海洋平臺鉆井系統(tǒng)的特殊性設(shè)計

韓明良，滕瑤，王海冰，邵會良，丁曉冬

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

隨著陸上油氣資源的日益枯竭，我國將加強(qiáng)深海水域的開發(fā)力度。在中央制定的“深海”戰(zhàn)略下，“裝備先行”成為中國開發(fā)南海的必然選擇。目前，我國的海洋工程裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模約為300億元人民幣，約占世界市場份額的7%[1]，雖在環(huán)渤海地區(qū)、長三角地區(qū)及珠三角地區(qū)初步形成了具有一定聚集度的海工裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)，但是在深海方面，中國海工裝備企業(yè)的研發(fā)、設(shè)計水平與歐美國家相比還有較大差距，即使在最為擅長的制造環(huán)節(jié)，與韓國、新加坡等亞洲制造強(qiáng)國相比也處于弱勢。因此，我國急需突破深水關(guān)鍵技術(shù)，大力發(fā)展以海上油氣為代表的海上礦產(chǎn)資源開發(fā)關(guān)鍵裝備（如海洋鉆井平臺等）。

海洋工程的關(guān)鍵設(shè)備是海洋鉆井平臺，海洋鉆井平臺是海洋工程的最尖端技術(shù)設(shè)備。海洋鉆井平臺實(shí)質(zhì)上包括三部分：船舶部分、定位部分和鉆井部分。由于造船工程師對鉆井部分還相對陌生，本文從最初的陸地鉆井設(shè)備開始，逐步介紹海洋鉆井與陸地鉆井的差異并以實(shí)例分析海洋鉆井平臺的特殊性設(shè)計。

1 陸地鉆井[2]

目前，常規(guī)的陸地鉆井（圖1）主要采用旋轉(zhuǎn)鉆井方法，其主要工作原理是：利用鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石，形成井身；利用鉆柱將鉆頭送到井底；利用起升設(shè)備起下鉆柱；利用轉(zhuǎn)盤或井下動力鉆具帶動鉆柱和鉆頭旋轉(zhuǎn)；利用泥漿泵循環(huán)鉆井液帶出井底巖屑。陸地鉆井與海洋鉆井的相同點(diǎn)如表1所示。

表1 陸地鉆井與海洋鉆井的比較

2 海上鉆井和相關(guān)D90參數(shù)

雖然常規(guī)的海上鉆井設(shè)備與陸地鉆井設(shè)備在原理上有共同之處，但海上鉆井也有其特殊性。本文選用以D90為參考船型，該船是煙臺中集來福士海洋工程有限公司交付的第二艘海洋鉆井平臺，基本參數(shù)如表2所示。

表2 D90基本參數(shù)

本文以該船型為例來介紹相關(guān)設(shè)備的設(shè)計原理。

1）頂部驅(qū)動鉆井。頂部驅(qū)動鉆井多為海洋鉆井平臺采用，這套設(shè)備被稱為頂驅(qū)系統(tǒng)，不再使用陸地用的方鉆桿，而都采用相同鉆桿。海上鉆井亦設(shè)有轉(zhuǎn)盤，該平臺既可順時針也可逆時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平臺由兩臺液壓泵驅(qū)動，每臺扭矩為46kNm，轉(zhuǎn)速為0r/min～20r/min。該平臺也可提供導(dǎo)向，在更換鉆桿時起支撐作用。一般設(shè)置高防爆的司鉆房實(shí)現(xiàn)人員就地控制；D90上的頂驅(qū)系統(tǒng)選用液壓驅(qū)動，型號為DDM1000 HY-RR。

2）海上鉆井平臺由于需要隔離海水所以管路比陸地多了riser隔水管等，鉆桿和泥漿系統(tǒng)都通過riser管以達(dá)到與海水的分離，海水越深隔水管越多也就越重，為減輕重量通常隔水管外面包上厚厚的泡沫塑料以增大水中的浮力；由于平臺空間有限所以管路儲放采取了平放和立放多種形式，為減輕操作工人的勞動強(qiáng)度，操作系統(tǒng)一般都采用自動和半自動系統(tǒng)；D90采用兩套管路操作用橋式起重機(jī)，起重能力11噸，配合其他機(jī)械手等組成半自動操作系統(tǒng)。

