王 麗，楊忠華，王如壯，侯偉平

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

作為國家“十二五”規(guī)劃的重要一部分，海洋工程裝備是高端制造業(yè)的重要組成部分并被納入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。海洋工程裝備是高風(fēng)險、高科技、高投入的項(xiàng)目，半潛平臺作為海工裝備皇冠上的明珠，一直是國際海工制造商關(guān)注的焦點(diǎn)。按照《海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略（2011-2020）》（發(fā)改高技[2011]1675號）關(guān)于實(shí)施海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展工程的部署，在未來兩個五年計(jì)劃里，滿足國家對油氣資源的需求量大增的要求和我國深海油氣開發(fā)裝備非常匱乏的現(xiàn)狀，需要一大批海洋油氣開發(fā)高端裝備加入到開發(fā)我國海洋油氣資源的隊(duì)伍中來。

深水半潛式平臺是目前世界上海洋油氣生產(chǎn)的主要設(shè)施之一。在尋找深水油氣資源工程中，深水半潛式鉆井平臺是主力軍，新增的半潛式鉆井平臺從數(shù)量和鉆深上不斷增加。由于挪威北海海況惡劣，對海上作業(yè)平臺的性能和規(guī)范要求高，進(jìn)入挪威北?，F(xiàn)已成為作業(yè)平臺進(jìn)入高端市場的代名詞。當(dāng)前全球在役的221座半潛鉆井平臺當(dāng)中，通過挪威石油安全管理局（PSA）頒發(fā)的AoC（Acknowledgement of Compliance）認(rèn)證的僅有29座。

本文旨在闡述挪威北海海域作業(yè)的深水半潛式鉆井平臺的總布置特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對可變載荷、井架作業(yè)系統(tǒng)、隔水管存放形式、定位系統(tǒng)等一些關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 平臺及海況簡述

1.1 北海作業(yè)平臺簡介

該平臺（見圖1）為中集來福士所建的挪威北海系列平臺中的一座。其設(shè)計(jì)依照挪威北海海況，能夠抵御北海百年一遇的風(fēng)暴，滿足挪威石油當(dāng)局、挪威海事局（NMD）和挪威石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NORSOK）的要求，入級挪威船級社。

圖1 北海深水半潛式鉆井平臺

1.2 北海作業(yè)平臺特點(diǎn)

該北海深水半潛式鉆井平臺船體主尺度更小、空船質(zhì)量更輕，有效降低了建造成本和運(yùn)營成本，同時采取了較大功率推進(jìn)器，航速更快，動力定位能力更強(qiáng)，滿足冰區(qū)拖航的船級社規(guī)范要求。此外，北海深水半潛式鉆井平臺將由國民油井華高（NOV）提供鉆井大包，鉆井過程高度自動化，能夠進(jìn)行離線排管作業(yè)。根據(jù)挪威國家石油公司（Statoil）計(jì)算，此設(shè)計(jì)方案比北海常規(guī)鉆井平臺鉆井效率提高25%。

2 總布置的原則

北海海域作業(yè)的半潛式鉆井平臺，需要滿足挪威船級社、挪威海事局、挪威石油管理局的標(biāo)準(zhǔn)要求，由于北海是世界上海況最惡劣的區(qū)域，加上北歐國家對健康、安全、環(huán)保的高度重視，使得該海域作業(yè)的半潛式鉆井平臺的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)明顯高于世界其它海域。

總布置設(shè)計(jì)工作要根據(jù)平臺的使用功能進(jìn)行合理有效的總體布局安排。同時要遵循相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，最大可能實(shí)現(xiàn)平臺的使用要求。

1）總體布置必須安全可靠，滿足規(guī)范對防火、防爆、安全區(qū)域分割和安全逃生的要求。

2）滿足作業(yè)要求。這是基本出發(fā)點(diǎn)，如鉆井平臺要首先合理布置鉆井設(shè)備，確保鉆井；作業(yè)工作便利；生產(chǎn)儲油平臺應(yīng)合理劃分生產(chǎn)區(qū)域和儲油艙，確保生產(chǎn)與安全。

3）保證技術(shù)性能。總布置設(shè)計(jì)時應(yīng)采取合適的措施確保平臺具有適宜的浮態(tài)和穩(wěn)性，以滿足有關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。

4）結(jié)構(gòu)的合理性和施工工藝。設(shè)計(jì)時力求減小總縱彎矩和剪力。避免主要結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和構(gòu)件截面的突變。艙壁和支柱的設(shè)置應(yīng)考慮它們對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和施工工藝的影響。因此總布置設(shè)計(jì)必須與平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互配合。

