王安義 胡 楠 楊秀菊 劉遠(yuǎn)波 趙 鵬

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

超深水海洋鉆機管柱處理系統(tǒng)配置和布局研究

王安義1,2胡 楠1,2楊秀菊1,2劉遠(yuǎn)波1,2趙 鵬1,2

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

管柱處理系統(tǒng)設(shè)計是海洋平臺鉆機設(shè)計的重要部分，對提高鉆井效率、降低操作人員勞動強度、節(jié)約鉆井成本具有很大意義。該文針對第七代半潛式鉆井平臺目標(biāo)任務(wù)按管柱類型不同將管柱處理系統(tǒng)分為鉆桿/套管、隔水管處理系統(tǒng)，并根據(jù)各自的作業(yè)特點，結(jié)合作業(yè)工藝進(jìn)行設(shè)備配置和布局研究，分析布置方案對平臺鉆井作業(yè)的影響，提出一種雙井架海洋鉆機管柱處理系統(tǒng)設(shè)備配置和布局方案，可為雙井口海洋鉆機及其管柱自動化處理系統(tǒng)工程設(shè)計提供參考。

雙井架；鉆機；鉆桿；套管；隔水管

引 言

深水半潛式鉆井平臺已發(fā)展到第七代，典型指標(biāo)為最大作業(yè)水深3660m，鉆深15250m。第七代半潛式鉆井平臺系統(tǒng)配置方面重要特征是配置雙井架鉆機，鉆機自動化程度高，而管柱處理系統(tǒng)的機械化、自動化水平直接決定了鉆機自動化水平，影響著平臺鉆井作業(yè)效率。近幾年，國內(nèi)針對浮式平臺鉆機管柱處理系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行過一些研究［1-5］，包括抓管吊機、柱式排管機、貓道機等并鍵設(shè)備以及單井架鉆機管柱處理系統(tǒng)等，但是對雙井架鉆機管柱自動化/機械化處理流程及設(shè)備配套和布局研究甚少。因此，開展第七代半潛式鉆井平臺雙井架鉆機進(jìn)行管柱自動化/機械化處理系統(tǒng)配置和布局研究對提高海洋鉆井作業(yè)效率、節(jié)約鉆井成本以及降低工人勞動強度具有重要意義。

雙井架鉆機作業(yè)工藝的特殊性對管柱處理系統(tǒng)配置及布局提出更高的要求。雙井架鉆機可以并行組裝和拆卸井下組件、鉆具和管子立根，還可以在鉆表層時下放套管、隔水管及水下防噴器等［6］，其中一個井口在鉆柱下放、回收工具時，另一井口可進(jìn)行組裝、拆卸鉆桿；或者一個井口在鉆表層時，另外一個井口可下放隔水管及水下防噴器等。

1 管柱處理系統(tǒng)概述

結(jié)合鉆井所需管柱的類型，可將管柱處理系統(tǒng)分為鉆柱處理系統(tǒng)（又稱“鉆桿/套管處理系統(tǒng)”）和隔水管處理系統(tǒng)。鉆柱處理系統(tǒng)可進(jìn)行鉆桿/套管由管子堆場至鉆臺面的傳遞，組裝立根及立根傳送、上卸扣操作，從而實現(xiàn)鉆柱的機械化、自動化操作。隔水管處理系統(tǒng)可進(jìn)行隔水管由甲板至井口的傳送，完成組裝隔水管立根以及隔水管柱下放、回收作業(yè)。不同管柱處理系統(tǒng)配置不同設(shè)備，在雙井架鉆機布局中充分考慮處理設(shè)備的特點進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。

2 管柱處理系統(tǒng)設(shè)備配置

2.1 鉆柱處理系統(tǒng)

鉆柱處理系統(tǒng)的處理工藝為：抓管吊機將鉆桿/套管從管子堆場抓放至水平貓道機，水平貓道機將鉆桿/套管輸送至鉆臺面，井架內(nèi)側(cè)的鉆桿提升機完成單根鉆柱的水平到垂直狀態(tài)提升，低位導(dǎo)向臂配合，將單根鉆柱放入井口；然后液壓卡瓦夾持住鉆柱，提升機夾持頭松開并回位進(jìn)行第2根鉆柱處理，通過低位導(dǎo)向臂、液壓卡瓦、井口鐵鉆工、頂驅(qū)與第1根鉆柱進(jìn)行連接；同樣動作處理第3根鉆柱，完成一個立根的建立，然后通過鉆桿滑道、低位導(dǎo)向臂、柱式排管機將連接好的立根排放至立根盒和氣動指梁內(nèi)。該過程中另一個井口的柱式排管機、低位導(dǎo)向臂、鉆桿滑道可將已排放在指梁內(nèi)的立根送入井口。

