狄麗莉，張 鵬，韓 冰，高永杰，祝國(guó)彬

（1.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010；2.遼寧天意實(shí)業(yè)股份有限公司，遼寧盤錦124010；3.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070）

9 000 m海洋鉆井模塊方案分析

狄麗莉1，張 鵬2，韓 冰1，高永杰1，祝國(guó)彬3

（1.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010；2.遼寧天意實(shí)業(yè)股份有限公司，遼寧盤錦124010；3.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070）

CP-300自升式鉆井平臺(tái)配備了ZJ90／6750DB海洋鉆井模塊。介紹了該鉆井模塊的總體設(shè)計(jì)方案。為了達(dá)到功率大、尺寸小、質(zhì)量輕的要求，JC90DB型絞車采用單軸單級(jí)齒輪傳動(dòng)方案。針對(duì)作業(yè)工況和載荷，采用SESAM軟件分析了鉆臺(tái)的應(yīng)力分布，采用高強(qiáng)度板材，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制目標(biāo)，通過試驗(yàn)得到了D550高強(qiáng)度板材焊接的工藝程序。采用SACS軟件分析了井架的受力和位移，達(dá)到強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，并提出了井架的吊裝方法。

鉆井平臺(tái)；鉆井模塊；絞車；鉆臺(tái)；井架

20世紀(jì)90年代以來，世界海上石油勘探與開發(fā)占石油開發(fā)總量的比重越來越大，這為海洋油氣工程設(shè)備的發(fā)展提供了機(jī)遇。世界海洋石油裝備的主要生產(chǎn)國(guó)在亞洲的新加坡、日本和韓國(guó)，而海洋工程設(shè)備的技術(shù)開發(fā)主要集中在美國(guó)、瑞典、荷蘭和挪威等國(guó)家，亞洲國(guó)家生產(chǎn)海工產(chǎn)品的技術(shù)及圖紙大部分來源于這些國(guó)家。

在國(guó)內(nèi)，海洋石油工程處于發(fā)展階段。就平臺(tái)的建造來講，由于我國(guó)海上油氣技術(shù)裝備的發(fā)展起步較晚，在裝備、規(guī)模、技術(shù)水平和項(xiàng)目管理水平上仍存在著較大的差距，很多關(guān)鍵的、主要的設(shè)備和部件依賴進(jìn)口。另外，很多造船企業(yè)對(duì)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)和鉆井工藝流程不熟悉，鉆井模塊的配置主要依靠國(guó)外，這嚴(yán)重制約了我國(guó)海洋裝備的發(fā)展［1-3］。

9 000 m海洋鉆井模塊用于配套我國(guó)第1艘獨(dú)立設(shè)計(jì)、建造的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CP-300海洋鉆井平臺(tái)。該鉆井模塊配置ZJ90／6750DB型鉆機(jī)，適用于水深91.4 m（300 ft），鉆井深度9 000 m的海上石油鉆探作業(yè)，能夠滿足鉆井、固井和輔助試油等作業(yè)工況的要求。本文介紹了該海洋鉆井模塊的總體設(shè)計(jì)方案和核心部件設(shè)計(jì)及其創(chuàng)新技術(shù)。

1 總體方案

9 000 m海洋鉆機(jī)模塊是由提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、鉆臺(tái)底座、輔助系統(tǒng)及相應(yīng)的設(shè)備組成（如圖1）。

圖1 9 000 m海洋鉆井模塊總體布置方案

1.1 平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 環(huán)境條件

1.3 傳動(dòng)方案［4-6］

該9 000 m海洋鉆機(jī)系統(tǒng)采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵的傳動(dòng)方案如圖2。電傳動(dòng)系統(tǒng)配置：采用5臺(tái)CAT3516B型柴油發(fā)電機(jī)組作為主動(dòng)力，發(fā)出600 V，50 Hz交流電。通過VFD房，采用13臺(tái)變頻器一對(duì)一驅(qū)動(dòng)13臺(tái)交流變頻電動(dòng)機(jī)（3臺(tái)泥漿泵各用2臺(tái)800 k W交流變頻電動(dòng)機(jī)，1臺(tái)絞車用4臺(tái)720 k W交流變頻電動(dòng)機(jī)，1臺(tái)轉(zhuǎn)盤用1臺(tái)720 k W交流變頻電動(dòng)機(jī)，2套自動(dòng)送鉆系統(tǒng)用2臺(tái)45 k W交流變頻電動(dòng)機(jī)），拖動(dòng)性能滿足泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤及自動(dòng)送鉆的技術(shù)要求。電傳系統(tǒng)采用一對(duì)一控制方式，AC-VFD-AC傳動(dòng)。

圖2 鉆井模塊傳動(dòng)原理

2 鉆臺(tái)

根據(jù)設(shè)備配置，采用SESAM軟件建立有限元模型，對(duì)鉆臺(tái)在幾種工況下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析（如圖3）。工況條件：

