胡 楠 王安義 楊秀菊 劉志桐 張 鵬

（1.寶雞石油機(jī)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）

引 言

近年受到低油價(jià)的沖擊，海洋深水領(lǐng)域油氣勘探開發(fā)活動(dòng)有所減緩，受其影響深水鉆井平臺(tái)（船）利用率較低、日費(fèi)大幅下滑。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看深水、超深水油氣開發(fā)勢(shì)在必行，半潛式鉆井平臺(tái)是海洋油氣開發(fā)的主要設(shè)施之一，是深水、超深水油氣資源勘探開發(fā)工程中的主力軍。相對(duì)而言，我國在超深水鉆機(jī)領(lǐng)域與國外還有較大差距，在現(xiàn)階段海洋深水鉆機(jī)發(fā)展放緩的情勢(shì)下，正是我國加快發(fā)展步伐追趕的關(guān)鍵時(shí)機(jī)［1-6］。

目前，半潛式鉆井平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展到第七代，相比第六代半潛式平臺(tái)，第七代超深水鉆井平臺(tái)在甲板可變載荷、作業(yè)水深、大鉤載荷、鉆井深度方面都有大幅度的提升［7］，例如，適應(yīng)作業(yè)水深超過了12 000 ft（1 ft = 0.304 8 m）、鉆井深水度超過50 000 ft，這也是第七代超深水半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)模塊（以下簡(jiǎn)稱：第七代平臺(tái)鉆機(jī)模塊）的典型特征。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球作業(yè)水深超過3 600 m的半潛式鉆井平臺(tái)僅有5座［8］，但是還沒有一座平臺(tái)完全達(dá)到第七代的關(guān)鍵參數(shù)要求。

本文針對(duì)海洋工程裝備領(lǐng)域第七代超深水鉆井平臺(tái)（船）創(chuàng)新專項(xiàng)中的鉆機(jī)模塊及關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化開展研究，重點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)作業(yè)水深12 000 ft、鉆井深度50 000 ft的鉆機(jī)模塊總體方案研究。

1 鉆機(jī)模塊典型特征與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 典型特征

第一代到第七代鉆井平臺(tái)在作業(yè)水深、鉆井深度、定位方式、井架型式等方面都有一定的區(qū)別，其中第五代至第七代平臺(tái)之間的劃分趨于模糊，但是在作業(yè)水深、鉆井深度等方面還是有一定差別。

將第七代鉆井平臺(tái)在適應(yīng)作業(yè)水深更深、鉆井深度更深的特點(diǎn)映射到配套的鉆機(jī)模塊上，其典型特征主要包括：適應(yīng)水深12 000 ft、鉆井深度50 000 ft、雙井口和20K級(jí)別防噴器組。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

煙臺(tái)中集來福士建造的兩座超深水半潛式鉆井平臺(tái)，其配套鉆機(jī)模塊采用國外雙塔架液壓提升系統(tǒng)，采用液缸舉升式提升系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)絞車提升系統(tǒng)，每個(gè)井口配5組液壓缸，具備提升鉆柱、升沉補(bǔ)償?shù)碾p重功能，系統(tǒng)配1 250 t頂驅(qū)、開口75.5 in轉(zhuǎn) 盤、15 000 psi（1 psi = 6.895 kPa） 閘 板海底防噴器組以及6個(gè)液壓缸張緊器，張緊能力4 500 kips（1 kips ≈ 453.59 kg），在系統(tǒng)配置上相比第六代有所提升。平臺(tái)雖由中國船廠負(fù)責(zé)建造，但是作為鉆井平臺(tái)核心的鉆機(jī)模塊則由國外公司提供，仍舊沒有從根本上擺脫我國超深水高端鉆井裝備依賴進(jìn)口的不利局面。

2 鉆機(jī)模塊布局設(shè)計(jì)難點(diǎn)

