深水鉆井船鉆井系統設計研究

趙 建 亭

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

鉆井船通常具有自航能力，以及機動性好、停泊簡單、可變載荷大、存儲能力強等優點，特別適用于深水勘探鉆井作業。目前，深水鉆井船通常采用動力定位系統，既有無限航區航行船的特點，又有特定環境條件及海域作業的海洋工程裝備的特點，是“型船”與“鉆機”的完美結合體。

鉆井船的船體結構與普通船類似，常為單船體式，也有雙船體式。鉆井船的“中央月池”開設在船體的中央，處在縱橫搖的搖擺中心附近，中央月池置于此處能將船體的縱搖、橫搖及升沉運動對浮式鉆機的影響減小到最低程度[1,2]。

鉆井系統是深水鉆井船的“任務系統”，也是該型船各個系統的設計基礎；深水浮式鉆井系統的特性要求決定了鉆井船的基本性能及作業方式不同于常規的航行船舶，深水鉆井系統的設計及關鍵系統功能的實現方式決定了鉆井船的船型和主尺度。

1 設計基礎

1.1 基本要求

深水鉆井船鉆井系統設計以最大作業水深及最大鉆井深度為基本要求，可以按照干貨、散貨及液貨這3類物流品處理解決方案展開設計。3類物流品涵蓋的品種、物流方式及所需的物流設備參見表1。

布置在鉆臺上的司鉆房是鉆井系統的控制中樞，把信息、控制、電力和液壓等各個關鍵子系統集成在一起，實現鉆井作業所需的各項功能。

表1 鉆井系統物流品處理解決方案

1.2 設計工況

設計工況可以按兩種情況考慮：一種是確定船體總體性能、結構強度、定位能力及井架與鉆臺結構設計所依據的全局工況，可為表2所示的五種工況[3]；另一種是針對鉆井作業工況下作業流程的每個工序的細分工況。深水鉆井船鉆井系統子系統及船體公用系統的設計均需要針對每個工序的細分工況展開設計，鉆井作業工況至少可以細分為表3所示的工序工況。

表2 鉆井船設計全局工況

表3 鉆井作業工序工況

以上所有設計工況對應的環境條件，除了遷航工況及事故工況在DNV（挪威船級社）及ABS（美國船級社）規范內有相關的推薦要求外，其余的全局工況及工序工況均需要與作業者根據作業海區的環境條件商討確定。例如：ABS要求鉆井船在遷航工況下鉆井及其他設備的配置及拖航固定考慮使用IACS波譜下的北大西洋環境條件；DNV的規范要求鉆井船遷航設計風速不小于36m/s（海面以上10m，1小時風速）；DNV規范對事故工況的設計要求為兩艙破損船體靜傾、事故位置一年一遇的環境條件船體動態運動響應[3～5]。所有工況對應的環境條件均需列入操作手冊內。

1.3 設計載荷

鉆井系統的每個部件都應該按預定的最不利載荷工況進行設計。作用在鉆井系統上，且對其功能、強度和安全可靠有不利影響的所有內外載荷均應加以考慮。對有可能同時作用的各種載荷，應按其可能存在的最不利情況進行組合。作用在鉆井系統部件上的載荷通常包括環境載荷、作業載荷和部件自重等。

1.3.1 環境載荷

環境載荷主要考慮如下幾類：船體運動（升沉、縱搖、橫搖、漂移等）、風載荷、溫度和濕度、冰與雪等。

船體的運動載荷對鉆井系統的影響主要體現在船體傾角及加速度上，在船體主尺度確定好后可以根據不同工況預報出風、浪、流等環境條件下對應的船體傾角和船體某些典型位置的運動加速度等浮體特性數據，此預報數據可作為鉆井系統的設計基礎數據。

風載荷對鉆井系統影響主要考慮處于船體外部、甲板以上的系統及設備（如：井架及井架內設備、管子處理設備等）；船體或房間之內的設備（如泥漿泵、配漿設備等）不受風載影響。

溫度和濕度影響鉆井系統的各個系統，對材料的選取和公用系統的設計影響較大；溫度與濕度的設定要與鉆井船作業區域相適應。

若鉆井船作業于冰、雪區域，各個工況的冰雪載荷需要明確定義。

1.3.2 作業載荷

對船體設計影響較大的作業載荷主要是大鉤載荷、轉盤載荷、立根盒載荷、隔水管張緊載荷等，這幾項也是井架、鉆臺及船體性能、結構等的設計基礎。表4列舉了100%的自重載荷和各工況下的作業載荷。

