超深水半潛式鉆井平臺鉆機模塊總體方案研究

胡 楠 王安義 楊秀菊 劉志桐 張 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）

引 言

近年受到低油價的沖擊，海洋深水領域油氣勘探開發活動有所減緩，受其影響深水鉆井平臺（船）利用率較低、日費大幅下滑。但是，從長遠看深水、超深水油氣開發勢在必行，半潛式鉆井平臺是海洋油氣開發的主要設施之一，是深水、超深水油氣資源勘探開發工程中的主力軍。相對而言，我國在超深水鉆機領域與國外還有較大差距，在現階段海洋深水鉆機發展放緩的情勢下，正是我國加快發展步伐追趕的關鍵時機［1-6］。

目前，半潛式鉆井平臺已經發展到第七代，相比第六代半潛式平臺，第七代超深水鉆井平臺在甲板可變載荷、作業水深、大鉤載荷、鉆井深度方面都有大幅度的提升［7］，例如，適應作業水深超過了12 000 ft（1 ft = 0.304 8 m）、鉆井深水度超過50 000 ft，這也是第七代超深水半潛式鉆井平臺鉆機模塊（以下簡稱：第七代平臺鉆機模塊）的典型特征。據統計，目前全球作業水深超過3 600 m的半潛式鉆井平臺僅有5座［8］，但是還沒有一座平臺完全達到第七代的關鍵參數要求。

本文針對海洋工程裝備領域第七代超深水鉆井平臺（船）創新專項中的鉆機模塊及關鍵裝備國產化開展研究，重點進行適應作業水深12 000 ft、鉆井深度50 000 ft的鉆機模塊總體方案研究。

1 鉆機模塊典型特征與發展現狀

1.1 典型特征

第一代到第七代鉆井平臺在作業水深、鉆井深度、定位方式、井架型式等方面都有一定的區別，其中第五代至第七代平臺之間的劃分趨于模糊，但是在作業水深、鉆井深度等方面還是有一定差別。

將第七代鉆井平臺在適應作業水深更深、鉆井深度更深的特點映射到配套的鉆機模塊上，其典型特征主要包括：適應水深12 000 ft、鉆井深度50 000 ft、雙井口和20K級別防噴器組。

1.2 發展現狀

煙臺中集來福士建造的兩座超深水半潛式鉆井平臺，其配套鉆機模塊采用國外雙塔架液壓提升系統，采用液缸舉升式提升系統替代了傳統絞車提升系統，每個井口配5組液壓缸，具備提升鉆柱、升沉補償的雙重功能，系統配1 250 t頂驅、開口75.5 in轉 盤、15 000 psi（1 psi = 6.895 kPa） 閘 板海底防噴器組以及6個液壓缸張緊器，張緊能力4 500 kips（1 kips ≈ 453.59 kg），在系統配置上相比第六代有所提升。平臺雖由中國船廠負責建造，但是作為鉆井平臺核心的鉆機模塊則由國外公司提供，仍舊沒有從根本上擺脫我國超深水高端鉆井裝備依賴進口的不利局面。

2 鉆機模塊布局設計難點

適應作業水深更深、鉆井深度更深是第七代平臺鉆機模塊最為典型的特征。這些特征對鉆機模塊作業工藝、系統配置都提出了新的要求。因此在鉆機模塊布局設計中也面臨新的困難，這也是第七代鉆井平臺鉆機模塊設計必須首先重點研究的方向。

2.1 水深更深、鉆深更深

鉆機模塊要求作業水深達到3 660 m，需要配套3 660 m長度隔水管，而隔水管質量巨大（達6 000 t），浮筒外徑更大，直徑超過60 in（1 in = 2.54 cm），在鉆機模塊布局研究中必須綜合考慮空間布置、質量重心、處理能力等綜合因素。

最大鉆井深度達到了15 250 m，鉆機模塊立根臺容量隨之增加，立根質量更大，在鉆機模塊布局研究中需要系統分析管柱立根的質量、重心對平臺甲板可變載荷的影響，同時還需兼顧管柱處理工作效率、可靠性等因素，這也是進行鉆機模塊布局設計時需要重點解決的問題。

2.2 作業效率更高

第七代半潛式鉆井平臺建造費用較高，平臺日費也較貴，因此必須有效提升平臺的整體作業效率與可靠性以降低作業成本。鉆機模塊作為半潛式鉆井平臺的核心是決定平臺整體作業效率的關鍵，為提高鉆機模塊作業效率，配置雙井口、管柱自動化處理系統、司鉆集成控制系統等，從而提升作業可靠性、增加鉆機模塊的冗余功能，確保鉆井模塊的作業效率。