適應(yīng)作業(yè)水深更深、鉆井深度更深是第七代平臺(tái)鉆機(jī)模塊最為典型的特征。這些特征對(duì)鉆機(jī)模塊作業(yè)工藝、系統(tǒng)配置都提出了新的要求。因此在鉆機(jī)模塊布局設(shè)計(jì)中也面臨新的困難，這也是第七代鉆井平臺(tái)鉆機(jī)模塊設(shè)計(jì)必須首先重點(diǎn)研究的方向。

2.1 水深更深、鉆深更深

鉆機(jī)模塊要求作業(yè)水深達(dá)到3 660 m，需要配套3 660 m長(zhǎng)度隔水管，而隔水管質(zhì)量巨大（達(dá)6 000 t），浮筒外徑更大，直徑超過60 in（1 in = 2.54 cm），在鉆機(jī)模塊布局研究中必須綜合考慮空間布置、質(zhì)量重心、處理能力等綜合因素。

最大鉆井深度達(dá)到了15 250 m，鉆機(jī)模塊立根臺(tái)容量隨之增加，立根質(zhì)量更大，在鉆機(jī)模塊布局研究中需要系統(tǒng)分析管柱立根的質(zhì)量、重心對(duì)平臺(tái)甲板可變載荷的影響，同時(shí)還需兼顧管柱處理工作效率、可靠性等因素，這也是進(jìn)行鉆機(jī)模塊布局設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)解決的問題。

2.2 作業(yè)效率更高

第七代半潛式鉆井平臺(tái)建造費(fèi)用較高，平臺(tái)日費(fèi)也較貴，因此必須有效提升平臺(tái)的整體作業(yè)效率與可靠性以降低作業(yè)成本。鉆機(jī)模塊作為半潛式鉆井平臺(tái)的核心是決定平臺(tái)整體作業(yè)效率的關(guān)鍵，為提高鉆機(jī)模塊作業(yè)效率，配置雙井口、管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)、司鉆集成控制系統(tǒng)等，從而提升作業(yè)可靠性、增加鉆機(jī)模塊的冗余功能，確保鉆井模塊的作業(yè)效率。

首先，設(shè)備數(shù)量增加較多，需要合理規(guī)劃空間布局以解決平臺(tái)空間有限與設(shè)備數(shù)量眾多之間的矛盾；其次，布局中既要兼顧設(shè)備的冗余，又要避免設(shè)備相互干涉。

3 鉆機(jī)模塊總體布置原則

目標(biāo)系統(tǒng)的總體布置原則是：雙井口作業(yè)系統(tǒng)；隔水管立式排放，船首側(cè)布置；雙管柱輸送系統(tǒng)，船尾側(cè)布置；X-Y雙向移動(dòng)采油樹處理系統(tǒng)，左舷側(cè)布置；防噴器組處理系統(tǒng)布置在右舷，如圖1所示。

該布置方案的優(yōu)勢(shì)：

（1）最大限度利用了甲板空間；

（2）各系統(tǒng)工作區(qū)域獨(dú)立、互不干涉，便于并行作業(yè)；

（3）鉆機(jī)模塊整體重心居中，對(duì)船體穩(wěn)性影響較小。

4 鉆機(jī)模塊總體設(shè)計(jì)技術(shù)分析

4.1 提升系統(tǒng)選擇

國外研制的液缸舉升式提升系統(tǒng)在深水、超深水半潛式鉆井平臺(tái)上已經(jīng)成功應(yīng)用，省去了傳統(tǒng)的鉆井絞車、天車補(bǔ)償裝置，是深水鉆機(jī)模塊發(fā)展的一個(gè)重要方向，其核心是大直徑液缸的制造技術(shù)及高精度控制技術(shù)，我國在該領(lǐng)域技術(shù)相對(duì)薄弱。

另外液缸舉升式提升系統(tǒng)存在安裝困難、控制復(fù)雜、維護(hù)成本較高等客觀問題。

傳統(tǒng)絞車提升系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，整體技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，作業(yè)可靠性也得到長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，因此相比液缸舉升式提升系統(tǒng)而言采用傳統(tǒng)的常規(guī)絞車提升系統(tǒng)更為穩(wěn)妥，也更貼合目前我國的整體水平。

