王兆強，高金軍

（上海外高橋造船海洋工程設(shè)計有限公司，上海 200137）

0 引 言

在能源需求與日俱增的今天，海洋油氣資源的開發(fā)日益引人注目。海洋油氣資源的鉆探、開發(fā)及生產(chǎn)專用裝備已成為能源開發(fā)中的關(guān)鍵裝備，需求量也呈大幅度上升。在用于海洋石油開發(fā)的各種海洋平臺及其他海洋構(gòu)筑物中，自升式平臺較適合于淺海區(qū)域，具有耗用鋼材少、造價低、水上完井、在多種海況下幾乎都能持續(xù)作業(yè)和效率高等優(yōu)點。它在國內(nèi)外海洋勘探和開發(fā)中，特別是在近海海洋石油開發(fā)中發(fā)揮了巨大的作用，成為目前應(yīng)用最為廣泛的移動式鉆井設(shè)施[1]。自建造于 1950年的第一座自升式鉆井平臺“DeLong 1”號起，經(jīng)歷半個多世紀的發(fā)展，自升式鉆井平臺在工作水深、抗風(fēng)暴能力、可變載荷、鉆井能力和操作性能等方面取得了巨大進步[2,3]。

JU2000E型自升式鉆井平臺相對于傳統(tǒng)的船舶來講，海水管路系統(tǒng)繁復(fù)，設(shè)備布置分散且空間狹小，各設(shè)備對海水的需求量差異較大，且工況復(fù)雜，船舶設(shè)計中常用的算法已很難滿足海工產(chǎn)品的設(shè)計需求。運用計算機軟件模擬管網(wǎng)流體的工況，優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計已成為海工產(chǎn)品設(shè)計的重要途徑。

1 自升式鉆井平臺海水系統(tǒng)

海水系統(tǒng)是自升式平臺上一切海水用戶的水源，針對不同工況，海水系統(tǒng)的水源也不同。當(dāng)平臺處于漂浮狀態(tài)時，海水系統(tǒng)從左右海底門吸水，供艙底掃艙、消防、鉆井水系統(tǒng)等用水；當(dāng)平臺進行預(yù)壓載時，海水由預(yù)壓載潛水泵供給；當(dāng)平臺處于升起狀態(tài)時，由 3臺海水深潛泵供水，每臺深潛泵額定排量為500m3/h，壓頭為60m。

海水環(huán)管的供水用戶：泥漿池、艙底掃艙系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)、鉆井水系統(tǒng)、冷藏機組、泥漿泵用戶、造水機、低壓泥漿混合處理系統(tǒng)、冷水機組、中央冷卻器、庫管員柜機、電氣設(shè)備間柜機、鉆井剎車電阻、懸臂梁和鉆臺用戶等。

懸臂梁和鉆臺用戶的海水由海水環(huán)管經(jīng)一6英寸軟管供給，懸臂梁上的海水用戶主要有：振動篩排砂槽沖洗、固井裝置、沖洗離心機排渣管、泥漿處理室、沖洗泥漿返回槽、刮泥器排海槽沖洗等，另外懸臂梁上套管張力器液壓動力單元是從懸臂梁增壓泵后取水；鉆臺上的鉆井絞車剎車冷卻單元海水用戶的供水是通過懸臂梁增壓泵增壓后經(jīng)一4英寸軟管供給。

海水系統(tǒng)的用戶繁多，分布廣泛，高度差距大，流量分配復(fù)雜。由于在漂浮和預(yù)壓載工況時懸臂梁和鉆臺等高處的海水用戶不需供給海水，系統(tǒng)設(shè)計時主要考慮在平臺升起后各工況下海水系統(tǒng)的工作能力。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計放樣，驗證海水系統(tǒng)的初期設(shè)計，提出優(yōu)化改進方案。

2 建 模

AFT Fathom 8.0可以模擬不可壓縮管網(wǎng)系統(tǒng)、開式和閉式系統(tǒng)、壓力變化、傳熱和能量平衡系統(tǒng)等。采用AFT Fathom 8.0對不同工況下海水管網(wǎng)中海水分配情況進行仿真。首先對整個海水系統(tǒng)建模，AFT模型中各設(shè)備、管路、閥附件等的位置數(shù)據(jù)、材料參數(shù)、管系附件尺寸等均來自自升式鉆井平臺的Tribon模型，AFT模型中包括了管路阻力參數(shù)、彎頭閥附件等的局部阻力參數(shù)等。模型中各泵的曲線、海水用戶設(shè)備阻力等參數(shù)取生產(chǎn)廠提供的資料。整個海水系統(tǒng)建模布局見圖1。

圖1 海水系統(tǒng)AFT模型布局

3 初期設(shè)計計算分析

根據(jù)平臺的工作需求，在初期設(shè)計時對平臺的工況分類見表1。

表1 初期設(shè)計方案時工況分類

按照初期設(shè)計方案，對海水系統(tǒng)進行建模，模型運行后發(fā)現(xiàn)鉆井剎車電阻、冷水機組、中央冷卻器等海水用戶的海水流量嚴重超出額定流量，深潛泵工況嚴重偏離額定工況點，進而造成懸臂梁等高處的海水用戶壓力和流量不足。為了使各海水用戶的海水流量能接近額定流量，特在模型中懸臂梁以下主要海水用戶前增加流量控制閥，各流量控制閥的流量設(shè)定值按照設(shè)備額定工況下流量進行設(shè)定，各值如下：

