自安裝式鉆機結構模塊化技術研究

陳 實 鄧 欣 陳田輝 李清明

（湛江南海西部石油勘察設計有限公司 湛江524057）

自安裝式鉆機結構模塊化技術研究

陳 實 鄧 欣 陳田輝 李清明

（湛江南海西部石油勘察設計有限公司 湛江524057）

在大型海上浮吊資源緊張的情況下，研究、設計出一種獨特的鉆機結構型式，使整臺鉆機僅借助于小噸位平臺吊機就能順利完成其海上自安裝的過程。基于整體吊裝的大模塊鉆機的結構型式，根據工藝流程、設備布置等原則對大模塊進行“化整為零”式的拆分設計，拆分后的每一個模塊都要滿足結構強度、吊裝能力限制以及小模塊之間的連接強度的要求。崖城PFA鉆機就采用這種小模塊化的設計方法，規避了因浮吊資源緊張帶來的項目實施風險，順利完成了該鉆機的海上自安裝。

小模塊化結構設計；GAP單元；連接強度設計；吊耳設計

引 言

崖城PFA項目7 000 m模塊化鉆機的自主設計及建造屬國內首次。為減少對緊缺大型海上安裝船舶的依賴，該模塊鉆機的所有海上安裝工作依靠新增的兩臺吊機完成。通過項目各方的共同努力，本項目的模塊鉆機按計劃順利地安裝在崖城13-1氣田AWA平臺上，并投入到后期的鉆井作業中。

為實現模塊鉆機的快速自安裝，該項目在總體規劃、結構連接設計、海上運輸及海上安裝等方面應用和采取了大量的技術創新。這些技術創新為整個項目的順利實施提供了保障，使整個項目順利完成。該項目的創新對今后模塊鉆機的發展具有指導意義，使鉆機模塊的安裝不依賴于大型海上安裝船舶，同時為模塊鉆機的搬遷和再利用創造了良好條件。

1 模塊鉆機需求背景

崖城13-1氣田位于南中國海鶯歌海盆地，距海南省三亞市約100 km。該氣田于1996年正式投產，早期僅有6口生產井。在中方接替英國石油公司（BP）在崖城13-1氣田的作業后，特成立了中海石油（中國）有限公司崖城作業公司（以下簡稱“YOC”）對崖城13-1氣田進行管理。香港中華電力公司是崖城13-1氣田的最大用戶，該公司在2007年初向YOC提出，要求崖城13-1氣田向其下游電廠增加供氣量，即所謂的加速提氣，但條件是YOC必須通過鉆井證實崖城13-1氣田的地質儲量足以保證按雙方約定的最低供氣量連接供氣至2015年底。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協議。

根據國際、國內鉆井船特別緊張的實際情況，YOC決定建造一座由小模塊組裝而成的平臺鉆機（以下簡稱“模塊鉆機”）取代常規的鉆井船或鉆井模塊在AWA平臺進行鉆、完井。該模塊鉆機將采用自安裝方法安裝至崖城13-1氣田AWA平臺頂層甲板上用于該平臺上4口生產井的鉆、完井作業和數口現有生產井的修井作業。該模塊鉆機具有7000米鉆井能力的典型平臺鉆機，設計、制造成基本自持、基本不依賴AWA平臺或崖城13-1氣田生產設施上的公用系統，則設計、制造成由較多模塊組裝而成的鉆機模塊。

2 崖城PFA模塊鉆機結構布局設計

崖城PFA模塊鉆機安裝在崖城13-1氣田AWA井口平臺頂層甲板上，依據鉆井工藝流程、設備布置方案、海上運輸的外型尺寸與吊裝能力限制等原則,自西向東，分別布置動力模塊、散料儲存橇、鉆井設備模塊、鉆井支持模塊為主的大小共136個分模塊［1］（圖1）。

動力模塊主要包括發電機、應急發電機、柴油罐、鉆井水罐、空壓機橇、VFD房以及配電室等，保障作業期間的電力供應。

鉆井設備模塊主要包括滑動基座、固控設備、泥漿儲存池、鉆臺和井架等。滑動基座由平臺上甲板的兩條滑軌支撐，使整個鉆井設備模塊能作南北方向移動。鉆臺和井架由滑動基座支撐，使其能在滑動基座上作東西方向移動。這樣鉆機就能覆蓋南北向的5排和東西向的3排，共計15口井。

鉆井支持模塊主要包括高壓泥漿泵、泥漿儲存、混合及相關系統、管子堆場等，它與鉆井設備模塊之間采用拖鏈連接，為管線、電纜提供通道。新增的兩臺吊機的最終位置也位于該模塊。

散料儲存罐為鉆井過程提供重晶石粉、膨潤土粉和水泥灰。

圖1 崖城PFA模塊鉆機總體布置方案

3 小模塊化結構設計

結構設計是該項目的重點和難點，由于國內海洋工程界尚無此先例，因此結構設計者們立足于經典的力學理論，開拓思維、自主創新，高質量地完成了結構設計工作，并創造了架空設計、GAP單元虛擬連接技術、剛性連接設計等關鍵設計技術，保證了項目的順利實施。

