自升式鉆井平臺海水系統優化設計

王兆強，高金軍

（上海外高橋造船海洋工程設計有限公司，上海 200137）

0 引 言

在能源需求與日俱增的今天，海洋油氣資源的開發日益引人注目。海洋油氣資源的鉆探、開發及生產專用裝備已成為能源開發中的關鍵裝備，需求量也呈大幅度上升。在用于海洋石油開發的各種海洋平臺及其他海洋構筑物中，自升式平臺較適合于淺海區域，具有耗用鋼材少、造價低、水上完井、在多種海況下幾乎都能持續作業和效率高等優點。它在國內外海洋勘探和開發中，特別是在近海海洋石油開發中發揮了巨大的作用，成為目前應用最為廣泛的移動式鉆井設施[1]。自建造于 1950年的第一座自升式鉆井平臺“DeLong 1”號起，經歷半個多世紀的發展，自升式鉆井平臺在工作水深、抗風暴能力、可變載荷、鉆井能力和操作性能等方面取得了巨大進步[2,3]。

JU2000E型自升式鉆井平臺相對于傳統的船舶來講，海水管路系統繁復，設備布置分散且空間狹小，各設備對海水的需求量差異較大，且工況復雜，船舶設計中常用的算法已很難滿足海工產品的設計需求。運用計算機軟件模擬管網流體的工況，優化管網設計已成為海工產品設計的重要途徑。

1 自升式鉆井平臺海水系統

海水系統是自升式平臺上一切海水用戶的水源，針對不同工況，海水系統的水源也不同。當平臺處于漂浮狀態時，海水系統從左右海底門吸水，供艙底掃艙、消防、鉆井水系統等用水；當平臺進行預壓載時，海水由預壓載潛水泵供給；當平臺處于升起狀態時，由 3臺海水深潛泵供水，每臺深潛泵額定排量為500m3/h，壓頭為60m。

海水環管的供水用戶：泥漿池、艙底掃艙系統、消防水系統、水噴淋系統、鉆井水系統、冷藏機組、泥漿泵用戶、造水機、低壓泥漿混合處理系統、冷水機組、中央冷卻器、庫管員柜機、電氣設備間柜機、鉆井剎車電阻、懸臂梁和鉆臺用戶等。

懸臂梁和鉆臺用戶的海水由海水環管經一6英寸軟管供給，懸臂梁上的海水用戶主要有：振動篩排砂槽沖洗、固井裝置、沖洗離心機排渣管、泥漿處理室、沖洗泥漿返回槽、刮泥器排海槽沖洗等，另外懸臂梁上套管張力器液壓動力單元是從懸臂梁增壓泵后取水；鉆臺上的鉆井絞車剎車冷卻單元海水用戶的供水是通過懸臂梁增壓泵增壓后經一4英寸軟管供給。

海水系統的用戶繁多，分布廣泛，高度差距大，流量分配復雜。由于在漂浮和預壓載工況時懸臂梁和鉆臺等高處的海水用戶不需供給海水，系統設計時主要考慮在平臺升起后各工況下海水系統的工作能力。根據生產設計放樣，驗證海水系統的初期設計，提出優化改進方案。

2 建 模

AFT Fathom 8.0可以模擬不可壓縮管網系統、開式和閉式系統、壓力變化、傳熱和能量平衡系統等。采用AFT Fathom 8.0對不同工況下海水管網中海水分配情況進行仿真。首先對整個海水系統建模，AFT模型中各設備、管路、閥附件等的位置數據、材料參數、管系附件尺寸等均來自自升式鉆井平臺的Tribon模型，AFT模型中包括了管路阻力參數、彎頭閥附件等的局部阻力參數等。模型中各泵的曲線、海水用戶設備阻力等參數取生產廠提供的資料。整個海水系統建模布局見圖1。

圖1 海水系統AFT模型布局

3 初期設計計算分析

根據平臺的工作需求，在初期設計時對平臺的工況分類見表1。

表1 初期設計方案時工況分類

按照初期設計方案，對海水系統進行建模，模型運行后發現鉆井剎車電阻、冷水機組、中央冷卻器等海水用戶的海水流量嚴重超出額定流量，深潛泵工況嚴重偏離額定工況點，進而造成懸臂梁等高處的海水用戶壓力和流量不足。為了使各海水用戶的海水流量能接近額定流量，特在模型中懸臂梁以下主要海水用戶前增加流量控制閥，各流量控制閥的流量設定值按照設備額定工況下流量進行設定，各值如下：

