南海7 000 m固定平臺模塊鉆機結構設計概要

楊肖龍，穆　頃，李彥麗，祖　巍，安振武

(中海油能源發展裝備技術有限公司 工程設計研發中心，天津 300452)

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南海7 000 m固定平臺模塊鉆機結構設計概要

楊肖龍，穆頃，李彥麗，祖巍，安振武

(中海油能源發展裝備技術有限公司 工程設計研發中心，天津 300452)

隨著我國南海海域油氣資源的大力開發，固定平臺模塊鉆機的應用越來越廣。由于建造及安裝方式的特殊性，其模塊化程度越來越高。作為模塊鉆機各個系統的支撐體系，在控制質量的前提下，鉆機結構不僅要滿足在位工況強度要求，還要滿足安裝工況強度要求。從南海海域近幾年的固定平臺模塊鉆機設計的經驗出發，對模塊鉆機結構設計進行了系統的總結，對結構設計中比較關注的質量控制、安裝設計等問題進行了對比分析，為模塊鉆機的結構設計提供參考。

模塊鉆機；結構設計；質量控制；安裝設計

海洋固定平臺模塊鉆機是海洋鉆井平臺的重要組成部分，我國海上固定平臺模塊鉆機使用已經有20 a，目前在南海、渤海、東海有多個模塊鉆機投入使用。為了降低鉆井作業成本，在井數達到一定數量之后，通常采用模塊鉆機進行鉆井作業[1]。海上和陸上的石油天然氣鉆井工藝基本相似，所不同的是陸上鉆井設備不受場地限制，布置相對分散，但海上鉆井設備必須集中布置在面積有限的海上平臺上，自然條件十分惡劣，操作工況也十分復雜。這些客觀條件增加了對海洋平臺模塊鉆機結構設計的要求，鉆機的結構布置不僅要能滿足模塊鉆機整個系統工作的安全要求，還要保證各項功能協調有序的運行。

此外，海洋鉆井遠離陸地，建造和安裝資源匱乏。這些特點決定了海洋石油鉆井設備除了必須滿足設計功能的要求外，其模塊化和集成化的程度越來越高，集成化設計大幅縮短了鉆井設備的安裝以及搬遷周期[2]。結構設計不僅要滿足模塊鉆機在位工作時的強度要求，還要滿足復雜的安裝工況下的強度要求，可以說結構設計是一個從建造到安裝再到作業的系統性設計，是模塊鉆機設計的關鍵技術。

1　結構概述

1.1結構形式

模塊鉆機主要包含鉆井設備模塊(Drilling Equipment Set-DES)、鉆井支持模塊(Drilling Support Module-DSM)和灰罐模塊(P-TANK)[3]，圖1為南海某7 000 m模塊鉆機整體概貌。其中，DES又分為鉆臺面和下移動底座兩部分，井架安裝在鉆臺面主梁上，固控系統設計在下移動底座上。DSM主要包括泥漿池、泥漿泵房、電控房、散料間以及管子堆場等設施，為DES模塊鉆機鉆井作業提供支持。灰罐模塊一般作為設備撬塊直接由廠家設計，本文不再做詳細介紹。

圖1　南海某7 000 m模塊鉆機整體概貌

1.2結構特點

模塊鉆機按照功能可以分為起升系統、旋轉系統、循環系統、動力系統、傳動系統、控制系統、支撐系統以及其他輔助系統[4]。圖2為某7 000 m模塊鉆機三維模型圖，左側部分為DES，右側部分為DSM。模塊鉆機各部分結構組成了鉆機的支撐系統，只有合理的結構布置才能最大程度的滿足其他各個系統的安全平穩運行。隨著經驗的積累，近些年南海海域的鉆機趨于標準化，并呈現以下特點[5]。

1)模塊化程度高，結構緊湊，總體布置協調，泥漿罐與鉆井模塊分離，質量分布均勻，平立面層次分明。

2)結構布置靈活，DES模塊通過縱向和橫向雙滑軌來實現各個井口的鉆修井作業。

3)模塊鉆機安裝時的主承重框架與自身結構一體化設計，在滿足安裝工況的前提下，盡可能地使模塊鉆機結構質量最輕化。

《政府會計制度》設置了“待攤費用”“長期待攤費用”“預提費用”會計科目，要求高等學校必須根據權責發生制對相關經濟業務或事項進行待攤和預提處理，如：高等學校支付訂閱報刊雜志的費用，在實際支付時必須借記“待攤費用”，貸記“財政撥款收入”“零余額賬戶用款額度”“銀行存款”，在受益期內的每月月末必須按照受益期限平均攤銷處理，借記“業務活動費用”“單位管理費用”“經營費用”，貸記“待攤費用”。在對該類經濟業務或事項進行會計核算時，高等學校不能再按《高等學校會計制度》根據收付實現制的規定在實際支付資金時記入相關支出科目。

