自升式鉆井平臺懸臂梁系統(tǒng)設計

張宇凡，趙建亭

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

自升式鉆井平臺具有作業(yè)靈活、適用范圍廣、自存能力強和移動性佳等特點，在淺海油氣勘探開發(fā)中得到廣泛應用[1]。懸臂梁是目前自升式鉆井平臺的標準配置，作為鉆井設備和鉆井工具的主要載體，能實現(xiàn)鉆臺模塊的縱向和橫向移動，提高平臺一次就位鉆井的概率。

在進行船型開發(fā)時，需對懸臂梁系統(tǒng)進行研究和優(yōu)化，以提高整個平臺的作業(yè)效率和作業(yè)能力；懸臂梁系統(tǒng)需有合理的主尺度及與其相適應的懸臂梁滑移系統(tǒng)，以保證懸臂梁具有有效的作業(yè)范圍、緊湊的設備布置和合適的承載能力。

本文以SJ350自升式鉆井平臺（以下簡稱“SJ350”）為依托，對國內外自升式鉆井平臺主流的懸臂梁系統(tǒng)進行分析，提出一種適合該平臺的懸臂梁系統(tǒng)解決方案。

1 項目概況

SJ350的結構呈三角形，帶有3個具備獨立樁靴的桁架式樁腿；平臺最大作業(yè)水深為350 ft （1ft=0.3048m），入級美國船級社。平臺示意見圖1。

SJ350設計作業(yè)要求示意見圖2。

1) 井口作業(yè)范圍為

2) 懸臂梁最大外伸距為

式(1)和式(2)中： L0為井口縱向作業(yè)范圍； T0為井口橫向作業(yè)范圍； L1為懸臂梁最大外伸距； L2為井口初始工作位置； T1為井口橫向移動距離。

圖 1 平臺示意

圖 2 SJ350 設計作業(yè)要求示意

2 作業(yè)方式分析

懸臂梁和鉆臺是鉆井作業(yè)的主要載體。在作業(yè)時，只有將鉆臺的井口伸至平臺外沿才能進行鉆井工作。為適應在平臺一次就位、多個井口作業(yè)的需求，懸臂梁和鉆臺需多次滑移。

目前自升式鉆井平臺井口位移主要有常規(guī)懸臂梁滑移、X-Y懸臂梁滑移和旋轉滑移等3種型式，結構方面可分為封閉式和開敞式2種（見表1）。

表1 懸臂梁型式匯總

2.1 常規(guī)懸臂梁滑移

常規(guī)懸臂梁滑移的井口位移由懸臂梁滑移和鉆臺滑移2部分實現(xiàn)。在進行鉆井作業(yè)時，懸臂梁在平臺主甲板面縱向移動，鉆臺在懸臂梁上橫向移動。

懸臂梁滑移裝置分為2組，布置在2個主甲板縱向滑移軌道上；鉆臺滑移裝置分為2組，布置在2個橫向滑移的懸臂梁軌道上。

2.2 X-Y懸臂梁滑移

X-Y懸臂梁滑移的井口位移由懸臂梁自身在縱、橫2個方向上的整體移動實現(xiàn)。

2套滑移裝置集成為1組，采用銷孔方式分別與主甲板軌道和懸臂梁底部軌道連接。共有4組滑移裝置在2套滑移軌道之間移動，其中：下側裝置沿主甲板軌道橫向移動；上側裝置推動懸臂梁縱向移動。

2.3 旋轉懸臂梁滑移

旋轉懸臂梁滑移的井口位移由懸臂梁旋轉基座和懸臂梁縱移軌道實現(xiàn)。液壓油缸與旋轉基座固定在主甲板上，旋轉懸臂梁的角度，懸臂梁可沿縱向軌道伸出平臺。文獻[2]所述的旋轉型懸臂梁擁有較大的作業(yè)覆蓋范圍。

3種懸臂梁作業(yè)方式比較見表2。

表2 3種懸臂梁作業(yè)方式比較

對懸臂梁作業(yè)方式進行分析后認為：應用較廣且不受專利保護限制的常規(guī)懸臂梁滑移方案作為 SJ350船型開發(fā)的懸臂梁作業(yè)方式較為合適。

