崖城PFA模塊鉆機設計與創新

王長軍 郝云 羅立臣 王寧

崖城PFA模塊鉆機設計與創新

王長軍 郝云 羅立臣 王寧

（中海油能源發展股份有限公司油建設計研發中心 天津 300452）

模塊鉆機；小橇塊；組合式

崖城PFA模塊鉆機是國內第一臺通過平臺吊機完成海上安裝工作的模塊鉆機。它是一種新型的海洋模塊鉆機型式，具有安裝、拆卸靈活，搬遷方便，海上安裝運輸不依賴大型駁船、浮吊設備等特點。通過對崖城PFA模塊鉆機關鍵技術的研究，解決了設計過程中遇到的難點，為后續的小橇塊組合式模塊鉆機設計積累了設計經驗。

0 引言

模塊鉆機是海洋平臺常用的一種鉆井型式，它通常由幾個上千噸重的模塊組成，需要依靠大型船舶和浮吊進行海上安裝，并且搬遷困難。本文介紹了一種新型的小橇塊組合式模塊鉆機，能克服上述條件的限制，依靠平臺吊機實現海上的安裝、拆卸，具有非常好的市場應用前景。

1 項目背景

崖城13-1氣田位于南海鶯歌海海域內，氣田所處水深約90m。該氣田承擔著為香港保質保量供氣的任務。香港中華電力公司是崖城13-1氣田的最大用戶，在香港政府減少燃煤電站排放、保護環境的政策壓力下，香港中華電力公司在2007年初向中海石油（中國）有限公司崖城作業公司（簡稱YOC）提出崖城13-1氣田向其下游電廠增加供氣量，即所謂的加速提氣［1］。至2007年底，香港中華電力公司與YOC已原則上達成了加速提氣的協議。該加速提氣協議規定，YOC需利用崖城13-1AWA平臺上閑置井槽新鉆4口生產井，其中一口井為現有生產井的側鉆。

由于項目的設計與建造工期十分緊張，而且又無法落實大型海上施工船舶，為保證項目的順利進行，經過充分的技術研究，YOC決定建造一座不需動用大型浮吊資源，采用平臺吊機即可完成安裝的新型小橇塊組合式模塊鉆機進行鉆井作業。

2 總體技術方案

崖城PFA模塊鉆機設計以安裝、拆卸靈活，使用平臺吊機即可完成安裝工作為根本出發點，在滿足鉆完井工藝要求以及現場安全操作要求的情況下，盡可能縮小橇塊的尺寸和重量。

原平臺吊機吊重能力為15 t×25m，為滿足海上安裝的要求，需要新增兩臺吊重能力為45 t×10 m的平臺吊機。

圖1 崖城PFA模塊鉆機總體布置

2.1 總體布置方案

崖城PFA小橇塊組合式模塊鉆機主要由鉆井設備模塊（DES）、鉆井支持模塊（DSM）、灰罐模塊、動力模塊（PM）和新增吊機五大部分組成，共由115個結構和設備橇塊組成。其中鉆井設備模塊由44個結構和設備橇塊組成，鉆井支持模塊由24個結構和設備橇塊組成，灰罐模塊由4個結構和設備橇塊組成，動力模塊由23個結構和設備橇塊組成，新增吊機由20個結構和設備橇塊組成。崖城PFA模塊鉆機總體布置如圖1。

2.2 橇塊劃分原則

橇塊劃分總的原則是在綜合考慮鉆完井工藝流程的要求和吊裝設備能力的前提下，盡可能減少橇塊數量和重量，保持橇塊功能的獨立性，以便盡可能減少海上安裝連接和調試的工作量［2-4］。

崖城PFA模塊鉆機除按上述原則進行設計外，還充分考慮了以下幾個方面：

（1）由于受到原有平臺結構的承載能力和面積限制，以及新增兩臺吊機安裝的需要，各個模塊充分考慮了基座的設計，以減少對原有平臺結構的改動；

（2）各種罐體成為結構的一部分，既承載其他結構受力功能，又能滿足各種介質的儲存功能；

（3）在保證工藝流程的前提下，充分利用結構框架內部空間合理的進行設備擺放。

3 關鍵技術設計及創新

3.1 電纜連接器的應用

傳統的模塊鉆機一般由幾個大模塊組成，它們之間的電纜均采用電纜直接連接或者通過接線箱連接，這種電纜連接方式適合大模塊之間的電纜連接，但并不適合崖城PFA模塊鉆機。崖城PFA模塊鉆機由上百個小橇塊組成的，特別是從動力模塊到鉆井設備模塊的動力電纜均要通過拖鏈，而拖鏈不能整體吊裝，如果將這些動力電纜整條在海上安裝，則穿插拖鏈的工作量和難度非常大，會大大增加海上安裝調試時間。

為了減少海上安裝調試的工作量，實現在海上的快速連接，我們在海洋平臺首次采用了電纜連接器，實現了動力電纜海上的快速安裝。電纜連接器現場照片如圖2。

圖2 電纜連接器現場照片

3.2 管線布置及連接設計

崖城PFA模塊鉆機由上百個小橇塊組成，這對于管線的布置以及橇塊之間的管線連接是一個很大的挑戰。本次設計大膽創新，充分運用了膨脹節、由壬、軟管以及活動支架等設計。

3.2.1 管線布置及模塊間管線連接原則

（1）需要根據小橇塊的結構特點和吊裝要求進行合理的管線布置，應能夠實現小橇塊之間的拆分與組裝，并充分考慮拆分、組裝等施工過程造成的橇塊間的相對位移（變形）與吊裝過程中的碰撞對管線的影響，避免出現管線連接困難、碰撞損壞等情況，并應考慮管線布置對設備吊裝、安裝的影響，減少因設備安裝、拆卸等工作造成的管線修改；