3 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的分析

3.1 總布置主要分析內(nèi)容

半潛式鉆井平臺以技術(shù)先進(jìn)化、系統(tǒng)復(fù)雜化、空間集約化著稱。新一代的鉆井平臺，自動化程度的要求越來越高，安全舒適程度要求越來越高，環(huán)保降耗的要求越來越高。半潛式鉆井平臺除配有常規(guī)的操作相關(guān)系統(tǒng)和動力供應(yīng)系統(tǒng)外，還配有高精度的動態(tài)定位技術(shù)、自動化和多樣化的消防技術(shù)、高效的垃圾和污水處理技術(shù)、先進(jìn)的減振降噪技術(shù)、失效備用技術(shù)，同時配有更加高技術(shù)、高復(fù)雜性的鉆井系統(tǒng)和鉆井輔助系統(tǒng)。此外，北海海域的HSE要求是在世界各主要海上油田中屬于最為嚴(yán)格的，對于人體工程學(xué)、安全逃生、振動噪聲控制、高空重物墜落等要求都比其它大多數(shù)海域更為苛刻，所以在有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，在使詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中合理有效的布置設(shè)備、管線，電纜、通道成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

該北海深水半潛式鉆井平臺將浮筒內(nèi)的通道重新布置在船舷內(nèi)側(cè)（見圖2），這樣內(nèi)側(cè)的液艙將作為功能性艙室，而外側(cè)的液艙將用來放置壓載水。這樣的布置方式可以做到底部浮筒通道的連續(xù)性，大大地方便了浮筒內(nèi)物料的運(yùn)輸。另一方面壓載水位于船舷的外側(cè)，方便調(diào)節(jié)壓載，功能性的液艙位于船舶的內(nèi)側(cè)，即使發(fā)生碰撞破損時，也不會破到船的內(nèi)側(cè)，造成大規(guī)模的海洋污染。

圖2 浮筒布置圖

3.2 可變載荷

可變載荷是深水半潛式鉆井平臺的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，它的大小主要受平臺的最大作業(yè)水深和鉆井深度以及船型、主尺度的影響[1]。

3.2.1 可變載荷內(nèi)容

可變甲板載荷主要包括人員和備品、鉆井設(shè)備（防噴器組等）、鉆具（隔水管、套管、鉆桿等）以及鉆材（水泥、土粉、重晶石，泥漿等）的載荷，它主要由平臺的作業(yè)水深和鉆井深度所決定。作業(yè)水深主要影響隔水管的數(shù)量，鉆井深度主要影響鉆桿、套管數(shù)量等，而這兩者同時影響鉆井液的用量，特別是深水隔水管中的鉆井液用量。但深水或者超深水平臺的可變載荷還應(yīng)包含鉆井水、鹽水、基油等鉆井液及燃油，以及在下浮體中的淡水[2]。

3.2.2 可變載荷的大小

由于深海環(huán)境條件惡劣，離岸較遠(yuǎn)，后勤供應(yīng)困難，而讓鉆井平臺具備一次完整的深水鉆井作業(yè)所需要的全部物資的裝載能力也是不現(xiàn)實(shí)的。提供供給船配合作業(yè)不失為一種辦法，但對于離大陸較遠(yuǎn)的海域，航線太長，從經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮是不合適的，還是需要平臺自身具備較大的可變載荷。因此衡量諸多因素，為保證鉆井作業(yè)正常進(jìn)行，要求新建鉆井平臺的可變載荷能夠滿足一口目標(biāo)井的作業(yè)需要。北海深水半潛式鉆井平臺的VDL（可變甲板載荷不包含下浮體中的液體）可達(dá)4000噸。

3.3 井架作業(yè)系統(tǒng)

目前，深海半潛式鉆井平臺的井架作業(yè)系統(tǒng)的配置選擇有很大的自由度，可以根據(jù)船東及鉆井工藝的要求量身定做。有三種可以選擇，即單井架作業(yè)系統(tǒng)、一個半井架作業(yè)系統(tǒng)、雙井架作業(yè)系統(tǒng)。雙井架作業(yè)系統(tǒng)的效率是最高的，但是投入的費(fèi)用也高；單井架作業(yè)系統(tǒng)的鉆井效率比較低，一個半井架作業(yè)系統(tǒng)的效率介于雙井架和單井架之間，同時具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)質(zhì)量輕、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)[3]。

一般深海半潛式鉆井平臺均應(yīng)盡可能的配置雙聯(lián)井架及相應(yīng)的雙井口作業(yè)，如圖3所示，然而雙井架井口作業(yè)系統(tǒng)已經(jīng)被 Transocean公司申請專利，涉及到知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化問題，需要交納一定的專利費(fèi)。一個半井架作業(yè)系統(tǒng)反而顯得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用，成為國內(nèi)石油公司的理想選擇，“海洋石油981”就采用了一個半井架作業(yè)系統(tǒng)的鉆機(jī)，如圖4所示。由于船東等各方面要求，北海深水半潛式鉆井平臺采用的是單井架，如圖5所示。