3 懸臂梁主尺度規(guī)劃

常規(guī)懸臂梁滑移分為懸臂梁縱向滑移和鉆臺橫向滑移2部分。在規(guī)劃懸臂梁主尺度時，需綜合考慮井口作業(yè)范圍的需求、平臺的主尺度限制和設備布置空間的需求等。懸臂梁長度優(yōu)化方法見圖3。

懸臂梁的長度需滿足懸臂梁最大外伸距、月池區(qū)域、滑移裝置布置和懸臂梁反扣區(qū)域等方面的需求，因此懸臂梁型長為

式(3)中：SL為滑移裝置長度；TL為反扣區(qū)域長度；AL為縱向結構裕量。

懸臂梁寬度及高度優(yōu)化方法見圖4。

圖 3 懸臂梁側向示意

圖 4 懸臂梁縱向示意

懸臂梁內部空間用于儲存防噴器組、采油樹等大型設備。懸臂梁寬度需滿足防噴器組等設備的儲存區(qū)域和橫向滑移所需的寬度，因此懸臂梁型寬為

式(4)中：BW 為防噴器組等設備的儲存空間；AW 為橫向結構裕量。

鉆臺軌道長度需滿足井口橫向滑移距離和鉆臺底腳間距需求，因此鉆臺軌道長度為

式(5)中： WrA為鉆臺軌道結構裕量。

懸臂梁型高H需通過懸臂梁型寬和懸臂梁型長選取相應的結構模量之后確定，以確保懸臂梁結構的剛度滿足要求。鉆臺軌道高度 Hr由防噴器組和井口設施的吊運高度需求決定。

SJ350項目懸臂梁優(yōu)化之后的主尺度見表3。

表3 SJ350項目懸臂梁優(yōu)化之后的主尺度

4 懸臂梁結構

懸臂梁主要有門型開敞式和箱型封閉式2種結構。

4.1 門型開敞式結構

門型開敞式結構由2根側向工字梁、上部工字梁和甲板及內部平臺組成，整個結構在縱向形成一個“門”字；懸臂梁內部區(qū)域敞開，井口和月池區(qū)域位于懸臂梁艉部，堆場位于懸臂梁上甲板。

4.2 箱型封閉式結構

箱型封閉式結構由2根側向工字梁、上部工字梁和甲板及內部甲板和艙室組成，為全封閉的箱型結構。井口和月池區(qū)域位于懸臂梁艉部，泥漿處理設備位于懸臂梁中部，配電和控制單元位于懸臂梁艏部，堆場位于懸臂梁上甲板。

2種懸臂梁結構型式取決于不同的鉆井作業(yè)流程理念，其中：門型開敞式結構懸臂梁應用廣泛，整體重量較輕；箱型封閉式結構懸臂梁整體重量較大，內部設備布置較多。2種懸臂梁結構型式比較見表4。

表4 2種懸臂梁結構比較

對2種結構進行分析后認為：布置空間較大、自重較輕且通用性較強的門型開敞式結構作為SJ350項目的懸臂梁結構較為合適，可為布置于甲板面上的滑移裝置液壓泵站和控制臺提供空間；同時，控制臺視野較為開闊，方便操作員觀察左右兩側滑移裝置的工作狀態(tài)和位移情況。

進一步對結構的力學模型進行分析后認為：懸臂梁結構通過兩側大梁進行結構承載，主要高應力區(qū)集中于縱向梁下部、艉端壁支撐和懸臂梁艏端下部反扣區(qū)；同時，剪應力自艉部支撐和艏部反扣區(qū)位置起，呈斜向分布，為典型的多點支撐梁結構應力分布模式。

5 滑移裝置方式分析

為實現(xiàn)懸臂梁滑移，需布置相應的滑移裝置，目前有以下幾種較為常見的滑移裝置型式。

5.1 棘爪推移方式

棘爪推移裝置主要由棘爪裝置、液壓缸、滑移座板和滑移軌道組成。軌道上開有方形的固定口。在作業(yè)時，液壓缸伸長，棘爪從移動底座邊板上的矩形孔處自動松開，滑塊移動1個節(jié)距后液壓缸縮回，同時棘爪自動卡進相應的矩形鎖緊孔中鎖緊，從而拖動懸臂梁移動1個節(jié)距[3]。

5.2 液壓缸銷軸推移方式

液壓缸銷軸推移系統(tǒng)主要由2組液壓缸基座、推進液壓缸和滑移銷軸等組成，懸臂梁導軌上開有一定間距的圓孔，用于固定插銷。在作業(yè)時，左右液壓缸同時伸出或縮進，帶動銷軸運動。銷軸移動1個節(jié)距后打入軌道上的小孔中鎖緊，左右液壓缸再次縮進或伸出，推動懸臂梁移動。

