海洋鉆機質量重心控制的重要性及方法

王安義王維旭張 鵬胡 楠楊秀菊

（1.寶雞石油機械有限責任公司 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心 寶雞721002）

船舶安全與技術管理

海洋鉆機質量重心控制的重要性及方法

王安義1,2王維旭1,2張 鵬1,2胡 楠1,2楊秀菊1,2

（1.寶雞石油機械有限責任公司 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心 寶雞721002）

海洋平臺鉆機質量重心控制對于鉆井平臺設計、建造有著重要的意義，鉆機質量重心控制的好壞直接決定著項目的成功與否。從海洋平臺鉆機質量重心控制的重要性、原則、方法、管理流程等方面進行系統的分析研究，并給出其在半潛式鉆井平臺和輔助鉆井平臺上鉆機設計建造的應用實例。為后續海洋鉆機設計建造提供指導和參考。

海洋鉆機；質量重心；控制；方法

引 言

隨著石油勘探開發由淺海走向深海，對海洋鉆井平臺的設計提出了更高的要求［1］，而鉆機又是海洋鉆井平臺的核心組成部分。鉆機質量重心控制是鉆井平臺設計及建造的重要內容之一。鉆機從基本設計、詳細設計、生產制造再到船廠組裝完成，各個階段都要對鉆機質量重心進行詳細統計和嚴格控制并及時報告，從而在鉆機組裝前提前發現并消除可能出現的有關質量重心的重大問題。目前，國內在海洋平臺鉆機系統設計中對質量重心的控制尚無系統研究［2］，因此總結一套用于海洋鉆井平臺鉆機系統設計的質量重心控制方法及流程具有重要意義。

1 質量重心控制的重要性

鉆機質量重心控制的好壞直接影響鉆井平臺的甲板可變載荷及平臺的穩性，甚至會影響到項目的成功與否。通過選擇較輕設備和優化鉆機結構控制鉆機系統總質量可以增加平臺的可變載荷，減少補給成本，提高持續鉆井能力［3］；通過系統優化設計降低鉆機系統的重心可以提高平臺的抗風載能力以及平臺的穩性。同時，質量重心的控制也決定著海洋鉆機模塊的吊裝設計，一個依據質量重心控制而進行的吊裝設計能明顯提高海洋模塊鉆機安裝作業效率和安全性。

為了更好的進行海洋平臺鉆機質量重心控制，以半潛式鉆井平臺鉆機為例，將其主要系統構成及質量分布如表1。

表1 海洋鉆機主要系統構成及質量t

2 質量重心控制的原則

海洋平臺鉆機質量重心控制可依據下述原則：

（1）合理估算鉆機總質量，并在各系統、專業之間進行合理分配。在各系統、各專業質量統計中，要進行充分的系統調研，準確掌握同樣水深和鉆深能力的鉆井系統質量資料，保證基本設計階段對質量的合理估算，避免出現較大偏差。

（2）在滿足強度、剛度、穩定性的前提下，減輕主結構的質量。在材料訂貨階段，應盡可能選擇規范及國標許可范圍內負公差的板材、型材和管材；在設計階段，采用不同的計算方法，合理設計，減少構件尺寸。

（3）在鉆機系統流程設計過程中，要簡化流程設計，參考相應的標準滿足基本的功能即可。如果沒有相應的參考標準，則盡可能采用最簡單的流程以滿足用戶的要求即可。管路連接方式在滿足系統要求情況下，選擇質量較輕的連接方式。盡可能減少管路接頭，以減少質量。

（4）在滿足基本功能的前提下，通過專業協調，優化管線和電纜走向設計，使管線和電纜走向布置更合理，盡量縮短管線和電纜的布置長度，從而達到質量控制的目的。

（5）在滿足使用要求的前提下，在鋪板、踏板、走道設計時采用玻璃鋼格柵代替鋼板，在允許的管路上采用玻璃鋼管或者其他較輕材質的材料代替鋼管［4］；各種設備支座也盡可能簡潔。

（6）對鉆機系統中大型結構的質量進行重點控制，如井架、鉆臺鋼結構等；同時對大型設備的質量進行重點控制，如鉆井絞車、鉆井泵、頂驅等。

（7）對于鉆機配套的外購設備，在滿足基本功能的前提下，除了可靠的質量外，應盡量選用較輕的設備。同時，在外購協議中把設備質量作為一個重要的技術指標，并規定在超出合同約定質量時的處罰措施，避免設備供應商為提高競爭力而有意低估設備質量。在設備配套方面，盡量把功能相同的設備集成設計為整體撬塊型式，既節約空間又減輕質量，如液壓系統、高低壓空氣系統等。

