深水半潛式鉆井平臺管子堆場布置方案研究

楊秀菊 王安義 楊 楠 胡 楠 李云鵬

（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；3.中石油天然氣集團有限公司物資裝備部 北京100007）

引 言

管柱堆場用于存儲鉆井管材，鉆井管材一般包括隔水管柱、鉆桿、套管及鉆鋌等。管柱堆場的布置對海洋平臺船型及鉆井系統的設計影響重大，所以管柱堆場布置方案的研究對海洋平臺的設計有很重要的意義［1］。

針對具有3600 m作業水深、15000 m鉆深鉆井能力的半潛式鉆井平臺，其主輔鉆機并行或協同作業需要頻繁進行立根的上扣與卸扣作業，這就要求平臺具備高效管子輸送和處理能力，而管柱堆場的研究設計對管子處理設備的效率有著至關重要的影響［2］。另外，立根盒是平臺鉆具的周轉站。由于設計雙井架鉆井平臺具有主輔鉆機并行作業能力，在同時鉆進或下放鉆具和套管時，需要進行大量立根作業，以滿足并行作業需要，提高作業時效，因此對立根盒存儲能力也提出更高要求。

1 鉆井管材用量計算

1.1 隔水管柱

隔水管單根長度為 15.24～27.432 m（50～90 ft），較多深水鉆機采用22.86 m（75 ft）長的隔水管（例如HYSY981），也有深水鉆井平臺采用24.384 m（80 ft）或27.432 m（90 ft）的隔水管。單根隔水管的長度越長，則能夠減少隔水管接頭數量，提高起下隔水管效率，但同時要增加隔水管處理設備能力，此外隔水管堆放區布置、隔水管指梁高度、隔水管處理設備的位置等相關尺寸均與隔水管長度相關。單根較長的隔水管一般難以通過陸路運輸，而海上運移困難，處理過程中可能由于撓度過大而損害浮力塊。綜合考慮，建議采用短隔水管、雙根處理的方式，既減少隔水管運輸難度，又提高了作業效率。

通常深水鉆井隔水管均用浮力塊控制隔水管柱浮重。浮力塊的長度一般為4.572 m（15 ft），浮力塊在水中提供的凈浮力可使隔水管單根浮重較在空氣中減輕5%～10%。設計浮力塊配置使隔水管濕重為干重的5%。浮力塊的配置方案有兩種：一種是配置不同水深等級的浮力塊，不同的水深采用不同水深等級的浮力塊，在使用之前，要確認每個浮力塊的水深等級，第二種是配置同一種水深等級的浮力塊（按照最深的水深等級配置），這種配置的優勢在于可以根據需要將隔水管單根輪換使用，以提高隔水管的使用壽命，因此可采用該方式［3］。另外需要考慮由于水浸一起的浮力減少（由于水浸浮力塊的浮力減少3%）。當隔水管處于懸掛狀態時，配備的浮力塊應使隔水管柱不出現受壓狀態。浮力系數的選擇是鉆井隔水管設計的關鍵，浮力系數要盡可能大，以減少隔水管頂部張力，一般是90%～100%。確定浮力系數后，則可根據單根需要的浮力確定浮力塊的直徑。浮力塊的直徑一般要比轉盤開口直徑小 25.4～50.8 mm（1～2 in）。

隔水管的使用量跟平臺作業水深直接相關，目標平臺設計的作業水深是3660 m，所以隔水管的極限用量是12000 ft（3658 m），平臺按照極限用量配置了12000 ft（3658 m）的隔水管。本平臺隔水管單根長度選取65 ft，總長12000 ft（3658 m），所需根數為186，兩根為1柱，共93柱；內徑：0.508 m（20 in）。隔水管外徑（含浮力材料）最大不超過1778 mm（70 in），實際取值1.575 m（62 in），浮力塊交錯布置可降低隔水管的疲勞損傷。簡便計算以浮力塊全部布置見下頁表1。

為解隔水民管存放形式對平臺穩性的具體影響，對立放形式在存儲面積及重心作如下計算分析：

為便于比較其對穩性的影響，重心高度統一相對于下甲板而言。平臺上層甲板建筑層高一般為3.45/3.5 m，在分析中該平臺主甲板距下甲板取7.0 m。

隔水管全部立放：隔水管立放需深入平臺甲板層內部，其占用面積按雙層計入，底端距下甲板取0.5 m間隙，計算隔水管所占面積為93×1.5752= 230.7 m2，加上隔水管指梁及間隙面積，約取432 m2，重心距下甲板高39.624/2+0.5= 20.312 m。

