自升式鉆井平臺電氣系統設計研究

馬德偉

摘 要：在海洋油氣勘探和開發過程中，自升式鉆進平臺作為關鍵設施，在整個資源開采過程中占有重要地位，其中電氣系統設計是平臺自身的重要內容，可保證平臺在惡劣的海洋環境下仍能進行安全作業。以下將從自升式鉆井平臺的主要概述出發，逐步探討電氣系統設計與應用，以期能為海洋勘探從業人員提供借鑒。

關鍵詞：自升式鉆進平臺 電氣系統設計 研究

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（c）-0027-02

在鉆井平臺結構當中，電氣系統作為重要部分，起到了關鍵作用，電氣系統設計的優劣對鉆井平臺自身功能有直接影響，以下將從平臺結構分析入手，逐項研究電氣系統設計。

1 自升式鉆井平臺結構特點和主要功能模塊分析

自升式鉆進平臺常見尺寸包括300英尺、350英尺以及400英尺3種，覆蓋深度在110 m左右以內的海域，鉆井深度通常約為9 000 m以上，目前世界主流自升式鉆井平臺包括美國Le Tourneau公司設計制造的Super系列平臺、新加坡Kfels公司設計的KFELS系列以及我國自主研發設計的JU系列等。從總體架構來看，自升式鉆井平臺屬于一種海上鋼結構體，如圖1所示。主體可分為樁腿、平臺、鉆井裝置3部分，長寬處于60～80 m的范圍，型深在7～10 m的水平內，通常為3條樁腿帶樁靴，樁腿長度通常為130～170 m，鉆井裝置通常位于平臺尾部的鉆臺中，以井架為依托實現海上鉆井作業。

從平臺功能來看，可分為作業、船體以及生活模塊。船體是其他模塊的載體，可被拖航在海上，可實現水上浮態或升出水面后的壓載，保證平臺穩定，并為其他模塊提供動力；作業模塊包括升降平臺、鉆臺滑移以及第三方固井設備等等；生活模塊則為平臺工作人員提供食宿條件，在其首部還建有直升機平臺，便于日常往來和緊急疏散。

2 自升式鉆井平臺電氣系統設計特點

自升式鉆井平臺一直以來均以低壓電制為主，從實際平臺調研以及制造廠家的反饋信息來分析，低壓電制所采用的電纜數量極為龐大，且給電氣系統設計以及敷設帶來較大的難度，從技術層面而言，中壓電制比較適用。自升式鉆井平臺所采用的電氣設備外形、尺寸、重量控制，關系到整個電氣系統的安裝和正常使用。因此在電氣系統設計之初對設備進行選型時，要優先選擇尺寸小、重量輕的設備。

與鉆井相關的測井、固井、完井均屬于專業過程，通常由第三方提供設備并在工程后期完成作業，因此在對鉆井平臺電氣系統進行設計時，需對其進行充分了解，并提供供電和信號接口，其他電氣線纜也是自升式鉆井平臺電氣設計的一大特點，例如耐泥漿電纜、電纜拖鏈等應用，需結合海洋環境以及平臺作業方式進行設計，提高其實用性能。

3 自升式鉆井平臺電氣系統設計與應用

3.1 電站和電力系統

自升式鉆井平臺電站通常由5臺主用發電機以及1臺應急或兼停泊之用的發電機組成，具備自動電站的基本功能。以我國常見的JU系列自升式鉆井平臺為例，以電力符合分析結果為依據，每臺主用發電機功率約在1 545 kW左右，而應急發電機功率約在1 300 kW。由于海洋鉆井電力系統通常直接設計為低壓電制的三相三線對地絕緣系統，因此電氣系統主要有平臺總用、升降和滑移、鉆井所需電力系統三個部分構成，如圖2所示。

鉆井平臺電站容量可根據主要負載率和負載指數，在拖航、升降、起鉆和下鉆、應急操作等不同狀況的負荷作用下分析計算得出，最大負荷通常存在于重載鉆進工序當中，例如海床表層或巖層較為堅固的區域，此時，發電機應根據鉆進需求進行系統設計和配置，要求容量可滿足應急狀態下所有與鉆井作業相關的電氣設備在全部滿負荷條件下的最大功率要求，同時，應急發電裝置可通過應急電源設備，向主電源實行反向供電，滿足在主電源故障時平臺的電力需求。平臺采用的480 V以及600 V三相三線中性點的絕緣系統實質上是作為主要配電系統存在，且三相三線中性點絕緣系統是目前我國海洋鉆井平臺所廣泛使用的電制，可滿足在海洋惡劣環境下的作業需求。

3.2 平臺照明系統設計

照明系統作為鉆井平臺的基本電氣系統，可采用230 V標準電壓作為電力設備的電源等級，在對照明系統進行設計時，需以海工項目所參考的美國API標準進行，應急電源回路設計需根據船級社出臺的應急電源設計標準進行。照明設備選型需滿足船級社標準，任何自帶蓄電池的照明設備設計均需要考慮到平臺作業的危險性，并滿足安全逃生和設備操作區域的照明需求。此外，置于室外的照明燈具需采用防爆類型，航行燈、信號燈、障礙提示燈等國際避碰組織要求安裝的燈具，在設計時需考慮到平臺拖航以及工作狀態下與過往船只發生碰撞的可能，在規劃時應盡量設計得醒目且分散開來。

3.3 平臺升降系統設計

JU平臺升降系統通常以多組電極同時驅動齒輪的方案，在每個樁腿上設計4個弦管，每個弦管上設計5臺電極，共需要60臺電機，保證3個樁腿能同步升降，在平臺正常運行時，升降速度需以0.4～0.6 m/min為設計標準，一旦上升到指定位置后需立即鎖緊，可通過電機自身原理實現這一操作步驟，當升降系統電機斷電時全部電機鎖死，即可實現平臺升降系統自動鎖緊、保持穩固的功能。

3.4 鉆井設備VFD驅動系統設計

在自升式鉆井平臺中，大容量設備是核心設備，當鉆井作業要求其電機速度處于可調范圍時，常規工頻電機此時無法滿足需求，因此需要使用變頻驅動系統，JU平臺的VFD驅動系統則可滿足需求，實現變頻驅動，具體模塊包括蒸餾模塊、直流母排、逆變模塊。可通過行車和天車系統對鉆井絞車進行控制，實現頂驅鉆井作業，當轉矩處于運行的反方向時，所產生的電能可通過電纜反饋至VFD直流母排，直流母排上連接的制動電阻則可消耗能量，保證電氣設備作業安全。

4 結語

無論是何種鉆井平臺設備，均要對電氣系統進行設計研究，厘清設計思路，并對如何配置設備進行分析，總結設計經驗，讓可靠的電氣系統為平臺的正常作業提供保障。

參考文獻

[1] 黃赟，張筠如.自升式鉆井平臺的電氣系統設計[J].船舶工程，2013（S2）：191-193.

[2] 向光宇.自升式鉆井平臺的電氣系統設計[J].四川水泥， 2016（4）：93.