圖3 雙井架

圖4 一個半井架

圖5 單井架

3.4 隔水導(dǎo)管存放形式

隔水管處理系統(tǒng)關(guān)系到箱型平臺空間和主甲板區(qū)域的劃分會涉及平臺物流作業(yè)方式的選擇，對平臺初期方案的規(guī)劃影響很大。

3.4.1 存放方式

深海半潛式鉆井平臺隔水管有水平和垂直兩種存放形式[4]。水平存放的形式適用于各種規(guī)格的隔水管。垂直存放的一般為75ft規(guī)格的隔水管，這是考慮堆放時的質(zhì)量、重心及相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)的垂向高度等因素。

3.4.2 存放效率

時間上若從隔水管起重機(jī)將隔水管起吊到將隔水管輸送到鉆臺轉(zhuǎn)盤垂直位置，在這個作業(yè)流程內(nèi)考慮，隔水管垂直存放的效率要高于水平存放。

3.4.3 配置要求

隔水管的長度和存放方式的不同，隔水管處理系統(tǒng)的配置要求也不同。水平存放：隔水管起重機(jī)，隔水管水平輸送機(jī)。垂直存放：隔水管起重機(jī)，隔水管指梁系統(tǒng)，隔水管托車，臺車。

隔水管起重機(jī)的起吊能力足以吊運(yùn)伸縮節(jié)為設(shè)計(jì)要求，通常為35t～40t。

垂直運(yùn)送隔水管，頂部采用專用工具底部配置專用的臺車將隔水管托住，與隔水管起重機(jī)同步將隔水管移進(jìn)/出指梁并送到鉆臺的托車。

本文的北海深水半潛式鉆井平臺隔水管采用水平放置的方式，并且采用兩個貓道機(jī)的形式，分別運(yùn)送隔水套管與鉆桿，可以避免運(yùn)送隔水套管與鉆桿的貓道機(jī)發(fā)生干涉的情況。這種方案采用了第六代平臺的新技術(shù)，使得平臺的工作效率可以大大地提高。

3.5 動力定位

3.5.1 動力定位的介紹

北海深水半潛式鉆井平臺具備最高等級的DP-3動力定位系統(tǒng)，其對平臺運(yùn)動性能、線型、推進(jìn)器設(shè)計(jì)、艙室布置、DP分割、電力載荷等都提出了更高的要求。該項(xiàng)目的DP-3動力定位系統(tǒng)通過了故障模式及效果分析和挪威船級社審核[4]。

最新一代DP3動力定位系統(tǒng)如圖6所示，技術(shù)先進(jìn)，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)和自身計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)自身定位調(diào)節(jié)，最大限度支持海上鉆井、采油工作的順利進(jìn)行。全球工作海域的設(shè)計(jì)方案，適應(yīng)性廣泛，極大的提升經(jīng)濟(jì)性能，具有強(qiáng)大的競爭力。系統(tǒng)通用性強(qiáng)，模塊化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)和操作以及功能調(diào)整。提供130人單人居住艙室，利于海上組織生產(chǎn)人員，保障良好生活條件。利用中集來福士獨(dú)有的建造設(shè)備與工藝，實(shí)現(xiàn)甲板模塊整體安裝，降低建造預(yù)應(yīng)力，進(jìn)一步提升平臺安全性能。

圖6 動力定位示意圖

3.5.2 新型半潛式鉆井平臺的定位方式

新型的半潛式鉆井平臺從安全作業(yè)和經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合的角度出發(fā)，一般都采用錨泊定位和動力定位相結(jié)合的定位方式[5]。排水量較大的鉆井平臺，會自帶一部分錨鏈，在水深不大的海域作業(yè)時，采用自拋錨的方式；在中等深水海域作業(yè)時，可以采用預(yù)拋錨方式，也可以采用動力定位和錨泊相結(jié)合的方式；在深水海域作業(yè)時，采用動力定位方式。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了挪威北海作業(yè)的半潛式鉆井平臺的總布置特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。挪威北海海域作業(yè)的半潛式鉆井平臺滿足深海鉆井可變載荷要求，配備高度自動化的鉆井系統(tǒng)。以6機(jī)組、3機(jī)艙達(dá)到動力定位DP-3，在適應(yīng)惡劣海況和滿足各項(xiàng)最為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)情況下，確保平臺性能要求，同時進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)安全高效作業(yè)。隨著自主研發(fā)技術(shù)的提高和經(jīng)驗(yàn)的積累，必將推動深海惡劣環(huán)境下能源的勘探和開發(fā)。

[1]DNV Offshore Code-OS-C201 / Section3 /D.Variable Functional Loads/D200[S].2011.

[2]劉海霞.深海半潛式鉆井平臺的總布置[J].中國海洋平臺, 2007(3): 7-11.

[3]晏紹枝, 李浪清, 黃映城, 等.深海半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)選型探討[J].中國海洋平臺, 2010(6): 42-46,51.

[4]DNV OS A101 Safety Principles and Arrangement[S].2008.

[5]DNV Offshore code-OS-E301 Position Mooring[S].2007.