超深水海洋鉆機管柱處理系統配置和布局研究

王安義 胡 楠 楊秀菊 劉遠波 趙 鵬

（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）

超深水海洋鉆機管柱處理系統配置和布局研究

王安義1,2胡 楠1,2楊秀菊1,2劉遠波1,2趙 鵬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）

管柱處理系統設計是海洋平臺鉆機設計的重要部分，對提高鉆井效率、降低操作人員勞動強度、節約鉆井成本具有很大意義。該文針對第七代半潛式鉆井平臺目標任務按管柱類型不同將管柱處理系統分為鉆桿/套管、隔水管處理系統，并根據各自的作業特點，結合作業工藝進行設備配置和布局研究，分析布置方案對平臺鉆井作業的影響，提出一種雙井架海洋鉆機管柱處理系統設備配置和布局方案，可為雙井口海洋鉆機及其管柱自動化處理系統工程設計提供參考。

雙井架；鉆機；鉆桿；套管；隔水管

引 言

深水半潛式鉆井平臺已發展到第七代，典型指標為最大作業水深3660m，鉆深15250m。第七代半潛式鉆井平臺系統配置方面重要特征是配置雙井架鉆機，鉆機自動化程度高，而管柱處理系統的機械化、自動化水平直接決定了鉆機自動化水平，影響著平臺鉆井作業效率。近幾年，國內針對浮式平臺鉆機管柱處理系統的設備進行過一些研究［1-5］，包括抓管吊機、柱式排管機、貓道機等并鍵設備以及單井架鉆機管柱處理系統等，但是對雙井架鉆機管柱自動化/機械化處理流程及設備配套和布局研究甚少。因此，開展第七代半潛式鉆井平臺雙井架鉆機進行管柱自動化/機械化處理系統配置和布局研究對提高海洋鉆井作業效率、節約鉆井成本以及降低工人勞動強度具有重要意義。

雙井架鉆機作業工藝的特殊性對管柱處理系統配置及布局提出更高的要求。雙井架鉆機可以并行組裝和拆卸井下組件、鉆具和管子立根，還可以在鉆表層時下放套管、隔水管及水下防噴器等［6］，其中一個井口在鉆柱下放、回收工具時，另一井口可進行組裝、拆卸鉆桿；或者一個井口在鉆表層時，另外一個井口可下放隔水管及水下防噴器等。

1 管柱處理系統概述

結合鉆井所需管柱的類型，可將管柱處理系統分為鉆柱處理系統（又稱“鉆桿/套管處理系統”）和隔水管處理系統。鉆柱處理系統可進行鉆桿/套管由管子堆場至鉆臺面的傳遞，組裝立根及立根傳送、上卸扣操作，從而實現鉆柱的機械化、自動化操作。隔水管處理系統可進行隔水管由甲板至井口的傳送，完成組裝隔水管立根以及隔水管柱下放、回收作業。不同管柱處理系統配置不同設備，在雙井架鉆機布局中充分考慮處理設備的特點進行統籌規劃。

2 管柱處理系統設備配置

2.1 鉆柱處理系統

鉆柱處理系統的處理工藝為：抓管吊機將鉆桿/套管從管子堆場抓放至水平貓道機，水平貓道機將鉆桿/套管輸送至鉆臺面，井架內側的鉆桿提升機完成單根鉆柱的水平到垂直狀態提升，低位導向臂配合，將單根鉆柱放入井口；然后液壓卡瓦夾持住鉆柱，提升機夾持頭松開并回位進行第2根鉆柱處理，通過低位導向臂、液壓卡瓦、井口鐵鉆工、頂驅與第1根鉆柱進行連接；同樣動作處理第3根鉆柱，完成一個立根的建立，然后通過鉆桿滑道、低位導向臂、柱式排管機將連接好的立根排放至立根盒和氣動指梁內。該過程中另一個井口的柱式排管機、低位導向臂、鉆桿滑道可將已排放在指梁內的立根送入井口。

這種雙井口鉆柱并行作業模式減少了鉆井系統進行鉆桿/套管處理作業的時間，提高了作業效率。

兩個井口配置的管柱處理設備相同，可進行互換。接立根并將立根送至另一井口的流程見圖1。

鉆柱處理系統設備配置及其主要參數見下頁表1。

2.2 隔水管處理系統

隔水管的處理系統工藝取決于隔水管的存放形式。目前，隔水管的存放形式主要有三種：平放、立放、立放加平放。目標平臺隔水管采用全部立放形式。為了滿足作業水深3660m的要求，立放隔水管立根92根，立根長度為130 ft（1 ft=30.48 cm ）。按照立根長度為130 ft計算，單立根隔水管采用單根長度為65 ft隔水管進行組合，共需要65 ft隔水管184根。隔水管加附體材料外徑為1574.8mm（62 in），單根質量超過25 t，立根質量超50 t。

