楊肖龍，穆　頃，李彥麗，祖　巍，安振武

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452)

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南海7 000 m固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概要

楊肖龍，穆頃，李彥麗，祖巍，安振武

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452)

隨著我國(guó)南海海域油氣資源的大力開發(fā)，固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)的應(yīng)用越來越廣。由于建造及安裝方式的特殊性，其模塊化程度越來越高。作為模塊鉆機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的支撐體系，在控制質(zhì)量的前提下，鉆機(jī)結(jié)構(gòu)不僅要滿足在位工況強(qiáng)度要求，還要滿足安裝工況強(qiáng)度要求。從南海海域近幾年的固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較關(guān)注的質(zhì)量控制、安裝設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了對(duì)比分析，為模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

模塊鉆機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；質(zhì)量控制；安裝設(shè)計(jì)

海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)是海洋鉆井平臺(tái)的重要組成部分，我國(guó)海上固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)使用已經(jīng)有20 a，目前在南海、渤海、東海有多個(gè)模塊鉆機(jī)投入使用。為了降低鉆井作業(yè)成本，在井?dāng)?shù)達(dá)到一定數(shù)量之后，通常采用模塊鉆機(jī)進(jìn)行鉆井作業(yè)[1]。海上和陸上的石油天然氣鉆井工藝基本相似，所不同的是陸上鉆井設(shè)備不受場(chǎng)地限制，布置相對(duì)分散，但海上鉆井設(shè)備必須集中布置在面積有限的海上平臺(tái)上，自然條件十分惡劣，操作工況也十分復(fù)雜。這些客觀條件增加了對(duì)海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)布置不僅要能滿足模塊鉆機(jī)整個(gè)系統(tǒng)工作的安全要求，還要保證各項(xiàng)功能協(xié)調(diào)有序的運(yùn)行。

此外，海洋鉆井遠(yuǎn)離陸地，建造和安裝資源匱乏。這些特點(diǎn)決定了海洋石油鉆井設(shè)備除了必須滿足設(shè)計(jì)功能的要求外，其模塊化和集成化的程度越來越高，集成化設(shè)計(jì)大幅縮短了鉆井設(shè)備的安裝以及搬遷周期[2]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿足模塊鉆機(jī)在位工作時(shí)的強(qiáng)度要求，還要滿足復(fù)雜的安裝工況下的強(qiáng)度要求，可以說結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)從建造到安裝再到作業(yè)的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，是模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

1　結(jié)構(gòu)概述

1.1結(jié)構(gòu)形式

模塊鉆機(jī)主要包含鉆井設(shè)備模塊(Drilling Equipment Set-DES)、鉆井支持模塊(Drilling Support Module-DSM)和灰罐模塊(P-TANK)[3]，圖1為南海某7 000 m模塊鉆機(jī)整體概貌。其中，DES又分為鉆臺(tái)面和下移動(dòng)底座兩部分，井架安裝在鉆臺(tái)面主梁上，固控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在下移動(dòng)底座上。DSM主要包括泥漿池、泥漿泵房、電控房、散料間以及管子堆場(chǎng)等設(shè)施，為DES模塊鉆機(jī)鉆井作業(yè)提供支持。灰罐模塊一般作為設(shè)備撬塊直接由廠家設(shè)計(jì)，本文不再做詳細(xì)介紹。

圖1　南海某7 000 m模塊鉆機(jī)整體概貌

1.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

模塊鉆機(jī)按照功能可以分為起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)[4]。圖2為某7 000 m模塊鉆機(jī)三維模型圖，左側(cè)部分為DES，右側(cè)部分為DSM。模塊鉆機(jī)各部分結(jié)構(gòu)組成了鉆機(jī)的支撐系統(tǒng)，只有合理的結(jié)構(gòu)布置才能最大程度的滿足其他各個(gè)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，近些年南海海域的鉆機(jī)趨于標(biāo)準(zhǔn)化，并呈現(xiàn)以下特點(diǎn)[5]。

1)模塊化程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，總體布置協(xié)調(diào)，泥漿罐與鉆井模塊分離，質(zhì)量分布均勻，平立面層次分明。

2)結(jié)構(gòu)布置靈活，DES模塊通過縱向和橫向雙滑軌來實(shí)現(xiàn)各個(gè)井口的鉆修井作業(yè)。

3)模塊鉆機(jī)安裝時(shí)的主承重框架與自身結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，在滿足安裝工況的前提下，盡可能地使模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕化。

