崖城13-1PFA小撬塊組合式模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高建新，張 霖，張金磊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津 300452）

崖城13-1PFA小撬塊組合式模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高建新，張 霖，張金磊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津 300452）

崖城13-1PFA模塊鉆機(jī)是“小撬塊、組合式”海洋模塊鉆機(jī)，其各功能模塊由許多小撬塊組成，各小模塊之間通過(guò)銷軸或螺栓連接。對(duì)崖城模塊鉆機(jī)的DES模塊、PM模塊和DSM模塊進(jìn)行有限元分析，重點(diǎn)對(duì)該鉆機(jī)與常規(guī)模塊鉆機(jī)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)了小撬塊、組合式鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)型式與特點(diǎn)。該模塊鉆機(jī)每個(gè)撬塊可以利用平臺(tái)上新增的吊機(jī)進(jìn)行海上安裝，極大地降低了海上施工費(fèi)用，避免了對(duì)大型浮吊的依賴。

海洋鉆機(jī)；模塊化組裝；小撬塊；結(jié)構(gòu)

崖城PFA氣田位于南海鶯歌海海域內(nèi)，已開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)設(shè)施包括APD處理平臺(tái)、AWA井口平臺(tái)和SRP生活平臺(tái)。該氣田所處水深約90 m。

為了提高油田的生產(chǎn)能力，擬在AWA井口平臺(tái)甲板上安裝1臺(tái)ZJ70／4500型模塊鉆機(jī)，利用模塊鉆機(jī)在剩余的3個(gè)井槽內(nèi)鉆3口生產(chǎn)井，同時(shí)在原生產(chǎn)井內(nèi)鉆1口側(cè)鉆井，其設(shè)計(jì)年限為25 a。

鑒于海上施工資源的限制，大型浮吊協(xié)調(diào)難度較大。為盡早實(shí)現(xiàn)油田增產(chǎn)，將油田儲(chǔ)量變?yōu)楫a(chǎn)量，需盡快實(shí)現(xiàn)模塊鉆機(jī)就位。因此，在沒(méi)有大型浮吊進(jìn)行海上施工的前提下，如何將模塊鉆機(jī)吊裝至崖城AWA井口平臺(tái)成為項(xiàng)目難點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)模塊鉆機(jī)就位，結(jié)合近幾年積累的常規(guī)鉆機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)對(duì)比分析，最終選擇將鉆機(jī)各功能模塊“化整為零”［1-4］，即將各模塊劃分為質(zhì)量較小的撬塊，利用平臺(tái)現(xiàn)有吊機(jī)對(duì)新增的2臺(tái)40 t撬塊式吊機(jī)進(jìn)行預(yù)安裝，然后利用新增吊機(jī)將模塊鉆機(jī)上的各個(gè)小撬塊吊裝就位。平臺(tái)全景和井口位置如圖1～2所示。

圖1 平臺(tái)全景

圖2 井口位置

1 項(xiàng)目概況

崖城13-1PFA模塊鉆機(jī)是中國(guó)海洋石油總公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的第1個(gè)“小撬塊、組合式”海洋模塊鉆機(jī)項(xiàng)目。該鉆機(jī)的主要特點(diǎn)是各功能模塊由許多小撬塊組成，各小模塊之間通過(guò)銷軸或螺栓進(jìn)行連接，可利用預(yù)安裝到平臺(tái)上的40 t吊機(jī)對(duì)其進(jìn)行安裝。

該鉆機(jī)將完成以下作業(yè)：

1） 沿井口區(qū)橫向和縱向移動(dòng)，覆蓋所有井槽。

2） 在平臺(tái)上的預(yù)留井槽鉆調(diào)整井并完井。

3） 后期生產(chǎn)井的大修和各種小修作業(yè)。

4） 滿足后期油藏開(kāi)發(fā)需求，在老井眼里進(jìn)行側(cè)鉆及其完井作業(yè)。

5） 考慮可以搬遷到Y(jié)13-1B平臺(tái)上進(jìn)行鉆完井作業(yè)。

崖城13-1PFA模塊鉆機(jī)的主要功能模塊與常規(guī)鉆機(jī)相同，由DES模塊（Drilling Equipment set）、DSM模塊（Drilling Support Module）、PM模塊（Power Module）和P-TANK模塊組成，其立面布置如圖3所示。