首先，設備數量增加較多，需要合理規劃空間布局以解決平臺空間有限與設備數量眾多之間的矛盾；其次，布局中既要兼顧設備的冗余，又要避免設備相互干涉。

3 鉆機模塊總體布置原則

目標系統的總體布置原則是：雙井口作業系統；隔水管立式排放，船首側布置；雙管柱輸送系統，船尾側布置；X-Y雙向移動采油樹處理系統，左舷側布置；防噴器組處理系統布置在右舷，如圖1所示。

該布置方案的優勢：

（1）最大限度利用了甲板空間；

（2）各系統工作區域獨立、互不干涉，便于并行作業；

（3）鉆機模塊整體重心居中，對船體穩性影響較小。

4 鉆機模塊總體設計技術分析

4.1 提升系統選擇

國外研制的液缸舉升式提升系統在深水、超深水半潛式鉆井平臺上已經成功應用，省去了傳統的鉆井絞車、天車補償裝置，是深水鉆機模塊發展的一個重要方向，其核心是大直徑液缸的制造技術及高精度控制技術，我國在該領域技術相對薄弱。

另外液缸舉升式提升系統存在安裝困難、控制復雜、維護成本較高等客觀問題。

傳統絞車提升系統經過多年的發展，整體技術已經趨于成熟，作業可靠性也得到長時間的現場驗證，因此相比液缸舉升式提升系統而言采用傳統的常規絞車提升系統更為穩妥，也更貼合目前我國的整體水平。

4.2 隔水管存儲方案

如2.1節所述，無論從隔水管總重還是單根外徑而言，對鉆機模塊的布局設計均會增加一定難度。

超深水半潛式平臺中隔水管布置方案通常分為三類： 水平布置、豎直布置和水平+豎直布置［9］。水平布置占用較大甲板面積，但是整體重心較低；豎直布置節省甲板面積，但重心較高；水平+豎直布置可有效平衡甲板面積與布置重心的利弊，但是處理系統需要兼具處理水平布置及豎直布置的隔水管，相對復雜，目前在役的鉆井平臺中，“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺具有最大作業水深3 048 m（10 000 ft）的能力，其75%隔水管垂直排放，25%水平放置。

該鉆機模塊擬采用單一的隔水管排放方式完成隔水管的存放。以3 660 m隔水管為例，分析水平和立式兩種布置方案的占用面積以及重心高度，參見表1。

表1 平放、立放隔水管所占面積和重心對比

水平布置占地面積為立式放置占地面積的1.7倍，立式放置重心高度較水平放置重心高度增加66%。結合該類型平臺船型，為了進一步降低隔水管堆放狀態下的重心高度，可將隔水管穿艙布置放在雙層甲板上，對比直接放置在上層甲板，可將重心高度直接降低7 m。該布置方案保證了隔水管立式布置和水平布置的重心高度基本相近，但是穿艙的布置會對船體結構設計造成一定的影響，需要提前做好船體結構布局。

4.3 立根布置

該鉆機模塊最大鉆深15 250 m，通常情況下立根的容量要大于最大鉆深能力，由表2可知，立根總重約1 500 t。

表2 立根載荷統計表

在進行鉆桿布置規劃時，需要綜合考慮到立根臺容量、立根載荷、立根重心、處理效率、操作視線、井架V大門高度等因素。鉆桿的布置位置通常有兩大類，井架內、井架外，井架外布置方式按照立根臺設備高度的不同又可分為高位布置與低位布置。

針對該鉆機模塊立根布置需求，結合以上常見的幾種立根布置型式對比（如表3所示），統一以三單根一立柱模式。單根長度45 ft，立柱高度135 ft，其中“井架外低位布置”指立根穿艙立放在雙層甲板上，“井架外側高位布置”指立根布置在與鉆臺面平齊的高度，立根重心高度統一以鉆臺面為基準零點。

表3 立根布置型式對比

因此，綜合考慮船體影響、操作視線、井架V大門、排管系統配置、處理效率等因素，同時由于立根布置在井口中心線兩側，所以立根質量對船體操作工況下的可變載荷影響可忽略，因此確定采用立根布置在井架內并且高位布置的方式。