這種雙井口鉆柱并行作業(yè)模式減少了鉆井系統(tǒng)進(jìn)行鉆桿/套管處理作業(yè)的時間，提高了作業(yè)效率。

兩個井口配置的管柱處理設(shè)備相同，可進(jìn)行互換。接立根并將立根送至另一井口的流程見圖1。

鉆柱處理系統(tǒng)設(shè)備配置及其主要參數(shù)見下頁表1。

2.2 隔水管處理系統(tǒng)

隔水管的處理系統(tǒng)工藝取決于隔水管的存放形式。目前，隔水管的存放形式主要有三種：平放、立放、立放加平放。目標(biāo)平臺隔水管采用全部立放形式。為了滿足作業(yè)水深3660m的要求，立放隔水管立根92根，立根長度為130 ft（1 ft=30.48 cm ）。按照立根長度為130 ft計算，單立根隔水管采用單根長度為65 ft隔水管進(jìn)行組合，共需要65 ft隔水管184根。隔水管加附體材料外徑為1574.8mm（62 in），單根質(zhì)量超過25 t，立根質(zhì)量超50 t。

表1 鉆桿/套管處理系統(tǒng)設(shè)備配置表

處理工藝：利用平臺吊機將隔水管單根吊運至水平貓道機，水平貓道機將隔水管單根運送至井口，頂驅(qū)下降，提升隔水管單根坐放在井口隔水管卡盤上，按上述步驟提升第二根隔水管單根進(jìn)行立根連接，將連接好的隔水管立根，利用頂驅(qū)和扶正臂將隔水管立根吊運至滑槽，然后利用隔水管吊機和底部托車將隔水管立根排放至隔水管指梁。這樣就完成了130 ft隔水管立根的連接和排放。其隔水管由65 ft預(yù)接成130 ft立根流程如圖2所示。

進(jìn)行隔水管和BOP下放時，操作工藝如下：隔水管吊機從指梁吊起隔水管立根置于底部托車上，吊機和托車同步直線移動將隔水管立根運送至隔水管滑槽上，隔水管滑槽將隔水管立根傾斜送至鉆臺并松開，頂驅(qū)定位到隔水管立根上端，將隔水管立根吊起，在隔水管立根下端脫離滑槽時采用鉆臺面隔水管扶正臂扶正送至井口。此時，BOP臺車已經(jīng)將BOP運送至井口處并與隔水管下部連接，然后坐放在隔水管卡盤上；依此步驟處理第二根隔水管立根，依次連接下放。

隔水管處理系統(tǒng)設(shè)備配置及其主要參數(shù)見表2。

表2 隔水管處理系統(tǒng)設(shè)備配置表

3 管柱處理系統(tǒng)布局研究

目標(biāo)平臺采用雙井架鉆機系統(tǒng)，在管柱處理工藝及設(shè)備配置研究的基礎(chǔ)上，以雙井口為中心進(jìn)行管柱處理系統(tǒng)的布局研究。

3.1 布局原則

結(jié)合雙井架鉆機布局，確定管柱處理系統(tǒng)布局原則如下：

（1）滿足雙井口作業(yè)工藝要求；

（2）作業(yè)安全、高效；

（3）優(yōu)先滿足操作頻率高的設(shè)備；

（4）降低系統(tǒng)重心。

3.2 鉆柱處理系統(tǒng)布局研究

鉆桿/套管立根盒的布置是鉆柱處理系統(tǒng)設(shè)備布局和配置設(shè)計的并鍵。就鉆井平臺而言，鉆桿/套管立根布置重心越低越有利于平臺的鉆井作業(yè)。因此，為了降低鉆機重心，將立根盒底部布置在平臺下層甲板上。

結(jié)合雙井架鉆機鉆柱處理系統(tǒng)工藝要求，將鉆柱處理系統(tǒng)的設(shè)備配置按照堆場區(qū)域、立根盒區(qū)域和鉆臺區(qū)域分別進(jìn)行布局研究。