表4 作業載荷與工況組合

除上表所列的載荷外，鉆井系統吊運設備的作業載荷及工況遵照船級社規范、API-8A及API-2C等規則的安全工作負荷(SWL)的要求。

1.3.3 泥漿密度

泥漿密度是鉆井船泥漿池、管系、離心泵、隔水管等的設計基礎；鉆井船設計需要與業主先行確定此數據。DNV規范規定：若無特別指定，泥漿的密度按2.1t/m3考慮用于泥漿池、隔水管張緊器等的設計[3]；ABS、CCS（中國船級社）等船級社規范中無相關規定。深水鉆井船項目在無業主特別要求的情況下可以初步按照DNV規范推薦值設計。

2 系統構成

鉆井系統是一種浮式鉆井作業系統，按功能定位、作業方式及物流處理方式的不同可以分為六個大功能系統：鉆機系統、補償系統、隔水管系統、泥漿系統、井控系統、輔助系統；每個功能系統包含若干子系統，如圖1所示。

圖1 鉆井系統構成

鉆機系統主要處于主甲板以上、船體艙室外，屬于船舶的上部模塊；是完成深水鉆井作業及相關物流作業的關鍵系統。補償系統及隔水管系統是浮式鉆井所特有的系統，補償系統良好地消除了船體升沉運動對鉆井作業及隔水管張緊力的影響，維持了井底鉆壓的穩定及隔水管張緊力的恒定；隔水管系統為浮動鉆井平臺與井口之間提供流體流動的通道，為節流、壓井和其他管線提供支撐，為鉆井工具進入井內提供導向，為防噴器組的安裝和回收提供服務。

泥漿系統主要處于船體艙室內或者主甲板的圍蔽處所內，為鉆進作業及井控作業提供不同的泥漿體系，是鉆井作業重要的支持系統，也是與船體系統深度融合在一起的系統。井控系統是鉆井作業重要的安全系統，能有效地控制井口，維持井內壓力、防止井噴事故。海底防噴器組及表面防噴器組均可用于深水鉆井船。輔助系統是完成鉆井作業各個系統功能所必需的支持系統。

3 系統設計

鉆井系統設計可以從鉆井作業方式的系統規劃和鉆井設備配置及系統設計兩方面入手，參照圖2的路線圖展開。處于船體以上的鉆機系統及補償系統設計對總體性能、船型及主尺度影響較大；而對于布置在船體艙內的泥漿系統、井控系統及輔助系統等可以根據工藝流程的需求及船體空間的劃分，開展相關系統設計，隔水管系統設計則側重于項目環境條件下的系統設備選型及與船體界面的處理工作。

圖2 鉆井系統設計路線

3.1 鉆機系統

目前能夠適用于深水鉆井船并相對成熟的鉆機系統主要有3種方案：傳統鉆機、液壓鉆機和柱塔鉆機。傳統鉆機以桁架式井架、鉆井絞車起升為特點；新型鉆機（液壓鉆機和柱塔鉆機）突破以上限制，以作業高效、整機重量輕、占地面積小及受風面積少為創新設計方向。傳統深水鉆機在國內首艘深水鉆井平臺“海洋石油 981”上已經成功應用，新型鉆機由于專利特有、標的價格及后期維護成本等各方面的因素在國內還未應用[6]。表5列舉了新型鉆機的特性。

表5 新型鉆機特性

3.2 補償系統

補償系統包含鉆柱運動補償系統與隔水管張緊系統。目前能適用于深水鉆井船的鉆柱運動補償系統主要有天車型、游車型、絞車型、液壓鉆機等4種方案。液壓鉆機特點見表5；其他3型補償系統特點參見表6。

表6 鉆柱運動補償系統特點

隔水管張緊系統主要有鋼絲繩式及直接作用式兩種方案。兩者不同點在于張緊器的布置位置及系統張緊傳遞力的執行方式上，而張緊系統工作的基本原理及主要設備構成基本類似。不同的隔水管張緊系統方案會引起鉆井船的月池區、鉆臺布置不同。適用鉆井船的隔水管張緊系統比較參見表7。

表7 隔水管張緊系統比較

4 系統布置

系統總布置需要遵循“以鉆機系統為中心，從內向外、由上而下”展開布置的設計原則，各個功能模塊按照流程功能要求分區集中布置。鉆井系統的布置區域可以分為“鉆井作業區域”和“鉆井公用區域”兩部分：前者包含井架、鉆臺、月池區、泥漿處理區域等通常可能出現危險氣體的功能區域；后者包含泥漿泵艙、配漿區域、散料區域、固井區域等通常不會出現危險氣體的功能區域。

4.1 總則

系統布置應考慮高潛在風險的設備與低潛在風險者相互隔離；電纜、電纜槽、進排氣管、控制和關斷系統以及安全系統在鉆井作業期間應得到保護，免受損壞；重要設備和設施的位置在設計時應適當考慮吊物一旦墜落時的潛在后果，尤其是與物料及設備吊運有關的設備；甲板和工作區域應布置有污油水及泥漿的有效排泄設施；來自于鉆臺、月池區和試油區等的危險排放物應予以收集并導入專用的污油水柜系統，與非危險區的排放相隔離。擬在船上進行操作、檢查和維護的所有設備均應布置有安全方便的通道。