4)輔助部分固定不動，動力系統、控制系統和循環系統大部分布置在鉆機的固定模塊中，與移動部分采用各種方式連接，保證固定與移動模塊之間的連接安全、可靠。

5)模塊鉆機采用自升式套裝井架，井架本體各節為整體結構，減少了連接銷數量，減輕了安裝作業強度，滿足平臺吊機能力和建造場地的要求。

圖2　某7 000 m模塊鉆機三維模型

本文對近幾年南海固定平臺模塊鉆機的主要技術參數進行了匯總，如表1。模塊鉆機的結構形式不僅滿足自身的功能要求，例如要有足夠的能力承受大鉤載荷、泥漿重力、環境載荷等。還要滿足所在平臺的結構形式，例如，DES結構形式受所在組塊滑軌間距以及井口布置影響較大，DSM基座需要布置在組塊甲板主梁上，其結構形式受所在組塊南北向主軸間距影響較大。

表1　南海海域固定平臺模塊鉆機主要技術參數

2　結構設計

2.1結構設計原則

海洋平臺模塊鉆機的結構設計符合API、AISC、ABS、CCS以及中海油企業標準等相應的規范[6]。根據中國南海海域的環境特點，模塊鉆機結構強度、剛度以及穩定性的校核采用工作應力法(API RP 2A WSD)。

結構材料的選取既應符合鉆機功能要求，又應滿足工作環境的要求。考慮到建造與運輸條件的限制，所用的鋼材應盡量選擇符合相關標準的常規產品，例如寬翼緣熱扎H型鋼采用GB/T 1591—2008或者JIS相關標準，常用的中等厚度的鋼板采用GB 712—2011標準，對于主要節點及重要的吊點主板應采用z向性能鋼材，泥漿池圍壁及底板應考慮泥漿的腐蝕等，同時，整個項目中的結構型材種類應盡量少，減少采辦及建造的工作量。

結構總體設計應符合基本的原則：傳力路徑短，材料利用率高，滿足其他專業對結構形式的要求。模塊鉆機結構設計主要采用SACS、ANSYS等軟件對鉆機做有限元計算分析，通過API 2A WSD方法校核，以保證模塊鉆機的強度、剛度以及穩定性，并在設計過程中進行結構優化，通過提升材料的利用率減輕結構自身的質量。其中靜力分析以及地震分析是在位分析，是模塊鉆機結構設計的主要控制工況。圖3為模塊鉆機DES結構在位分析模型，圖4為模塊鉆機DSM結構在位分析模型。

圖3　模塊鉆機DES結構計算模型

圖4　模塊鉆機DSM結構計算模型

2.2結構重力控制

表2　南海海域固定平臺模塊鉆機重力對比　kN

注：結構重力為模塊鉆機支撐結構重，干重力為模塊鉆機結構重力及設備重力，不包含管線、罐體以及泥漿池中液體重力，操作重力為模塊鉆機最大鉤載作業時的總重力。

3　安裝設計

新建的海洋平臺模塊鉆機模塊集成程度很高，主要的原因有2個。

1)便于海上安裝。海上駁船、浮吊資源緊缺，工期緊，費用高，能有效地利用自身技術方案解決安裝資源是現模塊鉆機設計的通用方法。

2)可以大幅地減少海上建造工期。集成度不高，分模塊較多會造成海上施工工作量的增加，而由于海上人員住宿、建造資源稀少、工期的協調困難等各方面原因，會影響整體項目的進程。

從結構上講，模塊鉆機分為DES、DSM以及灰罐3部分模塊，各個模塊之間相互獨立，海上安裝完成后通過管線的硬連接將各個模塊功能串聯進行鉆井作業。表3為上述各個鉆機的安裝方案及安裝資源情況。