3.2.1 堆場區(qū)域

結(jié)合目標(biāo)平臺鉆井系統(tǒng)設(shè)計要求，管柱堆場的設(shè)置主要考慮平臺可變載荷、自持力和作業(yè)能力。由于可變載荷大，平臺自持力強，按15250m鉆深能力配置管柱，對平臺配置鉆桿、套管提出高要求，設(shè)置2個套管堆場和2個鉆桿堆場。

該區(qū)域布置的設(shè)備有抓管吊機、貓道機。管子堆場的布置應(yīng)充分考慮抓管吊機工作半徑及操作視線，通常將使用頻率較高的鉆桿應(yīng)優(yōu)先布置在靠近貓道機兩側(cè)，以提高作業(yè)效率。貓道機分別正對兩個井口的V大門，導(dǎo)軌與鉆臺面平齊，用于輸送鉆桿、套管等；抓管吊機分別布置在平臺尾部貓道機旁，并呈對稱布置，用于將管子堆場的鉆桿、套管抓放至貓道機上。

3.2.2 立根盒區(qū)域

立根盒位于井架外部，該區(qū)域布置的設(shè)備有柱式排管機、鉆桿滑道、氣動指梁。柱式排管機布置在立根盒中間，最大限度的利用柱式排管機工作半徑，同時將立根區(qū)一分為二，靠近井口中心側(cè)擺放鉆桿，遠(yuǎn)離井口中心側(cè)擺放套管；氣動指梁布置與鉆桿、套管擺放盒對應(yīng)，分別用于排放鉆桿、套管立根；鉆桿滑道分別對稱布置在井架V大門下方，其下部放置在立根盒上，上部與鉆臺平齊。

3.2.3 鉆臺區(qū)域

該區(qū)域布置的設(shè)備有鉆桿提升機、低位導(dǎo)向臂、液壓卡瓦、鐵鉆工。鉆桿提升機在每個井口V大門處各布置一套，用于鉆桿、套管單根或立根的提升、下放；低位導(dǎo)向臂分別布置在鉆臺面V大門處，配合鉆桿提升機、鉆桿滑道、柱式排管機傳遞鉆桿、套管單根或立根；液壓卡瓦每個井口布置一個，用于鉆桿和套管的坐放；鐵鉆工每個井口布置一個，用于鉆桿和套管的上卸扣作業(yè)。

鉆桿/套管處理系統(tǒng)設(shè)備的布置如圖3所示。

3.3 隔水管處理系統(tǒng)布局研究

目標(biāo)平臺隔水管采用全部立放的存儲方式，隔水管立放區(qū)布置在鉆臺一側(cè)靠近平臺艏部平臺下層甲板上，與鉆桿立根盒在同一層，上部為隔水管指梁，鉆臺預(yù)留開口以利于隔水管滑槽將隔水管送至鉆臺。

結(jié)合隔水管處理工藝要求，將隔水管處理系統(tǒng)的設(shè)備配置按照隔水管堆場區(qū)域和鉆臺區(qū)域分別進(jìn)行布局研究。

3.3.1 隔水管堆場區(qū)域

該區(qū)域布置的設(shè)備有隔水管吊機、托車、指梁、隔水管滑槽、檢修裝置。隔水管吊機完成隔水管從存儲指梁到滑槽的吊運；托車在專有的軌道上移動，用以輔助支持隔水管吊機對垂直隔水管從指梁到滑槽的吊運，避免垂直隔水管在吊運過程中出現(xiàn)擺動；指梁用來存放隔水管立根；滑槽用于垂直隔水管處理過程中，將隔水管傾斜、起升，便于隔水管存儲、移運等操作；檢修裝置用于對隔水管連接處、輔助管線、局部裂紋等進(jìn)行維修處理。

3.3.2 鉆臺區(qū)域

該區(qū)域布置的設(shè)備有隔水管扶正臂、隔水管卡盤、萬向節(jié)。扶正臂安裝在鉆臺面配合頂驅(qū)完成隔水管從滑槽到井口的扶正操作；隔水管卡盤用于支撐隔水管與BOP組，輔助實現(xiàn)快速連接和拆卸隔水管；萬向節(jié)放在轉(zhuǎn)盤和卡盤之間，能夠支持卡盤、整個隔水管柱和BOP組，可以補充由于海流產(chǎn)生的隔水管偏移，便于隔水管連接。