表1 隔水管尺寸規格

通過分析可知，從提高作業效率而言，隔水管立放是較佳方式，占用甲板面積小，但其空間利用率較低。雖然平放利于平臺布置，但其占用甲板面積大，處理效率低。因此綜合考慮，可選用立放隔水管組合存放形式。根據目前半潛式鉆井平臺使用情況，對于該目標平臺，最大作業水深3660 m。

隔水管立放區：立放數量：96柱（192根）。放置在平臺緊靠中央月池區的平臺首部隔水管排放區。綜合考慮隔水管間隙、隔水管起重機和立管排放架所占空間，布置尺寸可設置為18 m（寬）×24 m（長）×39.624 m（高），總重約3685 t。

1.2 鉆桿立柱

計算最終油層套管的鉆柱尺寸：鉆頭尺寸選215.9 mm。

1.2.1 計算鉆鋌的長度

以中和點確定鉆鋌長度，中和點的位置由下式確定：

式中：LN為中和點面距鉆頭的高度，m；PB為設計最大鉆壓，N；qc為單位長度鉆鋌在空氣中的重力，N/m；Kf為鉆井液浮力系數，無因次。

實際鉆鋌長度應比LN長20 m ～30 m，或用下式計算：

式中：LNr為實際鉆鋌長度，m；SF為安全系數，一般取SF=1.2～1.3。

取SF=1.2，PB取120 kN。參照表2，根據鉆頭尺寸選用6-1/4 in即外徑為158.75 mm的鉆鋌，每根單位質量1210.89 N/m，長度31 ft即9.45 m。取鉆井液ρm=1.50 g/cm3，鋼材密度ρg=7.85 g/cm3。則：

從而得：

表2 推薦的鉆鋌尺寸范圍

1.2.2 鉆桿長度計算

鉆鋌上部用5-1/2 in，280.27 N/m，G105級鉆桿。查表2得，按最小屈服強度計算的最小抗拉力Py為2318.521 kN。按設計系數計算最大允許靜拉負荷Pad。

式中：Kd為設計系數，取1.3 ～ 1.4。

校核是否滿足卡瓦擠毀，卡瓦長16 in。查表3（其中，摩擦系數0.08用于正常潤滑情況）得：

表3 新鉆桿承受拉力強度

表4 防止卡瓦擠毀鉆桿的最小比值

表4 防止卡瓦擠毀鉆桿的最小比值

鉆桿尺寸/ in卡瓦長度 摩擦系數μ 橫向負載系數K 45最小比值120.060.080.100.120.144.364.003.683.423.181.271.251.221.211.191.341.311.281.261.241.431.451.351.321.301.501.521.411.381.341.581.591.471.431.401.661.661.541.491.451.73—1.601.551.501.8—1.661.611.551.521.471.431.391.36160.060.080.100.120.144.364.003.683.423.181.201.181.161.151.141.241.221.201.181.171.301.281.251.231.211.361.321.291.271.261.411.371.341.311.281.521.471.431.391.361.521.471.431.391.36

計算拉力余量Kσ=450 kN時的Pal1。由于Pal1=0.9Py-Kσ= 0.9×2318.521 - 450 = 1636.669 kN，并且Pal1＞Pad1。

其可下長度由Pad1確定，即：

第二段選用6-5/8″鉆桿，即168.275 mm。滿足鉆深要求，取L2=8408 m。

取鉆桿單根長度13.7 m，以上鉆桿用量為：5-1/2″鉆桿470根，6-5/8″鉆桿614根。

1.2.3 鉆柱組合總的用量

參考常用鉆具組合，舉例如下：

（1）鉆1066.8 mm（42 in）井眼，采用高壓噴射鉆井，使用36 in套管，下套管和鉆井一次完成。

（2） 鉆 762 mm（30 in）井眼， 常用的鉆具組合為：914.4 mm鉆頭+帶浮閥和測斜座的接頭+914.4 mm固定臂擴眼器+228.6 mm鉆鋌2根+接頭+203.2 mm鉆鋌7～10根+接頭+127 mm加重鉆桿15根。