4.2 鉆臺區

鉆臺應至少設有兩條無障礙直接通向安全區的通道；井架應設有應急脫險設施。司鉆應有清晰的視野，能直接或者借助可靠的輔助可視設備看清鉆臺及井架內的一切作業活動。鉆臺區主要區域應有防滑及防風雨措施，某些區域應能承受241.3mm鉆鋌立根從1.5m高處墜落引起的沖擊載荷；立根盒區域表面應覆蓋防止鉆桿接頭損傷的材料。安裝在井架上的設備和部件應牢靠系固[8]。

4.3 月池區

月池區是鉆機與海底井口連接通道；鉆井船的月池周圍應設置隔離空艙，若經過特殊考慮，此處的隔離空艙也可以由壓載水艙、鉆井水艙代替，但是此類艙應在水泵出后能夠方便人員進入[9]。月池開口盡量降低對船舶的航行性能及結構的影響；月池區的空間及結構要能滿足海底或者表面防噴器組處理方案及隔水管柱收放方案的實現。

4.4 泥漿區

泥漿系統功能區域需要優先考慮各泥漿流程的順利實現，由于船體瘦長、型深大的特點，通常泥漿處理區域處于主甲板以上靠近月池左舷或者右舷的位置，泥漿池及泥漿泵艙位于船體內，以便保證泥漿返流及巖屑排放的斜度要求；散料罐處于船體艙內月池的兩側；配漿區設置在船體內或者主甲板房間內。

5 目標型船

在工信部深水鉆井船開發研究課題的支持下，708研究所在各型深水鉆機系統研究的基礎上，以經濟實用、簡約可靠的傳統鉆機為設計基礎開發了一型緊湊型的目標深水鉆井船（見圖3），并且就此型船對液壓鉆機及柱塔鉆機的替換性、適應性等進行了研究。該型船鉆井系統的主要性能參數見表8。

圖3 目標深水鉆井船概貌

表7 目標深水鉆井船的鉆井系統主要性能參數

目標船型在鉆機系統選型方面采用主動補償絞車及傳統型井架方案，省去井架頂部的鉆柱補償器，盡可能降低井架系統的重量及重心；采用鋼絲繩式隔水管張緊器方案，以降低鉆臺高度及整個鉆機系統的重心。船體內的鉆井系統設計與其他型船相比主要的特點為：1) 突破傳統的泥漿泵艙與泥漿池處于同一層面的設計理念，采用泥漿池位于泥漿泵艙上部的設計理念；泥漿始終保持正壓頭，較好地保證了泥漿泵的吸入性能；2) 突破傳統甲板存放或者深艙內存放隔水管的理念，采用下沉開放式隔水管堆場設計理念；在沒有增加設備的情況下有效地降低了隔水管堆放重心的高度。

6 結 語

鉆井系統設計的國產化是一條勢在必行的道路。海洋工程裝備的國產化，不能僅限于裝備制造，只有掌握了系統設計，才能夠真正有效地控制整個項目的指標及成本。

深水鉆井船的鉆井系統設計主要解決兩大問題，一是按功能要求將鉆井系統設置到船上；二是要處理船體本身的特性對鉆井系統的影響；而鉆井系統自身作業功能理念設計或者更新更需要“船舶”與“鉆井”兩個行業內的人員共同努力，才能逐漸走出一條大型海洋工程裝備完全獨立自主的設計道路。

[1] 周國平. 海洋工程裝備關鍵技術和支撐技術分析[J]. 船舶與海洋工程，2012, (1): 15-20.

[2] 陳 剛，吳曉源. 深水半潛式鉆井平臺的設計和建造研究[J]. 船舶與海洋工程，2012, (1): 9-14.

[3] DNV-OS-E101, Drilling Plant[S]. 2009.

[4] ABS Guide for Building and Classing Drillships[S]. 2011.

[5] DNV-OS-C102, Structure Design of Offshore Ships[S]. 2011.

[6] 晏紹枝，等. 深海半潛式鉆井平臺鉆井系統選型探討[J]. 中國海洋平臺，2010, (6): 42-46.

[7] Vidar Skjelbred. Comparision of the RamRig Versus Conventional Drilling Systems[R]. Houston, Offshore Technology Conference, 1997.

[8] 中國船級社. 鉆井裝置發證指南[M]. 北京：人民交通出版社，2006.

[9] DNV-OS-A101, Safety Principles and Arrangement[S]. 2011.