隔水管處理系統(tǒng)設(shè)備的布置參見上頁圖3。

4 結(jié) 論

本文針對工信部第七代半潛式鉆井平臺船型并結(jié)合其管柱處理工藝要求開發(fā)了一種適用于半潛式鉆井平臺的管柱處理系統(tǒng)，通過合理優(yōu)化布局降低了管柱堆放及相并設(shè)備的重心，有助于提高平臺的抗風(fēng)載能力以及平臺的穩(wěn)性，同時有效降低了井架V大門開口，提高了井架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

該管柱處理系統(tǒng)所涉及自動化處理設(shè)備眾多，對設(shè)備的可靠性要求高，部分設(shè)備還需要進(jìn)口。從操作的獨立性、集成控制及協(xié)調(diào)性方面考慮，鉆桿/套管處理設(shè)備如抓管吊機、貓道機、鐵鉆工、低位導(dǎo)向臂、液壓卡瓦等設(shè)備以及隔水管處理系統(tǒng)設(shè)備均能實現(xiàn)國產(chǎn)化，而鉆桿/套管處理設(shè)備中的柱式排管機和鉆桿提升機仍需進(jìn)口。

該管柱處理系統(tǒng)配置及布局方案對于雙井口海洋鉆機及其管柱處理系統(tǒng)設(shè)計有一定參考價值，在工程實踐時，還可以根據(jù)不同的船型并綜合考慮多種因素及平臺整體設(shè)備設(shè)施布局進(jìn)行調(diào)整。

［1］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等. 半潛式平臺鉆井材料輸送系統(tǒng)配置與布局研究［J］.船海工程，2008（4）：58-61.

［2］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等.深水半潛式鉆井平臺隔水管存儲形式及作業(yè)功效研究［J］.船舶工程，2009（5）：47-51.

［3］ 王定亞，忽寶民，惠曉英，等.海洋鉆井平臺折臂式抓管機設(shè)計與試驗研究［J］.石油機械，2016（8）：42-46.

［4］ 崔學(xué)政，劉文慶，肖文生，等.海洋鉆井平臺立柱式排管機設(shè)計［J］.石油礦場機械，2010（1）：45-49.

［5］ 崔學(xué)政，劉平全，肖文生，等. 海洋鉆井平臺自動化貓道設(shè)計［J］.石油礦場機械，2011（2）：20-23.

［6］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等. 半潛式鉆井平臺雙井架鉆機作業(yè)工藝初步研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2009（2）：14-17.

Con figuration and layout of string processing system for ultra-deep water rig

WANG An-yi1,2HU Nan1,2YANG Xiu-ju1,2LIU Yuan-bo1,2ZHAO Peng1,2
(1. Baoji Oil field machinery Co., Ltd., Baoji 721002, China; 2. National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center, Baoji 721002, China)

The design of the string processing system is an important part of the design of the offshore platform drilling rig. It is of great significance for drilling efficiency improvement, labor intensity reduction and drilling cost decrease. Aiming at the objectives of the seventh generation of the semi-submersible drilling platform, the string processing system has been divided into drilling pipe, casing and riser system according to different string types. It carries out the equipment configuration, layout study and the analysis of the influence of the layout plan on the platform drilling operation based on the operation characteristics together with the operation technology. Finally, it proposes the equipment configuration and the layout plan of the string processing system for the dual derrick offshore rig, which can provide reference for the engineering design of the offshore drilling rig and its string automation processing system.

dual derrick; rig; drilling pipe; casing; riser

TE923

A

1001-9855（2017）05-0087-05

工信部“第七代超深水鉆井平臺（船）創(chuàng)新專項”—“鉆井包集成及部分并鍵設(shè)備應(yīng)用研究”項目（工信部聯(lián)裝［2016］24號）。

2017-03-17；

2017-05-02

王安義（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：海洋油氣鉆機設(shè)計開發(fā)。胡 楠（1982-），男，碩士，工程師。研究方向：海洋油氣鉆機設(shè)計開發(fā)。楊秀菊（1983-），女，碩士，工程師。研究方向：石油鉆機設(shè)計開發(fā)。劉遠(yuǎn)波（1982-），男，碩士，工程師。研究方向：石油鉆機設(shè)計開發(fā)。趙 鵬（1978-），男，工程師。研究方向：石油鉆機設(shè)計開發(fā)。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.087