通常，模塊鉆機的安裝方案分為3個階段：

1)陸地建造場地滑移或者吊裝裝船，其中限于建造場地的吊裝資源，大模塊一般采用滑移裝船，小模塊采用吊裝裝船。

2)從建造場地裝船后由駁船運輸到海上建造場地。

3)在建造場地通過浮吊吊裝到組塊頂層甲板進行安裝調試。

為了減少海上連接和調試的工作量，縮短海上施工工期，降低施工成本，模塊鉆機也可以與組塊一起采用浮托法進行海上安裝。采用浮托法安裝，模塊鉆機在安裝到組塊上后即可以進行功能調試，調試完成后跟組塊一起海上安裝，可以節省大型浮吊的費用和海上施工工期。

表3　南海海域固定平臺模塊鉆機安裝資源

注：LF7-2和HZ25-8模塊鉆機建造場地在煙臺，平臺組塊建造場地在青島。

綜上所述，模塊鉆機的安裝工況分析包含整個安裝過程的計算分析，包括裝船計算、拖航計算以及吊裝計算，如果模塊鉆機采用浮托法安裝還應對鉆機隨組塊整體托航的校核計算。表4為南海海域多個固定平臺模塊鉆機的吊裝數據，其中LF7-2模塊鉆機和HZ25-8模塊鉆機采用浮托法安裝，無海上吊裝方案。

海上吊裝設計要切合實際，要充分考慮吊裝時模塊的晃動、就位誤差以及吊點偏心等因素的影響。根據規范要求，在進行海上吊裝分析計算時動力系數分別取1.35/2.0倍，并考慮吊點偏心的影響，圖5為DES吊裝分析模型。對吊點處的主耳板需要按照AISC等相關規范做詳細的有限元計算或者手工強度校核。對于DES的整體吊裝，由于吊耳主板與滑軌結構形式的特殊性，要增加輔助吊桿來承受吊裝時的側向力，如圖5所示。

圖5　DES吊裝分析模型

模塊鉆機LF13-2PY4-2/5-1PY34-1EP24-2XJ24-3吊裝質量/t785870864882880DES吊點高度/m80.082.081.076.075.5最大吊繩力/kN53365891641959486021吊裝質量/t12661228135713141383DSM吊點高度/m72.078.080.070.072.5最大吊繩力/kN83537909950085129570

注：表格中最大吊繩力是在2.0倍動力系數下計算數據。

4　結語

本文針對南海海域的環境特點，結合近幾年已建海洋固定平臺模塊鉆機的結構設計經驗，從結構特點、質量控制、安裝分析等方面對海洋固定平臺模塊鉆機的結構設計進行了系統的總結，并對結構設計中的主要技術參數進行了對比匯總，為深水油氣田海洋固定平臺模塊鉆機的結構設計提供了寶貴的設計經驗。

[1]關德.東海油氣田鉆井設備配置及適用性分析[J].石油礦場機械，2012，41(7)：88-92.

[2]馮定，唐海雄，周魁，等.模塊鉆機的現狀及發展趨勢[J].石油機械，2008，36(9)：143-147.

[3]王長軍.崖城PFA小撬塊組合式模塊鉆機總體方案設計[J].石油礦場機械，2011，40(1)：60-62.

[4]安國亭，盧佩瓊.海洋石油開發工藝與設備[M].天津：天津大學出版社，1998.

[5]徐田甜，張建勇，王 寧.西江23-1油田海洋模塊鉆機結構設計[J].船舶，2006(5)：26-32.

[6]中國船級社.海上固定平臺入級與建造規范[M].北京：人民交通出版社，1992.

Structural Design Brief for 7 000 m Modular Drilling Rig of Fixed Platform in the South China Sea

YANG Xiaolong，MU Qing，LI Yanli，ZU Wei，AN Zhenwu

(CNOOC EnerTech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China)

As the development of oil and gas resources in the South China Sea，the fixed platform Modular Drilling Rig (MDR) was used more and more widely，and the modularity degree will be higher and higher for its special way of construction and installation.As the support structure of MDR，it must meet the strengthen requirements under in-place and installation conditions on the premise of weight control.The structural design of MDR is systematically summarized based on the design experience the MDR in service in the South China Sea past ten years，and comparative analysis for the weight control and installation design in the design process is made，which provide significant references for MDR structural design of Offshore Fixed Platform.

modular drilling rig；structural design；weight control；installation design

1001-3482(2016)05-0097-06

2015-11-20

楊肖龍(1985-)，男，河北石家莊人，工程師，碩士，主要從事海洋工程結構設計工作，E-mail：yangxl11 @cnooc.com.cn。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.021