表1 鉆桿/套管處理系統設備配置表

處理工藝：利用平臺吊機將隔水管單根吊運至水平貓道機，水平貓道機將隔水管單根運送至井口，頂驅下降，提升隔水管單根坐放在井口隔水管卡盤上，按上述步驟提升第二根隔水管單根進行立根連接，將連接好的隔水管立根，利用頂驅和扶正臂將隔水管立根吊運至滑槽，然后利用隔水管吊機和底部托車將隔水管立根排放至隔水管指梁。這樣就完成了130 ft隔水管立根的連接和排放。其隔水管由65 ft預接成130 ft立根流程如圖2所示。

進行隔水管和BOP下放時，操作工藝如下：隔水管吊機從指梁吊起隔水管立根置于底部托車上，吊機和托車同步直線移動將隔水管立根運送至隔水管滑槽上，隔水管滑槽將隔水管立根傾斜送至鉆臺并松開，頂驅定位到隔水管立根上端，將隔水管立根吊起，在隔水管立根下端脫離滑槽時采用鉆臺面隔水管扶正臂扶正送至井口。此時，BOP臺車已經將BOP運送至井口處并與隔水管下部連接，然后坐放在隔水管卡盤上；依此步驟處理第二根隔水管立根，依次連接下放。

隔水管處理系統設備配置及其主要參數見表2。

表2 隔水管處理系統設備配置表

3 管柱處理系統布局研究

目標平臺采用雙井架鉆機系統，在管柱處理工藝及設備配置研究的基礎上，以雙井口為中心進行管柱處理系統的布局研究。

3.1 布局原則

結合雙井架鉆機布局，確定管柱處理系統布局原則如下：

（1）滿足雙井口作業工藝要求；

（2）作業安全、高效；

（3）優先滿足操作頻率高的設備；

（4）降低系統重心。

3.2 鉆柱處理系統布局研究

鉆桿/套管立根盒的布置是鉆柱處理系統設備布局和配置設計的并鍵。就鉆井平臺而言，鉆桿/套管立根布置重心越低越有利于平臺的鉆井作業。因此，為了降低鉆機重心，將立根盒底部布置在平臺下層甲板上。

結合雙井架鉆機鉆柱處理系統工藝要求，將鉆柱處理系統的設備配置按照堆場區域、立根盒區域和鉆臺區域分別進行布局研究。

3.2.1 堆場區域

結合目標平臺鉆井系統設計要求，管柱堆場的設置主要考慮平臺可變載荷、自持力和作業能力。由于可變載荷大，平臺自持力強，按15250m鉆深能力配置管柱，對平臺配置鉆桿、套管提出高要求，設置2個套管堆場和2個鉆桿堆場。

該區域布置的設備有抓管吊機、貓道機。管子堆場的布置應充分考慮抓管吊機工作半徑及操作視線，通常將使用頻率較高的鉆桿應優先布置在靠近貓道機兩側，以提高作業效率。貓道機分別正對兩個井口的V大門，導軌與鉆臺面平齊，用于輸送鉆桿、套管等；抓管吊機分別布置在平臺尾部貓道機旁，并呈對稱布置，用于將管子堆場的鉆桿、套管抓放至貓道機上。

3.2.2 立根盒區域

立根盒位于井架外部，該區域布置的設備有柱式排管機、鉆桿滑道、氣動指梁。柱式排管機布置在立根盒中間，最大限度的利用柱式排管機工作半徑，同時將立根區一分為二，靠近井口中心側擺放鉆桿，遠離井口中心側擺放套管；氣動指梁布置與鉆桿、套管擺放盒對應，分別用于排放鉆桿、套管立根；鉆桿滑道分別對稱布置在井架V大門下方，其下部放置在立根盒上，上部與鉆臺平齊。

3.2.3 鉆臺區域

該區域布置的設備有鉆桿提升機、低位導向臂、液壓卡瓦、鐵鉆工。鉆桿提升機在每個井口V大門處各布置一套，用于鉆桿、套管單根或立根的提升、下放；低位導向臂分別布置在鉆臺面V大門處，配合鉆桿提升機、鉆桿滑道、柱式排管機傳遞鉆桿、套管單根或立根；液壓卡瓦每個井口布置一個，用于鉆桿和套管的坐放；鐵鉆工每個井口布置一個，用于鉆桿和套管的上卸扣作業。

鉆桿/套管處理系統設備的布置如圖3所示。

3.3 隔水管處理系統布局研究

目標平臺隔水管采用全部立放的存儲方式，隔水管立放區布置在鉆臺一側靠近平臺艏部平臺下層甲板上，與鉆桿立根盒在同一層，上部為隔水管指梁，鉆臺預留開口以利于隔水管滑槽將隔水管送至鉆臺。