（3）鉆609.6 mm（24 in）井眼，常用的鉆具組合為：660.4 mm鉆頭（444.5 mm鉆頭+660.4 mm固定臂擴眼器）+帶浮閥和測斜座的接頭+228.6 mm鉆鋌2根+接頭+203.2 mm鉆鋌10～13根+接頭+127 mm加重鉆桿15根。

（4）鉆444.5 mm（17-1/2 in）井眼，常用的鉆具組合為：444.5 mm鉆頭+帶浮閥和測斜座的接頭+228.6 mm鉆鋌2根+444.5 mm穩定器+接頭+203.2 mm鉆鋌13根+震擊器+203.2 mm鉆鋌2根+接頭+127 mm加重鉆桿+投入止回閥座接頭+127 mm加重鉆桿14根。

（5）鉆311.2 mm（12-1/4 in）井眼，常用組合鉆具為：311.2 mm鉆頭+帶浮閥和測斜座的接頭+203.2 mm鉆鋌2根+311.15 mm穩定器+ 203.2 mm鉆鋌1根+311.15 mm穩定器+203.2 mm鉆鋌9根+隨鉆震擊器+203.2 mm鉆鋌2根+接頭+127 mm加重鉆桿1根+投入止回閥座接頭+127 mm加重鉆桿14根。

綜上可得所需鉆柱組合如表5。

1.3 套管用量計算

目標平臺水深3660 m、鉆深15250 m，針對南海海域。井身結構設計是鉆井設計的關鍵，需設計出套管的深入深度和層次，針對海上鉆井的特點和習慣來設計井身結構。

表5 鉆桿、鉆鋌用量計算

由于海洋環境等因素，海上鉆井中使用的套管柱不僅要保證井眼安全順利地鉆達設計井深，還要保證在海床面上支撐質量100 t以上的水下井口裝置。經過多年實踐，中國已形成一套適用于海洋油氣鉆井的標準井身結構。

提高鉆井作業效率是鉆井平臺設計最重要的設計目標，應用雙井架鉆機是提高（超）深水鉆井作業效率的有效技術之一。以一口海外深水井為例，目標平臺水深3600 m、鉆深15000 m，假設深水半潛式鉆井平臺井深數據如表6所示，井身結構參見下頁圖1。

表6 井身結構參數表

圖1 井身結構圖

目標平臺選用914.4 mm民管，660.4 mm表層套管，508 mm和339.7 mm技術套管，以及273.1 mm油管作為套管柱設計。選用五層套管，開鉆組合如下：

鉆桿其作用是進行鉆井作業，向鉆頭提供鉆井用泥漿。鉆桿尺寸為：6-5/8 in，加厚形式：內外加厚（IEU），鉆桿壁厚：9.19 mm，鉆桿管體外徑：168.275 mm，鉆桿接頭外徑215.9 mm。

海洋油氣鉆井的套管柱結構一般由五層組成，即民管、表層套管、兩層中間套管（技術套管）和生產套管/尾管。

導管其作用是建立井口、支撐井口及防噴器組等井口裝置。目標井口下入深度50～100 m（下入深度按照100 m考慮），采用的是噴射鉆井，井口直徑1066.8 mm（42 in），使用外徑914.4 mm（36 in）、內徑863.6 mm（34 in）的民管。

表層套管主要用于封住表層的疏松地層，并建立起井口及井口裝置。目標井口下入深度600 m（返回至泥線），采用的是762 mm（30 in）鉆頭，使用外徑660.4 mm（26 in）、內徑622.3 mm（24-1/2 in）的套管。

技術套管用于封住復雜地層，保證安全順利鉆達設計井深，分兩段（目標井深6100 m）：第一段，目標井口下入深度2100 m（返回至泥線），采用的是 609.6 mm（2 in）鉆頭，使用外徑508 mm（20 in）、內徑482.6 mm（19 in）的套管；第二段，目標井口下入深度4000 m（返回至2100 m），采用的是444.5 mm（17-1/2 in）鉆頭，使用外徑339.7 mm（13-3/8 in）、內徑315.32 mm（12-2/5 in）的套管。

油氣層套管或尾管目標下入深度5300 m（返回至6100 m），采用的是311.2 mm（12-1/4 in）鉆頭，使用外徑273.1 mm（10-3/4 in）、內徑242.88 mm（9-14/25 in）的套管。