（2）管線優先成排布置于小橇塊內，最大程度減少橇塊外管線，同時在橇塊分界處增加拆卸法蘭（或由壬），減少拆裝橇塊時管線的拆裝工作量，盡可能提高將來橇塊在海上安裝時的管線回接速度；

（3）對無法避免的橇塊外管線最大程度靠近橇塊布置，達到與橇塊一起吊裝的目的。橇塊下部管支架采用活動支架，橇塊與橇塊連接處要保證拆卸后管端在橇內，避免將來各個橇塊組對就位時可能的相互碰撞。

3.2.2 膨脹節的廣泛應用

由于鉆機陸地完工后，橇塊需要拆卸并運輸到海上平臺重新組裝，因此不可避免會存在安裝誤差。管線在橇塊連接處難以保證法蘭的緊密安裝，故在橇塊過渡處大規模采用了膨脹節。

（1）實現管線的軟連接，保證橇塊組裝時的拆裝誤差；

（2）采用膨脹節滿足了橇塊間管線的可拆卸性，并且保證了法蘭面縮在模塊邊界內，避免了橇塊再安裝時碰撞；

（3）減少管線應力及震動。鉆機泥漿管線管徑較大、管線較長、相應管線應力較大，采用膨脹節及其他軟連接很好的解決了管線應力問題。

3.3 結構設計

3.3.1 框架式吊機底座設計

由于本項目需要在老平臺上增加吊機，進行各個橇塊的安裝，因此吊機臨時位置采用兩條2 m高的組合梁作為支撐，而永久位置更是采用了兩條高2.2 m的組合梁作為支撐。吊機的上下底座采用框架式底座設計，能有效提高底座的強度以及剛度，最大限度解決吊機底座在較大集中載荷作用下的強度和吊機頂部的水平位移問題。同時，使用組合梁以達到合理用料、減輕重量的目的，并能讓吊機司機得以平穩地操作。框架式吊機底座模型如圖3所示。

圖3 框架式吊機底座模型

3.3.2 橇塊間連接設計

崖城PFA模塊鉆機各個橇塊之間的連接形式主要采用銷軸連接和螺栓連接。連接形式充分考慮了各個橇塊之間可能發生的力的傳遞，避免使銷軸受到平面外側向力，使其能夠較好的發揮限位作用。連接點的選擇也考慮了各個小橇塊的功能性，以及可能發生的相對變形，盡量對稱布置，減少由于不同橇塊之間的不協調變形造成插銷困難。具體的連接形式如圖4、5所示。

圖4 銷軸連接形式1

由于銷軸耳板的板厚較大，而主梁的截面尺寸較小。當連接板焊接到主梁時，通常采用全融透的焊接形式。因焊接時的溫度過高，當主梁的腹板較薄時，主梁的局部區域會產生變形，這就影響了結構梁的強度。針對上述節點，對主梁的局部進行補強，使其厚度與銷軸耳板匹配，并將焊接熱影響的負作用降到最低。

4 結語

圖5 銷軸連接形式2

崖城PFA模塊鉆機是國內第一次自主進行小橇塊組合式模塊鉆機的設計，它采用了許多新的技術，進行了許多創新，使這種模塊鉆機具有安裝、拆卸靈活，搬遷方便，海上安裝運輸不依賴大型駁船、浮吊設備等特點。隨著海洋石油勘探開發步伐的日益加快，尤其是隨著邊際油田的開發步伐的加快，移動式鉆井平臺資源顯得日益缺乏，無論從資源可利用性還是經濟性方面考慮，小橇塊組合式模塊鉆機將是海上平臺鉆井作業很好的選擇。

［1］袁緯，張宇，張尚文等.崖城13-1井口平臺隔水套管修補方法與應用［J］.石油機械，2009，38（7）：84-88.

［2］馮定，唐海雄，周魁等.模塊鉆機的現狀及發展趨勢［J］.石油機械，2008，36（9）：144-145.

［3］馮定，楊志遠，周魁.輕型可搬遷海洋鉆修機模塊劃分方案研究［J］.石油礦場機械，2010，39（2）：46-47.

［4］陳如恒.鉆機的模塊化設計［J］.石油礦場機械，2004，33（4）：1-8.

Engineering Design and Innovation of Yacheng PFA Modular Drilling Rig

WANG Chang-jun HAO Yun LUO Li-chen WANG Ning
（CNOOC-ETS Engineering Design Center of OCEC，Tianjin 300452，China）

modular drilling rig；small module；combined type

Yacheng PFA modular drilling rig is the first modular drilling rig in China which is installed offshore by using platform crane rather than heavy marine installing boat.It is a new type off shore modular drilling rig that can be installed，dismantled and moved easily without heavy barge and floating crane.The difficulties in design have been solved through the study of key technology，which can be reference for other small module drilling rig in future.

U674.38

A

1001-9855（2011）03-0048-04

2010-12-24

王長軍（1977-），男，漢族，工程師，主要從事海洋石油工程設計工作。