結合隔水管處理工藝要求，將隔水管處理系統的設備配置按照隔水管堆場區域和鉆臺區域分別進行布局研究。

3.3.1 隔水管堆場區域

該區域布置的設備有隔水管吊機、托車、指梁、隔水管滑槽、檢修裝置。隔水管吊機完成隔水管從存儲指梁到滑槽的吊運；托車在專有的軌道上移動，用以輔助支持隔水管吊機對垂直隔水管從指梁到滑槽的吊運，避免垂直隔水管在吊運過程中出現擺動；指梁用來存放隔水管立根；滑槽用于垂直隔水管處理過程中，將隔水管傾斜、起升，便于隔水管存儲、移運等操作；檢修裝置用于對隔水管連接處、輔助管線、局部裂紋等進行維修處理。

3.3.2 鉆臺區域

該區域布置的設備有隔水管扶正臂、隔水管卡盤、萬向節。扶正臂安裝在鉆臺面配合頂驅完成隔水管從滑槽到井口的扶正操作；隔水管卡盤用于支撐隔水管與BOP組，輔助實現快速連接和拆卸隔水管；萬向節放在轉盤和卡盤之間，能夠支持卡盤、整個隔水管柱和BOP組，可以補充由于海流產生的隔水管偏移，便于隔水管連接。

隔水管處理系統設備的布置參見上頁圖3。

4 結 論

本文針對工信部第七代半潛式鉆井平臺船型并結合其管柱處理工藝要求開發了一種適用于半潛式鉆井平臺的管柱處理系統，通過合理優化布局降低了管柱堆放及相并設備的重心，有助于提高平臺的抗風載能力以及平臺的穩性，同時有效降低了井架V大門開口，提高了井架的結構穩定性。

該管柱處理系統所涉及自動化處理設備眾多，對設備的可靠性要求高，部分設備還需要進口。從操作的獨立性、集成控制及協調性方面考慮，鉆桿/套管處理設備如抓管吊機、貓道機、鐵鉆工、低位導向臂、液壓卡瓦等設備以及隔水管處理系統設備均能實現國產化，而鉆桿/套管處理設備中的柱式排管機和鉆桿提升機仍需進口。

該管柱處理系統配置及布局方案對于雙井口海洋鉆機及其管柱處理系統設計有一定參考價值，在工程實踐時，還可以根據不同的船型并綜合考慮多種因素及平臺整體設備設施布局進行調整。

［1］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等. 半潛式平臺鉆井材料輸送系統配置與布局研究［J］.船海工程，2008（4）：58-61.

［2］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等.深水半潛式鉆井平臺隔水管存儲形式及作業功效研究［J］.船舶工程，2009（5）：47-51.

［3］ 王定亞，忽寶民，惠曉英，等.海洋鉆井平臺折臂式抓管機設計與試驗研究［J］.石油機械，2016（8）：42-46.

［4］ 崔學政，劉文慶，肖文生，等.海洋鉆井平臺立柱式排管機設計［J］.石油礦場機械，2010（1）：45-49.

［5］ 崔學政，劉平全，肖文生，等. 海洋鉆井平臺自動化貓道設計［J］.石油礦場機械，2011（2）：20-23.

［6］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等. 半潛式鉆井平臺雙井架鉆機作業工藝初步研究［J］.石油鉆探技術，2009（2）：14-17.

Con figuration and layout of string processing system for ultra-deep water rig

WANG An-yi1,2HU Nan1,2YANG Xiu-ju1,2LIU Yuan-bo1,2ZHAO Peng1,2
(1. Baoji Oil field machinery Co., Ltd., Baoji 721002, China; 2. National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center, Baoji 721002, China)

The design of the string processing system is an important part of the design of the offshore platform drilling rig. It is of great significance for drilling efficiency improvement, labor intensity reduction and drilling cost decrease. Aiming at the objectives of the seventh generation of the semi-submersible drilling platform, the string processing system has been divided into drilling pipe, casing and riser system according to different string types. It carries out the equipment configuration, layout study and the analysis of the influence of the layout plan on the platform drilling operation based on the operation characteristics together with the operation technology. Finally, it proposes the equipment configuration and the layout plan of the string processing system for the dual derrick offshore rig, which can provide reference for the engineering design of the offshore drilling rig and its string automation processing system.

dual derrick; rig; drilling pipe; casing; riser

TE923

A

1001-9855（2017）05-0087-05

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

2017-03-17；

2017-05-02

王安義（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：海洋油氣鉆機設計開發。胡 楠（1982-），男，碩士，工程師。研究方向：海洋油氣鉆機設計開發。楊秀菊（1983-），女，碩士，工程師。研究方向：石油鉆機設計開發。劉遠波（1982-），男，碩士，工程師。研究方向：石油鉆機設計開發。趙 鵬（1978-），男，工程師。研究方向：石油鉆機設計開發。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.087