1） 滿立根最大鉤載、滿立根最大轉(zhuǎn)盤載荷和底座移動(dòng)3種工況。

2） 基本載荷和組合載荷2種工況。

3） 遠(yuǎn)洋拖航工況。

載荷組合及工況編號(hào)如表1～2。

表1 滿立根最大鉤載工況載荷組合

表2 滿立根最大轉(zhuǎn)盤載荷工況載荷組合

表2（ 續(xù)）

通過計(jì)算分析可見，與井架連接的4個(gè)主腿（如圖3c）和轉(zhuǎn)盤梁處應(yīng)力較大（如圖3d），其結(jié)果如圖3e～3i。

圖3 鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果

為解決4個(gè)主腿和轉(zhuǎn)盤梁應(yīng)力大的問題，同時(shí)控制鉆臺(tái)質(zhì)量，采用了D550高強(qiáng)度板材。D550高強(qiáng)度船板是首次應(yīng)用到底座結(jié)構(gòu)中，所以需要進(jìn)行相關(guān)的焊接工藝評(píng)定。通過多次試驗(yàn)，確定了D550高強(qiáng)度板材焊接的工藝程序，并編制了焊接工藝和規(guī)程［7-9］：

冷卻速度20℃／h，至環(huán)境溫度

該焊接評(píng)定規(guī)程能夠指導(dǎo)操作人員正確高效的作業(yè)，能夠保證產(chǎn)品的一次合格率達(dá)到98%，符合CCS材料與焊接規(guī)范的要求。

3 絞車

3.1 創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)

通過分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)9 000 m海洋鉆機(jī)配套的絞車，發(fā)現(xiàn)其在功率和結(jié)構(gòu)尺寸上存在矛盾，即功率大，則結(jié)構(gòu)尺寸大，過多占用鉆臺(tái)空間，運(yùn)輸搬遷困難；結(jié)構(gòu)尺寸小，則功率小，鉆井效率低。

為解決這一矛盾，設(shè)計(jì)人員借助先進(jìn)的UG等設(shè)計(jì)軟件，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了JC90DB型單軸單級(jí)齒輪傳動(dòng)絞車，其傳動(dòng)原理如圖4。該絞車額定輸入功率達(dá)到2 880 k W，絞車外形尺寸8 182 mm× 3 060 mm×2 970 mm，質(zhì)量?jī)H有60 000 kg。

圖4 絞車傳動(dòng)原理

JC90DB型絞車采用4臺(tái)720 k W大功率交流變頻電機(jī)，通過4根球籠等速萬向聯(lián)軸器和4個(gè)小齒輪來驅(qū)動(dòng)滾筒軸上2個(gè)大齒輪，使得滾筒得到足夠的功率和轉(zhuǎn)矩。在2臺(tái)主電機(jī)的1側(cè)各連接1套小電機(jī)自動(dòng)送鉆裝置。在滾筒兩側(cè)各有一套高可靠性的盤式剎車裝置，剎車盤采用水冷卻。兩副齒輪單元采用兩套獨(dú)立的強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)，均采用雙泵結(jié)構(gòu)。自動(dòng)送鉆裝置和齒輪單元均通過氣缸-花鍵離合器機(jī)構(gòu)，通過離合器壓力表輸出信號(hào)，使得離合更加安全可靠。配備液壓盤式剎車，同時(shí)具備常開式工作鉗和常閉式安全鉗的復(fù)合式裝置，形成安全互鎖并互為備份。具有工作制動(dòng)、緊急制動(dòng)、駐車制動(dòng)、過卷保護(hù)等多重保護(hù)的功能，剎車盤采用風(fēng)冷方式。

JC90DB型絞車的傳動(dòng)效率達(dá)到了0.96以上，質(zhì)量?jī)H為同類型絞車的80%，且外型尺寸較小可以獨(dú)立作為一個(gè)運(yùn)輸單元，滿足國(guó)內(nèi)鐵路、公路的要求。JC90DB型絞車的設(shè)計(jì)已獲批國(guó)家發(fā)明專利。

3.2 先進(jìn)的自動(dòng)換擋系統(tǒng)

傳統(tǒng)的換擋裝置是通過手動(dòng)換擋桿在限位板上移動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)撥叉桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)撥叉的移動(dòng)來進(jìn)行換擋的。這樣的手動(dòng)換擋方式需有人員操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作稍有不熟練，就會(huì)出現(xiàn)碰齒、打齒等現(xiàn)象。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了智能氣控?fù)Q擋系統(tǒng)，可由司鉆臺(tái)遠(yuǎn)程控制齒式離合器進(jìn)行換擋。