5.3 齒輪齒條滑移方式

齒輪齒條滑移系統(tǒng)主要由齒條軌道、傳動齒輪和樁邊馬達組成。在作業(yè)時，樁邊馬達驅動齒輪減速箱，將動力傳遞給與齒條嚙合的傳動齒輪，從而帶動懸臂梁移動。齒條設置在懸臂梁的主梁上，每根齒條對應1組傳動齒輪[4]。

比較現(xiàn)階段的滑移方案可知：銷軸滑移方案因在操作性能和成本方面具有一定的優(yōu)勢而得到廣泛應用；齒輪齒條方案具有優(yōu)異的移動速度和連貫性。3種常規(guī)懸臂梁滑移裝置比較見表5。

表5 3種常規(guī)懸臂梁滑移裝置比較

對幾種滑移裝置進行分析后認為：安裝方便、運行可靠的銷軸滑移方案作為SJ350項目的懸臂梁滑移裝置較為合適。

5.4 滑移裝置推移載荷

鉆臺滑移能力需滿足鉆臺和井架的自重、風載荷及立根盒載荷等方面的要求。懸臂梁滑移能力不僅包含上述鉆臺的載荷，還需滿足懸臂梁自重和懸臂梁堆場載荷的要求；同時，考慮鉆臺在最大橫向位移工況下懸臂梁縱向滑移產(chǎn)生的額外負載。目標平臺鉆臺滑移系統(tǒng)設計所需應力見表6。

表 6 目標平臺鉆臺滑移系統(tǒng)設計所需應力 單位：kN

懸臂梁滑移設計除了考慮滑移裝置本身以外，還要結合反扣裝置和基座的載荷強度。懸臂梁橫向滑移載荷為：動態(tài)載荷10250kN；靜態(tài)載荷14600kN。

上述載荷作為滑移設備選型的基礎數(shù)據(jù)，相關設計信息都需得到船級社取證認可[4]。

6 懸臂梁組合載荷分析

懸臂梁除了承受結構和設備等自身的重量及鉆臺井架結構和設備的重量以外，還需承受大鉤載荷、轉盤載荷、立根盒載荷和導管張緊載荷等作業(yè)載荷[5]。

各項作業(yè)載荷在作業(yè)過程中并不同時出現(xiàn)，從作業(yè)方法和懸臂梁極限承載的角度提出懸臂梁的最大組合載荷，優(yōu)化懸臂梁設計[6]。SJ350項目的2種懸臂梁組合載荷方案見表7，懸臂梁載荷圖譜見圖5和圖6。

表 7 SJ350 項目的 2 種懸臂梁組合載荷方案 單位：t

圖 5 907t大鉤載荷懸臂梁載荷圖譜

圖 6 680t大鉤載荷懸臂梁載荷圖譜

從圖5和圖6中可看出，2種組合載荷方案給出了不同的大鉤載荷、轉盤載荷和懸臂梁最大組合載荷，分別影響了組合載荷圖譜曲線。

懸臂梁結構可根據(jù)2種組合載荷進行調整：在滿足大鉤載荷方案的基礎上，對小鉤載荷方案的懸臂梁主壁板厚進行優(yōu)化調整，降低懸臂梁自身重量 8%左右，應對不同作業(yè)需求。根據(jù)懸臂梁組合載荷參數(shù)，鉆臺橫向滑移的載荷情況見表8。

表8 鉆臺橫向滑移的載荷情況

7 結 語

通過調研國內外同類型自升式鉆井平臺，對不同的懸臂梁形式、結構型式和滑移裝置進行了對比分析，完成了目標平臺的懸臂梁系統(tǒng)方案和主尺度設計。對懸臂梁組合載荷進行分析，提出了滿足不同作業(yè)要求的組合載荷圖譜。

SJ350項目懸臂梁采用傳統(tǒng)滑移方式，開敞式門型結構；系統(tǒng)布置方便，結構簡單。組合載荷按照實際作業(yè)工序對鉆井模塊的各設備載荷進行組合，得到更加合理的載荷方案。此外，對目標平臺2種組合載荷情況進行了計算分析，優(yōu)化了懸臂梁自身重量。