3.1 模塊間的連接模擬［2］

崖城PFA模塊鉆機的結構設計與常規的海洋平臺模塊鉆機不同，崖城PFA模塊鉆機由數個結構小模塊堆疊而成，模塊之間用銷軸連接。要應用海洋平臺結構設計軟件SACS來計算，每個模塊之間要模擬成鉸接，需在模塊之間建立虛擬桿件，釋放其端頭彎矩，使這些虛擬桿件只傳遞模塊之間的力，而不傳遞彎矩，這樣才符合銷軸連接的實際情況。

如果垂直疊放的兩個模塊之間沒有焊接，僅采用螺栓或銷軸連接，那么要在適當的位置建立虛擬傳力桿，一般設置在立柱和主梁端點之間。如果該位置沒有真實的銷軸存在，則該位置的虛擬構件應模擬成只承受壓力的GAP單元（見圖2）。

圖2 結構GAP單元原理圖

采用單元荷載與荷載因子的相互聯系來假定非線性GAP單元。對于任何一個輸出工況，GAP單元中的總力可分為初始單元力以及單元之間的荷載/荷載因子的相互關系，如式（1）所示：

假設GAP單元中的總力為0，以抵消子單元之間的相互作用。因此，對于單個子單元有：

上式以矩陣形式表示為：

即：｛P｝=-［A］-1｛Fo｝

采用GAP單元來模擬疊放結構之間的傳力，能較準確地模擬模塊鉆機的整體結構受力情況。

3.2 框架式吊機底座的設計［3］

普通的海洋平臺吊機通常采用立柱式底座，與平臺一起整體建造。由于本項目需要添加兩臺分塊式吊機，以滿足海上安裝的吊重限制，又因為安裝順序的需要，因此，吊機在臨時位置采用了兩條高2 m的組合梁作為支撐底座，而在永久位置采用兩條高2.2 m的組合梁作為支撐底座。吊機的上下底座均采用框架式底座的設計。

采用ANSYS有限元分析軟件，對吊機各方向操作荷載與風力荷載進行分析，確保吊機框架式底座的結構強度。底座模塊與平臺頂層甲板采用M42高強度螺栓連接設計，螺栓的強度滿足其設計軸向荷載的要求。該設計可有效提高底座的強度和剛度，最大限度解決吊機底座在較大集中荷載作用下的強度和吊機頂部的水平位移問題。根據結構的受力特點，使用拼接組合梁，以達到合理利用材料、減重的目的；同時通過大量的整體與局部計算，以保障吊機操作的結構安全性。

圖3 框架式吊機底座結構設計方案

3.3 模塊剛性連接設計［4］

為方便海上安裝，崖城PFA模塊鉆機各分塊結構之間采用高強度螺栓或銷軸的連接，并確保這些連接構件具有足夠的強度，以維持整個模塊的剛度與結構可靠性。

3.3.1 鉆井水罐模塊剛性連接設計

由于崖城原AWA平臺頂層甲板西側是整片鋪板，并由小梁搭接在主梁上來支撐，為使該處動力模塊的荷載都合理傳遞至平臺大梁，因此，采用了剛度較大的型高2 m的工字梁作為動力模塊的底座。利用其剛度較大且不易變形的特點，使荷載傳遞到平臺主梁而不易造成小梁彎曲破壞。此外，該型高2 m的工字梁也作鉆井水罐的罐壁，使模塊布置更加緊湊、合理。

南北各有一個鉆井水罐，之間的大梁采用螺栓剛性連接，從而保證型高2 m的工字梁剛度的連續性。同時兩個水罐直接放置在平臺甲板上，最大限度減少平臺改造的工作。鉆井水罐間的連接如圖4所示。