《政府會(huì)計(jì)制度》設(shè)置了“待攤費(fèi)用”“長(zhǎng)期待攤費(fèi)用”“預(yù)提費(fèi)用”會(huì)計(jì)科目，要求高等學(xué)校必須根據(jù)權(quán)責(zé)發(fā)生制對(duì)相關(guān)經(jīng)濟(jì)業(yè)務(wù)或事項(xiàng)進(jìn)行待攤和預(yù)提處理，如：高等學(xué)校支付訂閱報(bào)刊雜志的費(fèi)用，在實(shí)際支付時(shí)必須借記“待攤費(fèi)用”，貸記“財(cái)政撥款收入”“零余額賬戶用款額度”“銀行存款”，在受益期內(nèi)的每月月末必須按照受益期限平均攤銷處理，借記“業(yè)務(wù)活動(dòng)費(fèi)用”“單位管理費(fèi)用”“經(jīng)營(yíng)費(fèi)用”，貸記“待攤費(fèi)用”。在對(duì)該類經(jīng)濟(jì)業(yè)務(wù)或事項(xiàng)進(jìn)行會(huì)計(jì)核算時(shí)，高等學(xué)校不能再按《高等學(xué)校會(huì)計(jì)制度》根據(jù)收付實(shí)現(xiàn)制的規(guī)定在實(shí)際支付資金時(shí)記入相關(guān)支出科目。

4)輔助部分固定不動(dòng)，動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)大部分布置在鉆機(jī)的固定模塊中，與移動(dòng)部分采用各種方式連接，保證固定與移動(dòng)模塊之間的連接安全、可靠。

5)模塊鉆機(jī)采用自升式套裝井架，井架本體各節(jié)為整體結(jié)構(gòu)，減少了連接銷數(shù)量，減輕了安裝作業(yè)強(qiáng)度，滿足平臺(tái)吊機(jī)能力和建造場(chǎng)地的要求。

圖2　某7 000 m模塊鉆機(jī)三維模型

本文對(duì)近幾年南海固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了匯總，如表1。模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式不僅滿足自身的功能要求，例如要有足夠的能力承受大鉤載荷、泥漿重力、環(huán)境載荷等。還要滿足所在平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，例如，DES結(jié)構(gòu)形式受所在組塊滑軌間距以及井口布置影響較大，DSM基座需要布置在組塊甲板主梁上，其結(jié)構(gòu)形式受所在組塊南北向主軸間距影響較大。

表1　南海海域固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合API、AISC、ABS、CCS以及中海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等相應(yīng)的規(guī)范[6]。根據(jù)中國(guó)南海海域的環(huán)境特點(diǎn)，模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的校核采用工作應(yīng)力法(API RP 2A WSD)。

結(jié)構(gòu)材料的選取既應(yīng)符合鉆機(jī)功能要求，又應(yīng)滿足工作環(huán)境的要求?？紤]到建造與運(yùn)輸條件的限制，所用的鋼材應(yīng)盡量選擇符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)產(chǎn)品，例如寬翼緣熱扎H型鋼采用GB/T 1591—2008或者JIS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，常用的中等厚度的鋼板采用GB 712—2011標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于主要節(jié)點(diǎn)及重要的吊點(diǎn)主板應(yīng)采用z向性能鋼材，泥漿池圍壁及底板應(yīng)考慮泥漿的腐蝕等，同時(shí)，整個(gè)項(xiàng)目中的結(jié)構(gòu)型材種類應(yīng)盡量少，減少采辦及建造的工作量。

結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)應(yīng)符合基本的原則：傳力路徑短，材料利用率高，滿足其他專業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)形式的要求。模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用SACS、ANSYS等軟件對(duì)鉆機(jī)做有限元計(jì)算分析，通過API 2A WSD方法校核，以保證模塊鉆機(jī)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，并在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過提升材料的利用率減輕結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量。其中靜力分析以及地震分析是在位分析，是模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制工況。圖3為模塊鉆機(jī)DES結(jié)構(gòu)在位分析模型，圖4為模塊鉆機(jī)DSM結(jié)構(gòu)在位分析模型。

圖3　模塊鉆機(jī)DES結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖4　模塊鉆機(jī)DSM結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.2結(jié)構(gòu)重力控制

表2　南海海域固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)重力對(duì)比　kN

注：結(jié)構(gòu)重力為模塊鉆機(jī)支撐結(jié)構(gòu)重，干重力為模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)重力及設(shè)備重力，不包含管線、罐體以及泥漿池中液體重力，操作重力為模塊鉆機(jī)最大鉤載作業(yè)時(shí)的總重力。

3　安裝設(shè)計(jì)

新建的海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)模塊集成程度很高，主要的原因有2個(gè)。

1)便于海上安裝。海上駁船、浮吊資源緊缺，工期緊，費(fèi)用高，能有效地利用自身技術(shù)方案解決安裝資源是現(xiàn)模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)的通用方法。

2)可以大幅地減少海上建造工期。集成度不高，分模塊較多會(huì)造成海上施工工作量的增加，而由于海上人員住宿、建造資源稀少、工期的協(xié)調(diào)困難等各方面原因，會(huì)影響整體項(xiàng)目的進(jìn)程。

從結(jié)構(gòu)上講，模塊鉆機(jī)分為DES、DSM以及灰罐3部分模塊，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，海上安裝完成后通過管線的硬連接將各個(gè)模塊功能串聯(lián)進(jìn)行鉆井作業(yè)。表3為上述各個(gè)鉆機(jī)的安裝方案及安裝資源情況。