3）海上的防井噴裝置BOP和采油樹一般都設(shè)計在海底這與陸地不同，BOP的控制系統(tǒng)一般采用液壓控制，但與陸地不同是液壓流體不是液壓油，而是乙二醇水溶液，一來防止海洋污染二來有很好的抗凍性，因?yàn)樵酵５诇囟仍降停涣硗庖驗(yàn)锽OP和采油樹比較龐大所以另外還有一套為他們設(shè)計的操作吊車系統(tǒng)；D90采用的BOP吊車2X140噸。

4）平臺上空間狹小，防爆要求高，所以一般安裝兩套燃燒臂系統(tǒng)；D90上的燃燒臂長84ft，帶燃燒頭和相關(guān)管路系統(tǒng)，通過交聯(lián)鏈接分布艉部左右；

5）為了防止平臺的上下移動導(dǎo)致鉆動力量不均可能引起的過載和空載，平臺特采用了一套鉆桿補(bǔ)償系統(tǒng)，為保持大的動態(tài)補(bǔ)償一般采用氣動控制，主汽缸中的氣體壓縮或膨脹相當(dāng)于一個大的彈簧，而天車和大鉤基本保持不動來實(shí)現(xiàn)平臺的升降補(bǔ)償；

6）為了防止隔水管RISER垂直方向移動導(dǎo)致的斷裂，平臺一般設(shè)計有一套RISER隔水管張緊系統(tǒng)，這套系統(tǒng)根據(jù)采集的平臺運(yùn)動狀態(tài)和預(yù)期補(bǔ)償使隔水管的偏移在一個允許的范圍內(nèi)；D90上采用6套張緊器，每套額定張緊力242噸，氣動控制。

圖1 陸地鉆井

圖2 JBF14000鉆井平臺

7）海洋的環(huán)境與陸地是不一樣的，半潛式的鉆井平臺是浮在水面不是站在海底。海上的工況復(fù)雜，大風(fēng)大浪的，由于水深太深也無法用錨泊定位，即我們沒法把它固定在一個地點(diǎn)；既然不能絕對固定只好考慮相對固定，所以為了防止平臺的水平面在一定范圍內(nèi)移位一般平臺都采用DP2到3的自動定位系統(tǒng)；D90采用DP3控制系統(tǒng)，關(guān)于這方面的內(nèi)容請參考我在《造船技術(shù)》雜志2010年第1期上的文章“鉆井平臺最高級定位設(shè)計和應(yīng)用——DPS3”。

8）水下機(jī)器人系統(tǒng)主要作用是水下觀察和水下操縱，一般是有纜遙控的。作用：如觀察鉆管、套管是否準(zhǔn)確插入。觀察BOP是否正常工作，BOP控制系統(tǒng)中的yellow line 和blue line就是為了讓ROV清楚分辨才涂的顏色，因?yàn)殛P(guān)上BOP和打開BOP對安全至關(guān)重要，所以要觀察操作是否正確，BOP的開關(guān)是用同一個控制開關(guān)操作的，以防誤操作。

3 海上鉆井平臺的最新動向

1）雙塔鉆井設(shè)備。海上鉆井和陸地鉆井一樣，也是越快越好，效率就是金錢，效率就是生命。因此，如何提高效率是海洋工程最重要的課題。目前已有雙塔鉆井設(shè)備設(shè)計建造，工作效率可提高40%。

2）新型雙塔鉆井設(shè)備。現(xiàn)今的雙塔鉆井設(shè)備具有體積龐大、占空間巨大等缺點(diǎn)，故減少這些弊病又是一個新的課題。荷蘭Huisman設(shè)計的新型鉆塔在JBF14000鉆井平臺應(yīng)用已解決了這個問題，它的模型圖如圖2所示。

4 結(jié)論

在了解了平臺鉆井的基本原理后，設(shè)計和生產(chǎn)就相對游刃有余，因?yàn)槠脚_的其他特殊點(diǎn)如DP問題都可在工程船上找到蹤影，全船管理系統(tǒng)在工程船上亦能找到影子。此外，防爆要求在油船上也能找到蹤跡，直升機(jī)飛機(jī)系統(tǒng)更是司空見慣。知道了鉆井這套系統(tǒng)，對海上鉆井平臺就有了總體概念，進(jìn)一步的研究還需在以后的工作不斷完成。

〔1〕王小聰.海洋工程裝備中長期規(guī)劃年底出臺(N).財新網(wǎng), 2011-10.

〔2〕王建學(xué). 鉆井工程〔M〕.北京:石油工業(yè)出版社,2008.