（8）鉆機配套的外購設備入廠檢驗時需進行稱重［5］，重新確認設備的質量重心。對理論質量超過500 kg的設備進行逐件稱重，對理論質量小于500 kg的批量設備按照30%的比例進行選擇性稱重，但是最少稱重件數不能少于兩件。

（9）項目執行的整個周期定期編制質量控制報告，隨時跟蹤設計、制造階段質量的變化。編制質量控制報告需要有詳細的鉆機系統配套的設備清單、鉆機的結構形式和總布置圖。一般情況下，質量控制報告需要分系統（或分模塊）和專業分別統計質量和重心，并在每一版的質量控制報告中說明質量變化情況和整個質量的變化趨勢。

（10）及時采取減重措施。當質量控制報告顯示鉆機整個質量明顯超出合同規定的質量時，應及時采取整改措施，確保質量控制在允許的范圍內。

3 質量重心控制的方法

（1）鉆機總質量可分子系統或者子模塊（海洋模塊鉆機）進行詳細統計，以便建造方在設計、建造階段對子系統或者子模塊進行有效的質量重心控制。

（2）同時各子系統或者子模塊又按照主結構、舾裝、設備、管系、電氣（電纜和電氣設備及儀表）、空調通風等專業分別進行詳細統計，以便建造方在設計、建造階段對各專業進行有效的質量重心控制。

（3）舾裝專業質量包括除主結構外的附屬結構以及梯子、平臺、欄桿、鋪臺、設備支座等。

（4）設備質量包括設備本身、連接螺栓或銷軸等。

（5）管系專業質量包括各系統和設備間的管路、管夾、管支架、跨接軟管、安裝螺栓等。

（6）電氣專業質量包括電纜、電纜卡、電纜托架、電氣設備、儀表、燈具、安裝螺栓等。

（7）采用三維設計軟件，對主結構、設備進行精確模擬，為其他專業搭建平臺；加強專業間協調，同步開展管系、電氣、空調通風專業三維設計，并通過軟件計算質量重心。

（8）將各子系統或者子模塊（海洋模塊鉆機）質量重心分專業匯總到Excel表格中，基于力和力矩平衡原理，計算出鉆機總的質量重心。

4 質量重心控制的管理流程

質量重心控制工作貫穿于鉆機設計建造的整個過程，涉及到項目管理、設計、采購、建造、組裝調試各個方面，一般分為設計階段、制造階段和現場調試階段。由于涉及的專業領域眾多，影響質量變化因素也多，因此，鉆機的質量控制是一個動態的過程。質量控制管理流程如下頁圖1所示。

對于質量控制管理流程中是否符合合同要求或者是否在可控范圍內，與合同書規定的指標要求或者用戶的要求有很大關系。不同平臺對鉆機質量控制的要求不同，浮式鉆井平臺鉆機質量控制的范圍一般不超出鉆機總重的5%；固定式鉆井平臺或者對于需要安裝模塊鉆機進行鉆修井的生產平臺而言，對質量控制要求更加嚴格，其鉆機質量控制的范圍一般控制在3%以內。

5 質量重心控制的應用

（1）在半潛式鉆井平臺上的應用。鉆機系統作為半潛式鉆井平臺的核心組成部分，嚴格按照海洋平臺鉆機質量重心控制的原則、方法、管理流程編制詳細的質量重心控制報告，最終把鉆機總質量控制在目標范圍內。目標平臺配置雙井架鉆機。在鉆機基本設計階段，為了降低鉆機的重心，可通過將立根盒布置從鉆臺面移到井架外部，底部布置在平臺的下甲板上，其立根的重心可降低15 m以上；同時可采用隔水管立放布置的方式，其底部布置在下甲板上，達到降低隔水管存放區域重心的目的。在進行鉆機底座在平臺上的承載基礎設計時，通過嚴格質量重心計算以及分析軟件的模擬，計算出各個承載基礎的支反力大小，用于指導承載基礎設計。

圖1 質量控制管理流程圖

（2）在輔助鉆井平臺上的應用。輔助鉆井平臺由支持平臺和模塊鉆機組成。模塊鉆機質量重心控制是整個輔助鉆井平臺設計建造的重要內容。在鉆機模塊方案劃分設計時，按照支持平臺主吊機的起吊能力，來確定單個模塊的最大質量，從而確定模塊鉆機子模塊數量，最終把模塊鉆機分為17個子模塊，單個模塊最大質量不超過170 t。在吊裝設計時，根據質量控制報告，提取每個模塊的質量重心，并結合海洋吊裝作業環境，設計子模塊吊裝方案，確定每根鋼絲繩受力大小，選取合適的吊索具。在鉆機滑移系統設計時，根據質量控制報告，提取相應模塊的質量重心，根據力和力矩平衡原理，準確計算滑移操作工況下滑移部分的質量重心，確定頂升油缸支腳處的支反力，從而選取合適的頂升滑移油缸和推移油缸。