通常，模塊鉆機(jī)的安裝方案分為3個(gè)階段：

1)陸地建造場(chǎng)地滑移或者吊裝裝船，其中限于建造場(chǎng)地的吊裝資源，大模塊一般采用滑移裝船，小模塊采用吊裝裝船。

2)從建造場(chǎng)地裝船后由駁船運(yùn)輸?shù)胶Ｉ辖ㄔ靾?chǎng)地。

3)在建造場(chǎng)地通過浮吊吊裝到組塊頂層甲板進(jìn)行安裝調(diào)試。

為了減少海上連接和調(diào)試的工作量，縮短海上施工工期，降低施工成本，模塊鉆機(jī)也可以與組塊一起采用浮托法進(jìn)行海上安裝。采用浮托法安裝，模塊鉆機(jī)在安裝到組塊上后即可以進(jìn)行功能調(diào)試，調(diào)試完成后跟組塊一起海上安裝，可以節(jié)省大型浮吊的費(fèi)用和海上施工工期。

表3　南海海域固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)安裝資源

注：LF7-2和HZ25-8模塊鉆機(jī)建造場(chǎng)地在煙臺(tái)，平臺(tái)組塊建造場(chǎng)地在青島。

綜上所述，模塊鉆機(jī)的安裝工況分析包含整個(gè)安裝過程的計(jì)算分析，包括裝船計(jì)算、拖航計(jì)算以及吊裝計(jì)算，如果模塊鉆機(jī)采用浮托法安裝還應(yīng)對(duì)鉆機(jī)隨組塊整體托航的校核計(jì)算。表4為南海海域多個(gè)固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)的吊裝數(shù)據(jù)，其中LF7-2模塊鉆機(jī)和HZ25-8模塊鉆機(jī)采用浮托法安裝，無海上吊裝方案。

海上吊裝設(shè)計(jì)要切合實(shí)際，要充分考慮吊裝時(shí)模塊的晃動(dòng)、就位誤差以及吊點(diǎn)偏心等因素的影響。根據(jù)規(guī)范要求，在進(jìn)行海上吊裝分析計(jì)算時(shí)動(dòng)力系數(shù)分別取1.35/2.0倍，并考慮吊點(diǎn)偏心的影響，圖5為DES吊裝分析模型。對(duì)吊點(diǎn)處的主耳板需要按照AISC等相關(guān)規(guī)范做詳細(xì)的有限元計(jì)算或者手工強(qiáng)度校核。對(duì)于DES的整體吊裝，由于吊耳主板與滑軌結(jié)構(gòu)形式的特殊性，要增加輔助吊桿來承受吊裝時(shí)的側(cè)向力，如圖5所示。

圖5　DES吊裝分析模型

模塊鉆機(jī)LF13-2PY4-2/5-1PY34-1EP24-2XJ24-3吊裝質(zhì)量/t785870864882880DES吊點(diǎn)高度/m80.082.081.076.075.5最大吊繩力/kN53365891641959486021吊裝質(zhì)量/t12661228135713141383DSM吊點(diǎn)高度/m72.078.080.070.072.5最大吊繩力/kN83537909950085129570

注：表格中最大吊繩力是在2.0倍動(dòng)力系數(shù)下計(jì)算數(shù)據(jù)。

4　結(jié)語

本文針對(duì)南海海域的環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合近幾年已建海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、質(zhì)量控制、安裝分析等方面對(duì)海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比匯總，為深水油氣田海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

[1]關(guān)德.東海油氣田鉆井設(shè)備配置及適用性分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41(7)：88-92.

[2]馮定，唐海雄，周魁，等.模塊鉆機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油機(jī)械，2008，36(9)：143-147.

[3]王長(zhǎng)軍.崖城PFA小撬塊組合式模塊鉆機(jī)總體方案設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40(1)：60-62.

[4]安國(guó)亭，盧佩瓊.海洋石油開發(fā)工藝與設(shè)備[M].天津：天津大學(xué)出版社，1998.

[5]徐田甜，張建勇，王 寧.西江23-1油田海洋模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].船舶，2006(5)：26-32.

[6]中國(guó)船級(jí)社.海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，1992.

Structural Design Brief for 7 000 m Modular Drilling Rig of Fixed Platform in the South China Sea

YANG Xiaolong，MU Qing，LI Yanli，ZU Wei，AN Zhenwu

(CNOOC EnerTech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China)

As the development of oil and gas resources in the South China Sea，the fixed platform Modular Drilling Rig (MDR) was used more and more widely，and the modularity degree will be higher and higher for its special way of construction and installation.As the support structure of MDR，it must meet the strengthen requirements under in-place and installation conditions on the premise of weight control.The structural design of MDR is systematically summarized based on the design experience the MDR in service in the South China Sea past ten years，and comparative analysis for the weight control and installation design in the design process is made，which provide significant references for MDR structural design of Offshore Fixed Platform.

modular drilling rig；structural design；weight control；installation design

1001-3482(2016)05-0097-06

2015-11-20

楊肖龍(1985-)，男，河北石家莊人，工程師，碩士，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，E-mail：yangxl11 @cnooc.com.cn。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.021