3.3.2 轉盤模塊銷軸連接設計

鉆臺的轉盤分模塊是直接承受鉆井荷載的結構，它與鉆臺基座模塊之間采用銷軸連接，如圖5所示。銷軸連接虛擬桿件的受力情況見表1。

圖4 鉆井水罐剛性連接設計圖

圖5 轉盤模塊銷軸連接設計圖

表1 銷軸連接虛擬桿件極端受力情況

銷軸直徑100 mm，材料 42 CrMo、σs≥930 MPa、σb≥ 1 080 MPa，簡要計算過程如下：

● 步驟1

銷軸截面面積Ap=πR2=3.14×52=78.5 cm2承受的剪應力

規范容許的剪應力

Fp=2×0.4σsAp=2×0.4×93×78.5=5 480 kN

因 fp＜Fp，故滿足規范要求。

● 步驟2

連接鋼板強度校核：

剪應力校核：fh1= fh2= fp=1 326 kN

彎曲應力校核：ph1= ph2= fp=1 326 kN

雙連接板側容許剪應力：雙連接板側容許彎曲應力：

Ph1=2×0.9σsAp1=2×0.9×35.5×10×5=3 195 kN

因fh1＜Fh1，ph1＜Ph1，故滿足規范要求。

● 步驟3

單連接板側容許剪應力：

單連接板側容許彎曲應力：

因fh2＜Fh2，ph2＜Ph2，故滿足規范要求。

● 步驟4

連接板截面強度設計要求：

面積A=693 cm2

平面內抗彎慣性矩Iyy=1 109 375 cm4

平面外抗彎慣性矩Izz=1 444 cm4

軸向壓應力：

fa=511.4 / 693=0.74 kN/cm2

fa/0.6Fy+fby/0.66Fy=1.21/21.3 +0.74/23.43 = 0.53＜1.0，故組合應力校核滿足規范要求。

剪應力校核：

V=sqrt(Fy2+Fz2)=237.08 kN

τ=237.08/67.50=3.51 kN/cm2＜0.4×35.5 =14.2 kN/cm2，滿足規范要求。

3.4 鉆井支持模塊的架空設計

鉆井支持模塊下方與原平臺的連接采用架空設計，模塊下方兩條高2.2 m的大梁和兩條高2 m的大梁通過支墩連接到原平臺的大梁上。使整個模塊的受力合理傳遞到大梁上，保證了平臺東側的小梁安全及整體結構安全。

圖6 鉆井支持模塊架空設計方案

鉆井支撐模塊上的設備荷載、堆管場荷載等等，均簡化為點荷載或均布荷載施加在大梁上，并校核大梁端部截面在拉彎或壓彎狀態下的應力應變情況。并保證大梁的截面強度能夠滿足美國鋼結構設計規范AISC所規定的抵抗翼緣失穩、腹板失穩、扭轉失穩等各種校核條件。

對于原平臺甲板大梁的理論計算，同樣采用簡支梁來模擬，在組塊立柱的位置設置絞支座，假設甲板小梁承受了部分彎矩，根據鉆井支撐模塊實際產生的荷載進行組塊大梁的校核。

3.5 小模塊吊耳設計［5-6］

除了保證大梁與立柱的結構安全之外，還存在許多精心的細節設計。由于每個模塊都必須在海上完成吊裝作業，模塊吊耳的設計尤為重要。由于每個模塊的重心位置不一，使吊耳主板方向不能平行于吊繩。另外，模塊之間的銷軸的存在，以及模塊上表面無法安置吊耳這個限制條件，給吊耳的合理布置造成一定難度。經過詳細計算，較重模塊（＞30 t）的吊耳都布置在模塊的外側，在其內側特別設計了承力梁來抵御吊裝時產生的扭矩。在吊耳布置受限的狹小空間特別設置了活動蓋板，方便吊裝時卸扣的拆裝。

同時，為了保證吊裝的平穩，對各模塊的重心進行精確統計，結合各模塊上的吊耳位置確定4根吊繩每一根的長度。通過精確控制和計算，最終保證了吊裝的安全順利進行。

4 結 論

崖城PFA自安裝式模塊鉆機的成功實踐，是國內第一個不依靠海上大型安裝船舶成功實現海上安裝的模塊鉆機項目。本項目的結構設計技術創新是項目成功的保障，也是貫穿整個項目的思路。

本項目創造性完成國內第一次小模塊鉆機結構設計，并成功通過勞氏船級社的第三方審查，也取得了一系列的結構設計成果與技術創新；在成為海洋工程界典范的同時，也為小模塊鉆機的健康發展鋪平道路。

［1］《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程平臺結構設計［M］.北京：石油工業出版社，2007．

［2］ ENGINEERING DYNAMIC INC. SACS Manual［M］. USA［s.n.］, 2002．

［3］ API SPEC 2C 6th edition. Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes ［S］. American Petroleum Institute, 2004.

［4］ API RP 2A 21st edition. Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress design ［S］. American Petroleum Institute, 2005.

［5］ Manual of STEEL CONSTRUCTION Allowable Stress Design ［S］. American Institute of Steel Construction, 1989.

［6］ 陳紹蕃.鋼結構設計原理［M］.北京：科學出版社，2005．

Research of structural modular design for self-installed drilling rig

CHEN Shi DENG Xin CHEN Tian-hui LI Qing-ming
(NHWOC Zhanjiang Survey and Design Co., Ltd., Zhanjiang 524057, China)

Owing to a lack of floating crane resource, a special structural configuration of drilling rigs has been researched and designed to complete the successful self-installation of the whole drilling rig with platform crane of small tonnage. Based on the structural configuration of the modular drilling rig which can be lifted entirely, the whole modular is decomposed into parts according to the principle of process flow, equipment layout, etc. Each part should meet the structural strength requirement, limitation of lifting capacity and connecting the strength among small modular. YOC PFA drilling rig adopts this small modular design method to avoid the risk of project execution due to a lack of floating crane resource, and is successfully self-installed on the sea.

small modular structural design; GAP element; connector strength design; lifting padeye design

TE922

A

1001-9855（2014）02-0039-06

2013-06-27；

2013-08-06

陳 實（1982-），男，工程師，從事海洋工程結構物設計與評估。鄧 欣（1975-），男，高級工程師，從事海洋工程設計與評估。陳田輝（1980-），男，工程師，從事海洋工程設計與評估。李清明（1983-），男，工程師，從事海洋工程設計與評估。