊從井口平臺上拆除并封固到TSV指定區(qū)域，運(yùn)往下一井口平臺進(jìn)行鉆井作業(yè)[3-5]。

BT3500支持平臺主要技術(shù)參數(shù)如下：

名義鉆深(Φ114mm鉆桿)：7 000m；

最大鉤載：4 500kN；

絞車額定輸入功率：2 200kW；

轉(zhuǎn)盤開口名義直徑：Φ1 536.7mm；

頂驅(qū)配置：500metricton；

提升系統(tǒng)繩系：7×8；

井架型式/有效高度：套裝式井架/46.3m；

單個模塊極限重量：170metricton；

鉆井包總重：1 240metricton。

2 模塊劃分

總體布局規(guī)劃原則[6]：

(1) 信息原則。國內(nèi)對于深水半潛式鉆井平臺的研究處于起步階段，國外對國內(nèi)采取了技術(shù)保密的政策，進(jìn)行平臺總體布局時要盡可能調(diào)查、收集、整理與平臺布局相關(guān)的國外資料作為布局的參考。

(2) 功能原則。鉆井包的布局以鉆井作業(yè)作為核心和基本出發(fā)點(diǎn)。深海鉆井作業(yè)比陸地鉆井流程更加復(fù)雜，操作難度更大，非鉆井作業(yè)時間占用整個鉆井周期的比重隨水深的增加也相應(yīng)增大，提高鉆井作業(yè)的并行性是布局追求的目標(biāo)。

(3) 可行性原則。布局方案的優(yōu)劣直接影響到平臺的整體性能、鉆井作業(yè)效率，布局操作所產(chǎn)生的任何一個方案無論在資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面都必須是可行的。

(4) 最優(yōu)性原則。應(yīng)盡量使產(chǎn)生的方案接近最優(yōu)方案，根據(jù)工程實(shí)際權(quán)衡各個矛盾參數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化，以小代價換取大收益。

(5) 系統(tǒng)原則。布局操作時需從全局出發(fā)，考慮鉆井系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，使他們相互協(xié)調(diào)以保證全局利益。

(6) 穩(wěn)定性原則。平臺布置要考慮平臺的重心和穩(wěn)心位置，南海環(huán)境條件惡劣，應(yīng)盡可能地降低重心高度，提高平臺的穩(wěn)定性。

根據(jù)上述原則，參照國內(nèi)外多個半潛式平臺總體布局方式，使各個模塊間操作時能夠保證全局利益的最大化。選擇最優(yōu)化的總體布置方案，將鉆井包規(guī)劃為18個子模塊，鉆井包的爆炸圖如圖2所示。鉆井包模塊名稱和具體功能如表1所示。合理的模塊劃分使得每個模塊的最大質(zhì)量不超過170t，完全滿足了支持平臺主吊機(jī)的額定參數(shù)，確保支持平臺吊機(jī)用最少的起吊次數(shù)完成整個鉆井模塊的吊運(yùn)及安裝作業(yè)。對設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行預(yù)估和布置，保證鉆井包重心接近幾何重心。同時，設(shè)計(jì)時考慮盡量減少各模塊間安裝銷軸的規(guī)格，最終統(tǒng)計(jì)整套鉆井包只需要46個銷軸、40個螺栓即可完成組裝。

圖2 鉆井包模塊三維爆炸圖

序號模塊名稱功能劃分1井架模塊2絞車房模塊3鉆臺鋼結(jié)構(gòu)模塊4司鉆對側(cè)主撬5司鉆側(cè)主撬6絞車側(cè)滑移基座梁7V大門側(cè)滑移基座梁8司鉆對側(cè)連接梁9司鉆側(cè)連接梁1.鉆井包提升系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2.BOP/CTU處理系統(tǒng)3.提供井口泥漿返回通道10司鉆側(cè)飄臺布置司鉆控制房和本地儀表房11V大門坡道鉆桿運(yùn)輸通道12貓道機(jī)支架13支架支腿進(jìn)行隔水管輸送14通用模塊為所有液壓設(shè)備提供動力并兼具井控的功能15固相控制模塊泥漿凈化和計(jì)量系統(tǒng)16巖屑處理模塊1.巖屑干燥及處理系統(tǒng)2.布置壓縮空氣儲氣罐3.污水收集17管匯模塊動力、泥漿、水泥、海水、淡水、壓縮空氣等的傳輸通道18水平連接架用于固定連接兩個主撬結(jié)構(gòu)

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與創(chuàng)新

3.1 門式鋼結(jié)構(gòu)底座

鉆井包大底座模塊為門式結(jié)構(gòu)，具有鉆臺高、跨度大、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，總高度為15.9m，門型主撬下底面高度為13.7m，與常規(guī)7 000m鉆機(jī)底座相比凈空間增加了65%以上。可支持鉆臺面縱向滑移和整體橫向滑移，滿足在井口平臺27口井位的鉆井作業(yè)要求。該門式底座結(jié)構(gòu)完全滿足X-Y雙向移動的防噴器(Blow-OutPreventer，BOP)和連續(xù)管作業(yè)單元(CoiledTubingUnit，CTU)處理系統(tǒng)安裝作業(yè)要求。該處理系統(tǒng)可在井口4個方向任意吊運(yùn)，解決了鉆井包組裝完成后實(shí)現(xiàn)BOP吊運(yùn)、試壓以及不同井位間移動的難題，突破了BOP單向滑移的局限性，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。

3.2V大門坡道

V大門坡道采用三角形懸臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)，采用外掛式連接形式，可隨鉆臺鋼結(jié)構(gòu)模塊一起移動，無需重復(fù)拆裝，方便鉆臺鋼結(jié)構(gòu)及以上模塊進(jìn)行縱向滑移，在從事鉆井作業(yè)時節(jié)省了時間。