圖3 崖城模塊鉆機(jī)立面布置

該模塊鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 平臺(tái)鉆機(jī)主要設(shè)備及參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 DES模塊

DES模塊由下滑移底座、可移動(dòng)的鉆臺(tái)面及井架組成。下滑移底座通過(guò)8個(gè)支點(diǎn)坐落在平臺(tái)頂層甲板的滑軌上方，鉆臺(tái)面通過(guò)8個(gè)支點(diǎn)坐落在下滑移底座的4條滑道梁上。整個(gè)DES模塊沿平臺(tái)的南北方向移動(dòng)，鉆臺(tái)面沿平臺(tái)的東西方向移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)上每一口井的鉆修井作業(yè)。

應(yīng)用SACS軟件分別對(duì)井架、鉆臺(tái)面和下移動(dòng)底座建立有限元模型，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)井位，選用分模型進(jìn)行組合，對(duì)在位和地震2種工況進(jìn)行整體分析［5］。該鉆機(jī)采用小撬塊式的設(shè)計(jì)思路，故需應(yīng)用SACS軟件對(duì)各小撬塊進(jìn)行吊裝分析，確保每個(gè)小撬塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。DES模塊的三維模型如圖4。

圖4 DES模塊三維結(jié)構(gòu)模型

DES模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大名義應(yīng)力比如表2～3。

表2 下滑移結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大名義應(yīng)力比

表3 可移動(dòng)鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大名義應(yīng)力比

2.2 PM模塊

PM模塊位于平臺(tái)頂層甲板西側(cè)，共3層，底層設(shè)有2個(gè)鉆井水箱，中間設(shè)有發(fā)電機(jī)房、空氣壓縮機(jī)房及日用柴油罐房等，頂層設(shè)有VFD房，變壓器間及辦公室等，另外，柴油罐及應(yīng)急發(fā)電機(jī)房直接坐落于甲板上方。

PM模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用SACS軟件建立整體有限元模型，對(duì)在位和地震2種工況進(jìn)行整體分析［5］。PM模塊的三維模型模型如圖5。

圖5 PM模塊三維結(jié)構(gòu)模型

PM模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大名義應(yīng)力比如表4。

表4 PM模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大名義應(yīng)力比

2.3 DSM模塊

DSM模塊位于平臺(tái)甲板東側(cè)，共3層，底層設(shè)有泥漿泵房、泥漿罐、機(jī)油罐等，中層設(shè)有散料堆場(chǎng)、機(jī)修間、工具間等，頂層設(shè)為管子堆場(chǎng)。

DSM模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用SACS軟件建立整體有限元模型，對(duì)在位和地震2種工況進(jìn)行整體分析［5］。DSM模塊的三維模型如圖6。DSM模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大名義應(yīng)力比如表5。

圖6 DSM模塊三維結(jié)構(gòu)模型

表5 DSM模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大名義應(yīng)力比

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

崖城小撬塊、組合式模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合API、AISC、CCS和ABS規(guī)范，同時(shí)借鑒PL19-3組合型鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)型式，其主要特點(diǎn)如下。

1） 鉆機(jī)采用撬塊化設(shè)計(jì)。

由于鉆機(jī)采用平臺(tái)吊機(jī)的吊裝安裝形式，根據(jù)平臺(tái)現(xiàn)有吊機(jī)和新增吊機(jī)的實(shí)際起重能力，需將鉆機(jī)各功能模塊劃分為若干個(gè)小撬塊，每個(gè)小撬塊的質(zhì)量不宜超過(guò)40 t，以滿足吊裝要求。為保證撬塊的質(zhì)量不超過(guò)吊機(jī)的最大吊重，撬塊的分塊方案尤為重要。