6 結 論

（1）海洋平臺鉆機質量重心控制對于海洋鉆井平臺設計、建造具有重要意義，項目的成功與否直接取決于鉆機質量重心控制的好壞。

（2）鉆機質量重心控制工作貫穿于鉆機設計建造的整個過程涉及到項目管理、設計、采購、建造、組裝調試等各個階段，只有每個階段都嚴格按照質量重心控制的原則、方法和管理流程實施，整個質量控制工作才能達到良好效果。

（3）不同平臺對鉆機質量控制的要求不同，鉆機質量控制的范圍最大不超過其總重的5%。鉆機質量越接近目標質量，就越能增大平臺的可變載荷，從而減少補給成本，提高持續鉆井能力。

（4）鉆機質量重心控制可用于指導不同海洋鉆機的總體方案設計、承載基座設計、模塊劃分設計、吊裝設計以及滑移系統選型設計等各個階段。

［1］ 工信部. 海洋工程裝備制造業中長期發展規劃［R］. 2012.

［2］ 朱傳超，李志壘. 海洋工程船舶建造過程中的重量重心控制［J］.中國造船，2013，54（增刊1）：280-283.

［3］ 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，2001.

［4］ 黎理勝，徐文珊，陳萬宏，等. 鈦合金在鋁合金艦船海水管路系統的應用［J］.船舶，2016（3）：27-33.

［5］ 姜偉，孫建軍，何保生，等．GB/T29549.2—2013海上石油固定平臺模塊鉆機 第2部分：建造［M］．中國標準出版社，2013：16．

信息 動態

金海重工與MARIC簽訂20.8萬噸散貨船設計合同

日前，金海重工股份有限公司與中國船舶及海洋設計研究院（MARIC）在上海簽訂了20.8萬噸散貨船設計合同，金海重工首席技術官金起熙和MARIC副院長沈偉平分別代表雙方簽約。金海重工相關領導和MARIC民船部相關同志參加了簽約儀式。

金海重工20.8萬噸散貨船設計是MARIC在之前成功開發的該船船型基礎上的進一步優化，滿足了最新的規范規則要求，特別是最新的結構協調共同規范（H-CSR）要求。通過對全船布置、結構和系統上的優化升級，做到安全性與經濟型兼顧，并積極響應相關環保要求，使MARIC在20.8萬噸散貨船設計上，繼續保持與同類型船在艙容、載重量、油耗、航速等方面的優勢。

該項目是繼2016年30萬噸VLCC項目設計合同后，金海重工與MARIC展開的又一重大項目合作，也是繼MARIC的20.8萬噸綠色節能散貨船在五家船廠開花結果后，再一次獲得船東、船廠的認可和青睞。

金海重工20.8萬噸散貨船設計合同的成功簽約，將進一步鞏固MARIC在大型散貨船型設計領域的領先地位。

Signifi cance and method of control of center of mass for off shore rig

WANG An-yi1,2WANG Wei-xu1,2ZHANG Peng1,2HU Nan1,2YANG Xiu-ju1,2
(1. Baoji Oilfi eld Machinery Co., Ltd., Baoji 721002, China; 2. National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center, Baoji 721002, China)

It is important for the design and construction of the off shore platform drilling rig to control its center of mass, which directly determines the success or failure of the project. This paper carries out the systematic analysis in terms of the importance, principles, methods and management procedures of the control of the center of the mass for the off shore platform rig. It also presents the practical applications in the design and construction of the drilling rig on the semi-submersible drilling platform and the auxiliary drilling platform. It can provide guidance and reference for the design and construction of the off shore platform drilling rig.

off shore rig; center of mass; control; method

U674.38+1，TE951

A

1001-9855（2017）02-0085-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.085

工信部“第七代超深水鉆井平臺（船）創新專項”——“鉆井包集成及部分關鍵設備應用研究”項目（工信部聯裝[2016]24號）。

2016-11-21；

2017-01-03

王安義（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：海洋油氣鉆機開發設計工作。王維旭（1978-），男，碩士，高級工程師。研究方向：石油鉆機開發設計工作。張 鵬（1980-），男，工程師。研究方向：石油鉆機及流程設計開發設計工作。胡 楠（1982-），男，碩士，工程師。研究方向：海洋油氣鉆機開發設計工作。楊秀菊（1983-），女，碩士，工程師。研究方向：石油鉆機開發設計工作。