4.2 隔水管存儲(chǔ)方案

如2.1節(jié)所述，無論從隔水管總重還是單根外徑而言，對(duì)鉆機(jī)模塊的布局設(shè)計(jì)均會(huì)增加一定難度。

超深水半潛式平臺(tái)中隔水管布置方案通常分為三類： 水平布置、豎直布置和水平+豎直布置［9］。水平布置占用較大甲板面積，但是整體重心較低；豎直布置節(jié)省甲板面積，但重心較高；水平+豎直布置可有效平衡甲板面積與布置重心的利弊，但是處理系統(tǒng)需要兼具處理水平布置及豎直布置的隔水管，相對(duì)復(fù)雜，目前在役的鉆井平臺(tái)中，“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺(tái)具有最大作業(yè)水深3 048 m（10 000 ft）的能力，其75%隔水管垂直排放，25%水平放置。

該鉆機(jī)模塊擬采用單一的隔水管排放方式完成隔水管的存放。以3 660 m隔水管為例，分析水平和立式兩種布置方案的占用面積以及重心高度，參見表1。

表1 平放、立放隔水管所占面積和重心對(duì)比

水平布置占地面積為立式放置占地面積的1.7倍，立式放置重心高度較水平放置重心高度增加66%。結(jié)合該類型平臺(tái)船型，為了進(jìn)一步降低隔水管堆放狀態(tài)下的重心高度，可將隔水管穿艙布置放在雙層甲板上，對(duì)比直接放置在上層甲板，可將重心高度直接降低7 m。該布置方案保證了隔水管立式布置和水平布置的重心高度基本相近，但是穿艙的布置會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成一定的影響，需要提前做好船體結(jié)構(gòu)布局。

4.3 立根布置

該鉆機(jī)模塊最大鉆深15 250 m，通常情況下立根的容量要大于最大鉆深能力，由表2可知，立根總重約1 500 t。

表2 立根載荷統(tǒng)計(jì)表

在進(jìn)行鉆桿布置規(guī)劃時(shí)，需要綜合考慮到立根臺(tái)容量、立根載荷、立根重心、處理效率、操作視線、井架V大門高度等因素。鉆桿的布置位置通常有兩大類，井架內(nèi)、井架外，井架外布置方式按照立根臺(tái)設(shè)備高度的不同又可分為高位布置與低位布置。

針對(duì)該鉆機(jī)模塊立根布置需求，結(jié)合以上常見的幾種立根布置型式對(duì)比（如表3所示），統(tǒng)一以三單根一立柱模式。單根長(zhǎng)度45 ft，立柱高度135 ft，其中“井架外低位布置”指立根穿艙立放在雙層甲板上，“井架外側(cè)高位布置”指立根布置在與鉆臺(tái)面平齊的高度，立根重心高度統(tǒng)一以鉆臺(tái)面為基準(zhǔn)零點(diǎn)。

表3 立根布置型式對(duì)比

因此，綜合考慮船體影響、操作視線、井架V大門、排管系統(tǒng)配置、處理效率等因素，同時(shí)由于立根布置在井口中心線兩側(cè)，所以立根質(zhì)量對(duì)船體操作工況下的可變載荷影響可忽略，因此確定采用立根布置在井架內(nèi)并且高位布置的方式。

4.4 防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)

基于高效作業(yè)的需求，該鉆機(jī)模塊設(shè)置相互獨(dú)立的防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)，以確保兩套系統(tǒng)能獨(dú)立工作，互不干擾。

第七代平臺(tái)鉆機(jī)模塊的典型特征是配套20K級(jí)別8閘板防噴器組。該鉆機(jī)模塊配套2套防噴器組主體和1套LMRP，因此防噴器組處理系統(tǒng)必須具備至少3組存儲(chǔ)位置。防噴器組處理系統(tǒng)配門形吊機(jī)，可實(shí)現(xiàn)防噴器組和LMRP在甲板上存儲(chǔ)位置的組裝，同時(shí)具備將試壓完成的防噴器組吊運(yùn)至月池正上方，并下放至月池內(nèi)的防噴器組滑車上。防噴器組處理系統(tǒng)布置方案如圖2所示。