中央冷卻器（通道1）：240m3/h；中央冷卻器（通道2）：140m3/h；冷水機組（2臺）：360m3/h；鉆井剎車電阻（1&2）：60m3/h；鉆井剎車電阻（3&4）：60m3/h；造水機：120m3/h；

增加流量控制閥后運行模型得到各工況下懸臂梁軟管接頭處的絕對壓力見表2。

表2 各工況下懸臂梁軟管接頭的絕對壓力 單位：MPa

初期設計方案計算結果分析：

1) 由于鉆臺絞車剎車高度約33m，而懸臂梁軟管接頭處的高度約16m，所以由“各工況下懸臂梁軟管接頭的絕對壓力”可知在各工況下都需要啟動懸臂梁增壓泵；

2) 在19.81m氣隙時鉆表層井工況和固井工況，海水系統能滿足各海水用戶的水量需求；

3) 在33.5m氣隙時鉆表層井工況，海水系統基本能滿足各海水用戶的水量需求，但海水無法到達“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”處，需要將“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”接至懸臂梁增壓泵后；

4) 在19.81m氣隙時鉆井工況二，海水無法到達“沖洗高速離心機排渣管雜用”、“沖洗中速離心機排渣管雜用”、“振動篩排砂槽沖洗”和“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”；且中央冷卻器海水流量不足；

5) 在 33.5m氣隙時鉆井工況三，海水無法到達“沖洗高速離心機排渣管雜用”、“沖洗中速離心機排渣管雜用”、“振動篩排砂槽沖洗”和“刮泥器排海槽沖洗 GUMBO”；且中央冷卻器、冷水機組、冷藏機組、造水機等海水流量不足；

6) 在 19.81m氣隙時鉆井工況七，海水無法到達“刮泥器排海槽沖洗 GUMBO”；且“沖洗高速離心機排渣管雜用”、“沖洗中速離心機排渣管雜用”、“振動篩排砂槽沖洗”海水流量不足；

7) 在 33.5m氣隙時鉆井工況八，海水無法到達“沖洗高速離心機排渣管雜用”、“沖洗中速離心機排渣管雜用”、“振動篩排砂槽沖洗”和“刮泥器排海槽沖洗 GUMBO”；且中央冷卻器、冷水機組、冷藏機組、造水機等海水流量不足。

4 系統優化后的仿真計算

由初步設計方案計算結果可知海水系統還需進行優化設計，故將“刮泥器排海槽沖洗GUMBO”接至懸臂梁增壓泵后，冷水機組流量按照138m3/h進行計算。系統優化后的工況分類見表3。

表3 系統優化設計后的工況分類

由于在初期設計方案計算時，為了控制海水用戶的海水流量在模型中使用流量控制閥對模型進行理想化處理，但實際系統中不安裝流量控制閥，而采用節流孔板，所以需要計算出各海水用戶處節流孔板的孔徑。

通過計算和選型得出各節流孔板的孔徑見表4。

表4 海水用戶各節流孔板的孔徑 單位：mm

對海水系統優化后的方案進行建模，并用節流孔板替換模型中的流量控制閥，運行優化后的系統模型，計算結果見表5。

表5 海水系統優化后各海水用戶在各工況下的海水流量 單位：m3/h

由運算結果可知，海水系統優化后的設計方案能滿足各工況下海水用戶的需求（氣隙33.5m時試油應開3臺深潛泵），海水系統流量分配合理。

5 結 語

海水系統作為自升式鉆井平臺的最大且最重要的系統之一，管網結構復雜，設備種類多，流量需求差異大，工況種類多，采用專業的計算機軟件對管網進行流體分析是系統優化的最好方法之一。軟件模擬分析可以在前期就對系統進行精確的計算分析，找出設計的不足之處，對設計方案進行優化，并可對優化后的設計方案進行驗證，減少了后期的修改，降低系統的建造成本。計算軟件可以模擬不同工況下設備、管線的運作情況，可以在方案設計、設備的精確選型、增強系統穩定性等方面帶來較好的經濟效益，同時能夠提高設計效率、縮短調試周期、節約工程成本。

[1] 馬志良，羅德濤. 近海移動式平臺[M]. 北京：海洋出版社，1993.

[2] 陳 宏，李春祥. 自升式鉆井平臺的發展綜述[J]. 中國海洋平臺，2007,22（6）：1～6.

[3] 張用德，袁學強. 我國海洋鉆井平臺發展現狀與趨勢[J]. 石油礦場機械，2008,37（9）：14～17.