3.3 部分模塊采用框架式結(jié)構(gòu)形式

大部分模塊主要采用H型鋼作為主體結(jié)構(gòu)，由于受鉆井包總重量的限制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)選型材截面，同時保證子模塊具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，以滿足海上吊運(yùn)、拖航、鉆井作業(yè)的需求。采用框架式結(jié)構(gòu)形式可以有效地降低結(jié)構(gòu)的重量。

子模塊采用框架式結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，便于模塊疊放，既能滿足在正常鉆井工況下模塊連接安裝的需要，又能保證模塊在拖航時安全可靠，也便于對模塊進(jìn)行吊裝作業(yè)。模塊內(nèi)部空間較為封閉，設(shè)備全部安裝在模塊內(nèi)部，最大限度地確保了內(nèi)部設(shè)備在吊裝及拖航時的安全性。同時，為了方便框架內(nèi)部設(shè)備的維修更換，在主結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)可拆卸的支撐梁。

3.4 安裝導(dǎo)向設(shè)計(jì)

鉆井模塊通過支持平臺吊機(jī)進(jìn)行吊運(yùn)安裝，但

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由于海洋環(huán)境復(fù)雜，且支持平臺為浮式平臺受波浪影響較大，因此鉆井模塊海上安裝復(fù)雜且耗時長。為了保證鉆井模塊在海洋動態(tài)環(huán)境下的快速安裝，在模塊與模塊間設(shè)計(jì)有安裝導(dǎo)向裝置。根據(jù)模塊的結(jié)構(gòu)形式、安裝方式的不同，設(shè)計(jì)不同的導(dǎo)向形式，有板材拼焊的喇叭口導(dǎo)向柱、方鋼管制作的插框式導(dǎo)向柱、Y字形的導(dǎo)向板、圓錐銷式的導(dǎo)向柱等形式。導(dǎo)向又可分為粗略導(dǎo)向(一級導(dǎo)向)和精確導(dǎo)向(二級導(dǎo)向)。

4 結(jié)構(gòu)重量控制措施

子模塊重量是支持平臺鉆井包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素，由于鉆井包的重量受限于井口平臺的承載能力以及支持平臺吊機(jī)的起吊能力，因此需對每一個子模塊的重量進(jìn)行嚴(yán)格控制。在基本設(shè)計(jì)階段，根據(jù)業(yè)主要求以及支持平臺吊機(jī)能力，對鉆井包進(jìn)行合理的模塊劃分，確保詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。

鉆井包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的重量控制措施主要有：

(1) 根據(jù)鉆井包的總體結(jié)構(gòu)形式，對各子模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)主框架盡量采用對稱設(shè)計(jì)，以使每根梁的最大名義應(yīng)力比值達(dá)到最優(yōu)值，且作用最大化。

(2) 根據(jù)主結(jié)構(gòu)的受力情況，優(yōu)選合理的型材截面、合適的板材厚度，在局部受力較小的部位應(yīng)盡量減小型材、板材的規(guī)格尺寸，但在關(guān)鍵部位(如吊點(diǎn)、掛點(diǎn)、模塊間連接處、大型設(shè)備支座等)應(yīng)進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，確保強(qiáng)度、剛度足夠。

(3) 利用PDMS(Plant Design Management System)軟件對子模塊結(jié)構(gòu)建立準(zhǔn)確、完整的三維模型，以達(dá)到子模塊結(jié)構(gòu)重量的精確控制，并編制詳細(xì)的重量控制報(bào)告，對子模塊重量進(jìn)行實(shí)時預(yù)警。

(4) 在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中，各設(shè)計(jì)部門應(yīng)協(xié)同設(shè)計(jì)，及時準(zhǔn)確更新設(shè)備、舾裝、電氣、管系等信息，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員及時調(diào)整其局部結(jié)構(gòu)形式，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)冗余而增加結(jié)構(gòu)的重量。

5 結(jié)論

支持平臺鉆井平臺作為一種較為新型的鉆井裝備，近年來發(fā)展很快。BT 3500支持平臺鉆井包作為我國首次設(shè)計(jì)、制造的鉆井包，使我國在支持平臺輔助鉆井技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文僅從模塊布局、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及重量控制等方面做了一定介紹，希望能為后續(xù)該類型平臺和其他半潛平臺的設(shè)計(jì)提供借鑒。

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StructureInnovationandModuleDivisionofBT3500TenderSupport
VesselDrillPackage

LIUYongsheng1.2，WANGAnyi1.2，MAIChenghua1.2，HUNan1.2，WANGJingxiang1.2，GUOQiankun1.2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.,Ltd.,Baoji721002，Shaanxi,China;2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter,Baoji721002,Shaanxi,China)

AccordingtothecharacteristicsoftheBT3500TenderSupportVesselDrillPackage,theprincipleofthemodulelayoutisresearched,thebestlayoutplanischosed,andamodularoffshoredrillpackageisdesignedwhichiscomposedof18moduleconnectedbytheboltsorpins.Themoduledrillpackageisofsimplestructure,lightweight,convenientdisassemblyandinstallation.Usingoftendersupportvesselanditscranecanbefastmovingmodulebetweenthewellheadandplatform.Thedrillpackagestructurecharacteristicsandweightcontrolmeasuresaresummarized.Thedesignmethodcanbeusedtoguideotheroffshoredrillrigdesign.

tendersupportvessel；drillpackage；moduledivision;structurecharacteristics;weightcontrol

劉永勝(1983-)，男，工程師，從事海洋鉆采設(shè)備研發(fā)工作。

1000-3878(2017)01-0044-04

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