采油樹處理系統(tǒng)配套可滑移的采油樹吊機(jī)，以便能完成采油樹起吊、搬運(yùn)的需求，可將堆放在主甲板上的采油樹吊運(yùn)至月池正上方，并下放至月池內(nèi)的采油樹滑車，該滑車可沿月池滑移，將采油樹從月池邊緣運(yùn)輸?shù)骄谥行摹？紤]到進(jìn)一步擴(kuò)展采油樹處理系統(tǒng)能力，在主甲板設(shè)置可X-Y雙向滑移的采油樹移運(yùn)裝置，根據(jù)實(shí)際甲板空間可將采油樹存儲(chǔ)位置擴(kuò)展至多個(gè)（如圖3所示）。

4.5 鉆臺(tái)布置

4.5.1 鉆臺(tái)空間布局

相比液缸舉升式提升系統(tǒng)，傳統(tǒng)絞車提升方案鉆臺(tái)面設(shè)備數(shù)量偏多，還需將立根布置在鉆臺(tái)面井架內(nèi)側(cè)，因此，必須合理規(guī)劃鉆臺(tái)空間布局。

設(shè)備的增多需要更大的有效鉆臺(tái)空間，但是鉆臺(tái)面積的增大勢(shì)必會(huì)影響到布置在鉆臺(tái)周圍的防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)，在確保鉆臺(tái)面垂向投影尺寸不變的情況下，采用多層布置方案，垂直方向合理擴(kuò)充鉆臺(tái)面有效面積。鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)整體采用三層布置方案（如圖4所示），第一層鉆臺(tái)面布置鐵鉆工、轉(zhuǎn)盤、液壓貓頭、電梯，同時(shí)預(yù)留較大區(qū)域的工具存儲(chǔ)間；第二層布置LIR及DCR；第三層布置絞車、鋼絲繩卷筒等。

表4 設(shè)備及數(shù)量對(duì)比表

4.5.2 管柱排放系統(tǒng)布置

如4.3節(jié)所述，立根在井架內(nèi)、高位布置，如圖5所示。立根臺(tái)靠近井口，柱式排管機(jī)可實(shí)現(xiàn)立柱在立根臺(tái)和井口間的快速傳輸，共配兩套柱式排管機(jī)，共用一組軌道，互為備用，增加了排管系統(tǒng)的冗余性。

5 鉆機(jī)系統(tǒng)總體布置

結(jié)合超深水半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)模塊典型特征，系統(tǒng)剖析論證提升系統(tǒng)選擇、隔水管存儲(chǔ)方案、立根布置、防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)布置方案、鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)總體規(guī)劃，形成了一套第七代平臺(tái)鉆機(jī)模塊總體設(shè)計(jì)方案。鉆機(jī)模塊側(cè)視圖如圖6所示，鉆機(jī)模塊主視圖如圖7所示。

6 結(jié) 論

本文結(jié)合超深水半潛式鉆井平臺(tái)典型特征對(duì)鉆機(jī)模塊總體布局的需求，闡述了鉆機(jī)模塊總體布置設(shè)計(jì)面臨的困難，系統(tǒng)論證了提升系統(tǒng)選擇、隔水管存儲(chǔ)方案、立根布置方案、防噴器組與采油樹處理系統(tǒng)布置方案、鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)總體規(guī)劃，總結(jié)了鉆機(jī)模塊總體設(shè)計(jì)考慮的主要因素和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)結(jié)合總體布局思路形成了一套鉆機(jī)模塊總體布置方案，為超深水半潛式平臺(tái)鉆機(jī)模塊的工程設(shè)計(jì)提供了參考。

鉆機(jī)模塊布局設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，本文提出了一種可行的總體布局解決方案。

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