中央冷卻器（通道1）：240m3/h；中央冷卻器（通道2）：140m3/h；冷水機組（2臺）：360m3/h；鉆井剎車電阻（1&2）：60m3/h；鉆井剎車電阻（3&4）：60m3/h；造水機：120m3/h；

增加流量控制閥后運行模型得到各工況下懸臂梁軟管接頭處的絕對壓力見表2。

表2 各工況下懸臂梁軟管接頭的絕對壓力 單位：MPa

初期設(shè)計方案計算結(jié)果分析：

1) 由于鉆臺絞車剎車高度約33m，而懸臂梁軟管接頭處的高度約16m，所以由“各工況下懸臂梁軟管接頭的絕對壓力”可知在各工況下都需要啟動懸臂梁增壓泵；

2) 在19.81m氣隙時鉆表層井工況和固井工況，海水系統(tǒng)能滿足各海水用戶的水量需求；

3) 在33.5m氣隙時鉆表層井工況，海水系統(tǒng)基本能滿足各海水用戶的水量需求，但海水無法到達“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”處，需要將“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”接至懸臂梁增壓泵后；

4) 在19.81m氣隙時鉆井工況二，海水無法到達“沖洗高速離心機排渣管雜用”、“沖洗中速離心機排渣管雜用”、“振動篩排砂槽沖洗”和“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”；且中央冷卻器海水流量不足；

5) 在 33.5m氣隙時鉆井工況三，海水無法到達“沖洗高速離心機排渣管雜用”、“沖洗中速離心機排渣管雜用”、“振動篩排砂槽沖洗”和“刮泥器排海槽沖洗 GUMBO”；且中央冷卻器、冷水機組、冷藏機組、造水機等海水流量不足；

6) 在 19.81m氣隙時鉆井工況七，海水無法到達“刮泥器排海槽沖洗 GUMBO”；且“沖洗高速離心機排渣管雜用”、“沖洗中速離心機排渣管雜用”、“振動篩排砂槽沖洗”海水流量不足；

7) 在 33.5m氣隙時鉆井工況八，海水無法到達“沖洗高速離心機排渣管雜用”、“沖洗中速離心機排渣管雜用”、“振動篩排砂槽沖洗”和“刮泥器排海槽沖洗 GUMBO”；且中央冷卻器、冷水機組、冷藏機組、造水機等海水流量不足。

4 系統(tǒng)優(yōu)化后的仿真計算

由初步設(shè)計方案計算結(jié)果可知海水系統(tǒng)還需進行優(yōu)化設(shè)計，故將“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”接至懸臂梁增壓泵后，冷水機組流量按照138m3/h進行計算。系統(tǒng)優(yōu)化后的工況分類見表3。

表3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計后的工況分類

由于在初期設(shè)計方案計算時，為了控制海水用戶的海水流量在模型中使用流量控制閥對模型進行理想化處理，但實際系統(tǒng)中不安裝流量控制閥，而采用節(jié)流孔板，所以需要計算出各海水用戶處節(jié)流孔板的孔徑。

通過計算和選型得出各節(jié)流孔板的孔徑見表4。

表4 海水用戶各節(jié)流孔板的孔徑 單位：mm

對海水系統(tǒng)優(yōu)化后的方案進行建模，并用節(jié)流孔板替換模型中的流量控制閥，運行優(yōu)化后的系統(tǒng)模型，計算結(jié)果見表5。

表5 海水系統(tǒng)優(yōu)化后各海水用戶在各工況下的海水流量 單位：m3/h

由運算結(jié)果可知，海水系統(tǒng)優(yōu)化后的設(shè)計方案能滿足各工況下海水用戶的需求（氣隙33.5m時試油應(yīng)開3臺深潛泵），海水系統(tǒng)流量分配合理。

5 結(jié) 語

海水系統(tǒng)作為自升式鉆井平臺的最大且最重要的系統(tǒng)之一，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備種類多，流量需求差異大，工況種類多，采用專業(yè)的計算機軟件對管網(wǎng)進行流體分析是系統(tǒng)優(yōu)化的最好方法之一。軟件模擬分析可以在前期就對系統(tǒng)進行精確的計算分析，找出設(shè)計的不足之處，對設(shè)計方案進行優(yōu)化，并可對優(yōu)化后的設(shè)計方案進行驗證，減少了后期的修改，降低系統(tǒng)的建造成本。計算軟件可以模擬不同工況下設(shè)備、管線的運作情況，可以在方案設(shè)計、設(shè)備的精確選型、增強系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面帶來較好的經(jīng)濟效益，同時能夠提高設(shè)計效率、縮短調(diào)試周期、節(jié)約工程成本。

[1] 馬志良，羅德濤. 近海移動式平臺[M]. 北京：海洋出版社，1993.

[2] 陳 宏，李春祥. 自升式鉆井平臺的發(fā)展綜述[J]. 中國海洋平臺，2007,22（6）：1～6.

[3] 張用德，袁學(xué)強. 我國海洋鉆井平臺發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 石油礦場機械，2008,37（9）：14～17.