2） 鉆機(jī)采用框架式的結(jié)構(gòu)型式。

鉆機(jī)主要采用熱軋H型鋼及空心方管作為主體結(jié)構(gòu)。由于質(zhì)量的限制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需優(yōu)化結(jié)構(gòu)的選材，同時(shí)要保證鉆機(jī)具有足夠的強(qiáng)度，以滿足作業(yè)期間的需求。采用框架結(jié)構(gòu)型式可以有效地降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3） 鉆機(jī)各撬塊的連接形式多樣。

鉆機(jī)采用模塊化的設(shè)計(jì)要求，撬塊之間的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)區(qū)別于常規(guī)鉆機(jī)，即每個(gè)小撬塊之間主要采用銷軸和螺栓2種連接方式。采用這2種連接方式可以快捷、高效地完成現(xiàn)場(chǎng)組裝。

4） 鉆機(jī)海上安裝費(fèi)用低。

鉆機(jī)在海上安裝過(guò)程中采用平臺(tái)吊機(jī)的安裝形式，故不需動(dòng)用大型的浮吊及駁船，僅需要利用較大型的拖輪負(fù)責(zé)運(yùn)輸各撬塊，這樣可以有效地降低海上安裝費(fèi)用。

4 減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量措施

模塊質(zhì)量控制是崖城小撬塊、組合式模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。由于崖城13-1AWA井口平臺(tái)為老平臺(tái)，模塊鉆機(jī)的質(zhì)量受限于平臺(tái)的承載能力，同時(shí)鉆機(jī)采用平臺(tái)吊機(jī)的安裝方式，故對(duì)每個(gè)撬塊的質(zhì)量需要嚴(yán)格地進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)初始階段，根據(jù)提供的平臺(tái)吊機(jī)及新增吊機(jī)的實(shí)際起重能力，對(duì)鉆機(jī)各功能模塊開(kāi)展分塊方案，以確保項(xiàng)目順利實(shí)施。

崖城鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的輕量化措施主要包括：

1） 根據(jù)模塊鉆機(jī)的總體布置要求，對(duì)各撬塊的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行合理的優(yōu)化。盡可能使桿件在各種受力狀態(tài)下都能發(fā)揮較大的作用，結(jié)構(gòu)盡量對(duì)稱。

2） 對(duì)主體結(jié)構(gòu)的選材，為減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量應(yīng)盡量少選用單重較大的寬翼緣H型鋼，在適當(dāng)?shù)奈恢脩?yīng)盡量減小構(gòu)件的規(guī)格。但關(guān)鍵部位（如吊耳，基座，大型設(shè)備及主要節(jié)點(diǎn)等部位）應(yīng)保證具備足夠的強(qiáng)度。

3） 利用X-STEEL三維軟件對(duì)模塊鉆機(jī)建立精確的結(jié)構(gòu)模型，模型盡量做到準(zhǔn)確、完整，以準(zhǔn)確地控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

4） 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，各專業(yè)應(yīng)互相協(xié)作，提供較為準(zhǔn)確的設(shè)備質(zhì)量。如果撬塊的質(zhì)量超出預(yù)期的數(shù)值，將導(dǎo)致項(xiàng)目無(wú)法順利實(shí)施。

5 與常規(guī)鉆機(jī)進(jìn)行對(duì)比

截至目前，海洋石油模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)水平已經(jīng)有了很大的提高，從已經(jīng)服役的各種鉆機(jī)中分析，不難得出，鉆機(jī)主要分為以下2種：

1） 常規(guī)鉆機(jī)。

常規(guī)鉆機(jī)是目前中海油所有海洋模塊鉆機(jī)項(xiàng)目中使用最廣泛的類型。常規(guī)鉆機(jī)各功能模塊部分的劃分非常明確，結(jié)構(gòu)型式獨(dú)立，模塊之間通過(guò)拖鏈、軟管連接，整體性較好。常規(guī)鉆機(jī)往往采用海上整體吊裝，可以減少海上安裝的周期，但因模塊的整體質(zhì)量較大，需動(dòng)用大型浮吊和眾多支持船來(lái)完成海上吊裝作業(yè)，海上安裝費(fèi)用較高。如果需要利用大型浮吊，需要提前鎖定船舶資源。