4 井架

4.1 結(jié)構(gòu)及有限元分析

井架的結(jié)構(gòu)除了要承受鉆井作業(yè)時(shí)的最大鉤載外，還要安裝天車、頂驅(qū)反轉(zhuǎn)矩梁、二層臺(tái)、大鉗平衡重、立管臺(tái)和梯子等，以及安裝照明線路、氣路、電視監(jiān)視線路、電子防碰等電氣設(shè)備。同時(shí)，井架抗風(fēng)能力要滿足以下要求：正常作業(yè)（等候天氣：無鉤載，滿立根）設(shè)計(jì)風(fēng)速36 m／s；風(fēng)暴自存（保全設(shè)備：無鉤載，無立根）設(shè)計(jì)風(fēng)速51.5 m／s。

9 000 m海洋鉆井模塊使用HJJ675／52-T型井架，該井架有效高度52 m，立根容量（4?2英寸鉆桿，28 m立根）9 000 m，最大鉤載（7×8輪系）6 750 k N。

該井架為瓶頸式、栓裝封閉式鋼結(jié)構(gòu)，與陸地銷軸式連接方式相比，安裝的自由度降低，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)除滿足使用工況外，還要滿足安裝的方便性和可行性。

針對(duì)以上設(shè)計(jì)要求，井架主體設(shè)計(jì)成5段，采用SACS軟件分析，通過建立387個(gè)節(jié)點(diǎn)，770個(gè)桿單元，96個(gè)板單元，基本載荷工況20種，合成載荷工況25種，對(duì)井架的作業(yè)工況、預(yù)期風(fēng)速工況和不可預(yù)期風(fēng)速工況進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果如圖5，最大UC比（桿件最大應(yīng)力與其許用應(yīng)力的比值）均＜1，符合API 4F規(guī)范的要求。

圖5 井架的有限元分析結(jié)果

4.2 安裝方案

4.2.1 設(shè)計(jì)及制造精度控制

1） 在設(shè)計(jì)過程中，通過UG三維建模，確保連接板件及桿件的設(shè)計(jì)位置準(zhǔn)確無誤。

2） 在生產(chǎn)過程中，采用先進(jìn)的焊接工藝，確保井架四條大腿（立柱）各自的直線度公差在每米長(zhǎng)度上不超過1／1000，井架下直段不超過15 mm，井架上斜段不超過8 mm。井架各橫截面應(yīng)為正方形，對(duì)角線長(zhǎng)度差應(yīng)不超過3 mm。

3） 在車間衍裝過程中，采用工藝銷配焊定位技術(shù)，確保主體結(jié)構(gòu)連接的準(zhǔn)確性。

4） 在安裝過程中，通過調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整，安裝完畢后，過天車中心且與鉆臺(tái)面垂直的中垂線通過鉆臺(tái)面井口中心，公差不超過25 mm。

4.2.2 分段吊裝方案

在井架設(shè)計(jì)過程中，充分考慮吊裝的需要，所有附屬結(jié)構(gòu)根據(jù)井架分段進(jìn)行了合理分配，劃分了3個(gè)吊裝單元（如圖6～8），保證了附屬結(jié)構(gòu)的低位安裝，實(shí)現(xiàn)了井架主體及其附屬結(jié)構(gòu)一次性安裝成功。

圖6 井架第1段吊裝示意

圖7 井架第2端吊裝示意

圖8 井架第3段吊裝示意

5 結(jié)論

1） 海洋9 000 m鉆井模塊技術(shù)先進(jìn)，配備科學(xué)，穩(wěn)定性好。

2） JC-90DB型單軸單級(jí)齒輪傳動(dòng)絞車的功率大，結(jié)構(gòu)尺寸小，傳動(dòng)效率高，已獲得國(guó)家發(fā)明專利。

3） 通過SACS軟件分析，井架結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)場(chǎng)工況要求。通過UG三維建模及工藝配合，實(shí)現(xiàn)井架主體及其附屬結(jié)構(gòu)一次性安裝成功。

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Analyses on Design of 9 000 m Marine Drilling Rig

DI Li-li1，ZHANG Peng2，HAN Bing1，GAO Yong-jie1，ZHU Guo-bin3
（1.China Petroleum Liaohe Equipment Company，Panjin 124010，China；2.Liaoning Tianyi Industry Co.，Ltd.，Panjin 124010，China；3.Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China）

The CP-300 jack-up rig is equipped with ZJ90／6750DB offshore drilling module.The overall design scheme of the drilling module is introduced in this paper.In JC90DB drawworks，single shaft and single gear transmission scheme are adopted for reaching the requirement of big power，small size and light weight.Aiming at operation condition and load，SESAM software is adopt to analyze the stress distribution of drill floor.Weight control is realized by using high strength plates.SACS software is adopt to analyze the force and displacement of derrick for achieving the strength and stability requirement；hoisting method for derrick is also proposed.

jack-up rig；drilling module；drawworks；drill floor；derrick

TE951

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.018

1001-3482（2014）12-0071-07

2014-07-17

狄麗莉（1981-），女，遼寧盤錦人，碩士，現(xiàn)從事石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)工作，E-mail：dilili1981＠126.com。