4.4 防噴器組與采油樹處理系統

基于高效作業的需求，該鉆機模塊設置相互獨立的防噴器組與采油樹處理系統，以確保兩套系統能獨立工作，互不干擾。

第七代平臺鉆機模塊的典型特征是配套20K級別8閘板防噴器組。該鉆機模塊配套2套防噴器組主體和1套LMRP，因此防噴器組處理系統必須具備至少3組存儲位置。防噴器組處理系統配門形吊機，可實現防噴器組和LMRP在甲板上存儲位置的組裝，同時具備將試壓完成的防噴器組吊運至月池正上方，并下放至月池內的防噴器組滑車上。防噴器組處理系統布置方案如圖2所示。

采油樹處理系統配套可滑移的采油樹吊機，以便能完成采油樹起吊、搬運的需求，可將堆放在主甲板上的采油樹吊運至月池正上方，并下放至月池內的采油樹滑車，該滑車可沿月池滑移，將采油樹從月池邊緣運輸到井口中心。考慮到進一步擴展采油樹處理系統能力，在主甲板設置可X-Y雙向滑移的采油樹移運裝置，根據實際甲板空間可將采油樹存儲位置擴展至多個（如圖3所示）。

4.5 鉆臺布置

4.5.1 鉆臺空間布局

相比液缸舉升式提升系統，傳統絞車提升方案鉆臺面設備數量偏多，還需將立根布置在鉆臺面井架內側，因此，必須合理規劃鉆臺空間布局。

設備的增多需要更大的有效鉆臺空間，但是鉆臺面積的增大勢必會影響到布置在鉆臺周圍的防噴器組與采油樹處理系統、管子處理系統，在確保鉆臺面垂向投影尺寸不變的情況下，采用多層布置方案，垂直方向合理擴充鉆臺面有效面積。鉆臺結構整體采用三層布置方案（如圖4所示），第一層鉆臺面布置鐵鉆工、轉盤、液壓貓頭、電梯，同時預留較大區域的工具存儲間；第二層布置LIR及DCR；第三層布置絞車、鋼絲繩卷筒等。

表4 設備及數量對比表

4.5.2 管柱排放系統布置

如4.3節所述，立根在井架內、高位布置，如圖5所示。立根臺靠近井口，柱式排管機可實現立柱在立根臺和井口間的快速傳輸，共配兩套柱式排管機，共用一組軌道，互為備用，增加了排管系統的冗余性。

5 鉆機系統總體布置

結合超深水半潛式鉆井平臺鉆機模塊典型特征，系統剖析論證提升系統選擇、隔水管存儲方案、立根布置、防噴器組與采油樹處理系統布置方案、鉆臺結構總體規劃，形成了一套第七代平臺鉆機模塊總體設計方案。鉆機模塊側視圖如圖6所示，鉆機模塊主視圖如圖7所示。

6 結 論

本文結合超深水半潛式鉆井平臺典型特征對鉆機模塊總體布局的需求，闡述了鉆機模塊總體布置設計面臨的困難，系統論證了提升系統選擇、隔水管存儲方案、立根布置方案、防噴器組與采油樹處理系統布置方案、鉆臺結構總體規劃，總結了鉆機模塊總體設計考慮的主要因素和設計方法，同時結合總體布局思路形成了一套鉆機模塊總體布置方案，為超深水半潛式平臺鉆機模塊的工程設計提供了參考。

鉆機模塊布局設計是一個復雜的系統性工程，本文提出了一種可行的總體布局解決方案。

［1］ 王安義，胡楠，楊秀菊，等.超深水海洋鉆機管柱處理系統配置和布局研究［J］.船舶，2017（5）：87-91.

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［3］ 王懿，段夢蘭，焦曉楠.深水油氣開發裝備發展現狀及展望［J］.石油機械，2013（10）：51-55.

［4］ 蔣世全，李峰飛，劉怡君，等.從淺海走向深海的挑戰與鉆井設計技術對策［J］.海洋工程裝備與技術，2015（6）：361-372.

［5］ 肖文生，吳磊，田雪，等.深水半潛式鉆井平臺上甲板鉆井設備布局研究［J］.石油機械，2014（5）：44-48.

［6］ 王麗，楊忠華，王如壯，等.挪威北海半潛式鉆井平臺總體布置研究［J］.船舶標準化工程師，2015（2）：9-12.

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［8］ 中國工業報. 步入全球高端制造 中集來福士開建世界最大鉆井平臺［N］. 2014-03-06.

［9］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等.深水半潛式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.

［10］ 劉建，李迅科.深水半潛式鉆井平臺鉆井系統選型配置研究［J］.海洋工程裝備與技術，2015（6）：384-389.