在這類鉆機(jī)中，以番禺30-1模塊鉆機(jī)、西江23-1模塊鉆機(jī)、旅大5-2模塊鉆機(jī)、渤中28-2南模塊鉆機(jī)、陸豐13-2模塊鉆機(jī)最具代表性。如圖7～10所示。

圖7 旅大5-2模塊鉆機(jī)

圖8 番禺30-1模塊鉆機(jī)

圖9 西江23-1模塊鉆機(jī)

圖10 渤中28-2南模塊鉆機(jī)

2） 小撬塊式、組合型鉆機(jī)。

該鉆機(jī)的主要特點(diǎn)是由多個(gè)小撬塊組裝而成，各小模塊之間通過(guò)銷軸和螺栓等進(jìn)行連接，組成DES、DSM和PM等幾大功能模塊，其結(jié)構(gòu)型式比較緊湊，空間利用率較高。海上安裝時(shí)可利用平臺(tái)吊機(jī)和海上支持船完成海上安裝作業(yè)，無(wú)需動(dòng)用大型浮吊，大幅降低了海上安裝費(fèi)用，但此類鉆機(jī)的安裝周期較長(zhǎng)。此類鉆機(jī)以崖城13-1MPDR模塊鉆機(jī)和蓬萊19-3修井機(jī)最具代表性。如圖11～12。

圖11 崖城13-1模塊鉆機(jī)

圖12 蓬萊19-3修井機(jī)

6 結(jié)語(yǔ)

小撬塊式、組合型鉆機(jī)雖然在建造和安裝階段存在精度控制問(wèn)題，但相對(duì)于常規(guī)鉆機(jī)，它具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如：縮短了模塊建造周期，各撬塊可同時(shí)施工；避免動(dòng)用大型的浮吊，不受船舶資源短缺的影響，進(jìn)而節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)建造時(shí)間并降低了施工成本。此外，該型式鉆機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間的搬遷，滿足重復(fù)利用要求，可以作為今后鉆機(jī)研究的新方向。

［1］馮定，楊志遠(yuǎn)，周魁．輕型可搬遷海洋鉆機(jī)模塊劃分方案研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（2）：46-47．

［2］王洪芳，姚志義，馮少明．組合型鉆修井模塊建造技術(shù)［J］．中國(guó)海上油氣，2010．22（6）：409-412．

［3］王長(zhǎng)軍．崖城PFA小撬塊式模塊鉆機(jī)總體方案設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（1）：61-62．

［4］張建勇，王寧，胡澤剛，等．7000m海洋模塊鉆機(jī)滑軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（6）：30-33．

［5］關(guān)德，劉孔忠．某海洋鉆井井架振動(dòng)測(cè)試及有限元分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（8）：50-54．

Structure Design of Compact Rig Module in Yacheng 13-1PFA

GAO Jian-xin，ZHANG Lin，ZHANG Jin-lei
（Energy Technology&Services-Oilfield Construction Engineering Co．，CNOOC，Tianjin 300452，China）

marine drilling rig；modular assembling；compact module；structure

TE922

A

1001-3482（2014）01-0029-05

2013-07-01

高建新（1982-），男，天津人，工程師，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，E-mail：gaojx＠cnooc．com．cn。

Abstract：The compact offshore rig module in Yancheng 13-1PFA features for its small size modules combined compact with pins and bolts connection．An infinite element analysis was carried out for its DES module，PM module and DSM module．The comparison between the new and conventional ones and conclusion of its structure and feature were carried out as well．The module features for its compact size to be installed with existing lifter to save installation cost and avoiding the dependent of floating lifter．