裸眼完井215.9 mm（8-1/2 in）鉆頭，裸眼完井。

綜合上述計算，目標井套管用量如表7所示。

表7 套管用量

2 管柱堆場布置方案

對于1.2節及1.3節所述的鉆井管柱，需要在平臺上專門設置堆場將其放置。平臺堆場區域用于放置鉆桿、套管、隔水管等鉆井材料，其用量根據極限井身結構計算得到。

如圖2所示為采用雙井架鉆井作業系統的鉆井系統布置方案，雙井口均為主井口，可同時進行鉆井及接單根作業。

圖2 鉆井系統布置方案圖

平臺上層甲板上堆場劃分為首尾兩個區域，首部區域一般用于立放存儲隔水管，尾部區域一般用于水平放置鉆桿、套管或隔水管等［4］。

半潛式鉆井平臺隔水管的布置方式主要有三種：平放、立放、平放+立放組合。不同的布置方式影響到平臺的布置、隔水管的處理系統以及下隔水管的流程及作業效率［5-6］。鉆桿及套管一般采用平放+立放組合的方式進行存儲。

下面僅針對兩種管柱堆場布置方案進行研究。

2.1 管柱堆場布置方案一

2.1.1 隔水管布置

立放隔水管，隔水管為單根組成一立柱，穿過上層甲板，伸入箱型甲板，始放于位于船首側的主甲板上，隔水管移運設備布置于主甲板上。其載荷分布如下頁圖3所示。

圖3 主甲板載荷分布圖

2.1.2 鉆桿及套管布置

鉆桿及套管采用平放+立放組合的方式存儲于船尾側的上層甲板上的管柱堆場及鉆臺立根臺。其載荷分布圖如圖4所示。

圖4 上層甲板載荷分布圖

綜上所述，隔水管采用立放存儲方式，鉆桿及套管采用“平放+立放”組合存儲方式，管子堆場布置方案如下頁圖5所示。

圖5 管子堆場布置方案一

管柱堆場布置于平臺主甲板的尾部區域，鉆桿與套管采用水平存儲的方式堆放在堆場上，在使用時，可以采用水平管柱處理系統及垂直管柱處理系統將其輸送、連接并排放到鉆臺立根盒內。

2.2 管柱堆場布置方案二

2.2.1 管柱立放區

立放鉆桿、套管及隔水管均穿過上層甲板，伸入箱型甲板，始放于主甲板（即下層甲板）上。主甲板載荷分布如下頁圖6所示。

2.2.2 管柱平放區

平放鉆桿、套管及隔水管均布置于船尾部管子堆場存放區，布置于上層甲板上，使用時利用水平和豎直管柱處理設備將其輸送、連接并排放于管柱立放存儲區。上層甲板載荷分布如下頁圖7所示。

圖6 主甲板載荷分布圖

圖7 上層甲板載荷分布圖

綜上所述，鉆桿、套管及隔水管均采用“平放+立放”組合的存儲方式，管子堆場布置方案如下頁圖8所示。

針對上述兩種管柱堆場布置方案，平放鉆桿、套管在下入時，均通過管柱處理系統完成輸送、連接、排放等作業。兩種布置方案區別在于：

（1）平放隔水管。其在下入時需要通過管柱處理設備對其進行連接，并由輸送機裝置將其改變為立放狀態后才能送到轉盤井口內，需增加隔水管柱處理設備，提高對平臺作業系統的總體配套要求，同時增加隔水管柱處理時間。

（2）立放隔水管。立放存儲于下層甲板，降低重心，節省隔水管連接及輸送的時間，可提高隔水管以至整體作業效率，且該區域不易作為其他用途，也提高了平臺空間使用率。

3 結 語

通過闡述管柱堆場研究設計對海洋平臺建造的重要性及必要性，逐步展開管柱堆場布置方案研究。首先，對隔水管、鉆桿、套管及其他鉆井管材進行用量計算；其次，在確定鉆井管材用量的基礎上進行管柱堆場布置方案設計，介紹兩種管柱堆場布置方案，并進行對比，推薦深水半潛式鉆井平臺管柱堆場布置方案為：隔水管布置采用立放于船首主甲板的存儲方式，鉆桿及套管布置采用“平放+立放”布置于船尾上層甲板及立根臺的存儲方式。同時也給出放置鉆井管材的甲板載荷分布圖，用于海洋平臺船型設計輸入，推薦的管柱堆場布置方案可作為鉆井系統布置方案設計的輸入。

針對深水半潛式鉆井平臺管柱堆場的設計和布置，也可以推廣到其他海洋平臺設計中，可為海洋平臺設計及建造提供切實可行的解決方案。