鉆井支持平臺輔助張力腿平臺聯合作業應用

杜 仲，劉永剛，畢鐵滿，李 偉，王金光

（1. 大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116000；2. Technip MHB Hull Engineering，吉隆坡 50400）

0 引 言

20世紀60年代初，鉆井支持平臺主要應用于墨西哥灣水域水深150m以下的固定式平臺中；從20世紀80年代開始，鉆井支持平臺的應用范圍逐步擴大，至今已在7000多口油井中得到應用。隨著海洋工程技術的不斷發展，這種平臺逐步在深水干式采油樹平臺中得到應用，并衍生出一種可靠、高效、成熟的油田開發策略。鉆井支持平臺主要應用于邊際油田和深水油田的開發中，同時因具有一定的靈活性而能輔助完成老舊平臺的鉆井作業和其他一些特殊作業。

1 鉆井支持平臺輔助鉆井作業分析

采用鉆井支持平臺輔助鉆井最顯著的優勢之一是能減輕鉆井包的質量。典型鉆井負荷對比見表1。鉆機平臺上的鉆井設備單元只需包含井架、井架底座、吊運設備和部分固相控制設備，而泥漿泵、動力裝置、物資存儲裝置、生活單元、長井或深井作業需要的大量泥漿（特別是多種泥漿的情況）和套管等都可布置在支持平臺上。鉆井支持平臺上的鉆井設備單元相對較輕，只有平臺鉆機的20%～25%，可利用支持平臺自身的吊裝設備將其安裝到鉆機平臺上，不需要額外租用工作船或起吊船。深水平臺和超深水平臺的建造費用和安裝費用都很高，據統計，每減小1kg工作載荷，可節省5～35美元的成本。

表1 典型鉆井負荷對比 單位：t

與采用獨立的鉆機平臺的方式相比，采用鉆井支持平臺輔助鉆井作業的方式可提升10%～25%的工作效率。輔助鉆井的主要優點包括：

1) 鉆井設備單元區域更小。在同等作業能力下，鉆井設備單元水平和懸垂所占據的空間大概是平臺鉆機的1/3。

2) 能快速立井。對于大型鉆機平臺的立井過程而言，不管是利用自身吊機還是借助起重駁船，通常都需耗費20～30d的時間，而采用鉆井支持平臺可在2～3d內完成。

3) 具有額外的居住和建造功能。鉆井設備單元移出之后，臨時生活單元可布置在甲板上。平臺的甲板空間和配備的大型吊機可滿足建造工作的需求。

4) 具有額外的存儲空間。在鉆井作業開始之前，工作船運輸的單井鉆探物資都可裝載在輔助平臺上，這可使工作船因海況限制而引起的停工期縮短。

5) 試井效率更高。高速率試井需要高負載、大尺寸的設備：用于存儲洗井液的大體積水槽、試井油氣火炬臂架和大量的冷卻水，這些因鉆機平臺甲板空間有限而無法布置的設備都可存放在輔助鉆井平臺上。

6) 具有輔助功能。在輔助鉆井的同時，支持平臺能提供充足的甲板空間、生活單元和存儲能力及分離焊接區域，可用于線纜和軟管等設備的檢查及生產設備的安裝和維護。

7) 具有獨立的安全港。一旦鉆機平臺出現緊急狀況，鉆井支持平臺可作為營救和指揮中心，并可節省守備船使用過程中產生的相關費用。鉆井支持船在固定式平臺上的應用見圖1。

圖1 鉆井支持船在固定式平臺上的應用

2 半潛式鉆井支持平臺的發展歷程和適用條件

目前全球范圍內有約25個輔助鉆井平臺，其中有4臺為半潛型。自20世紀80年代中期開始，一些鉆井承包商和運營商嘗試臨時改裝已有的半潛式鉆井平臺，以輔助鉆井平臺的模式運作，取得很大的成功。半潛式鉆井支持平臺的出現使得輔助鉆井的模式發展到一個新的階段。半潛式鉆井支持平臺優越的運動性能使得其能在相對惡劣的海況下作業。半潛式輔助鉆井平臺逐步成為深水油田區域和超深水油田區域開發中的一種可靠選擇，其性能比以往的單體平臺更優，主要表現在：

1) 更好的運動性能。特別是在安裝和卸載鉆井設備單元及傳遞較大的模塊或結構的工程中。

2) 更高的空間利用率。主要是新的設備布局允許在以往的起吊區域存儲和放置消耗品。

3) 井架起升作業更便利。與半潛式輔助鉆井平臺相比，單體船或駁船通常需將船舷調整到靠近平臺的位置進行井架起升作業，然后再將船尾調整到靠近平臺的位置進行其他作業。

4) 自身更高的甲板高度使得其起重設備更容易延伸到40m高度的生產平臺的位置。

5) 更好的定位可靠性。單體船對橫向載荷和系泊破斷很敏感，在靠近平臺時不允許隨海況的變化而改變方位。

6) 能縮短因作業海況限制而引起的停工期。

在一定的水深范圍內和一定的海底地質條件下，自升式平臺是完成鉆井作業的首選；而在相同的作業區域和規格要求下，鉆井平臺的造價通常低于鉆井支持平臺。因此，鉆井支持平臺具有特定的應用條件。在實際項目中，鉆井支持平臺的應用對象主要包括：

1) 工作水深相對較深并且承載能力和空間有限的固定式平臺。

2) 自身性能下降或因安裝其他設備導致空間或承載能力受限的老舊平臺。

3) 覆蓋特定井口數量的Spar或張力腿平臺（Tension Leg Platform, TLP）。

生產平臺的工作性能會隨著工作年限的增加而下降，生產設備的安裝會減少甲板的使用空間和降低平臺的承載能力，在開發新井時可能已失去原有的獨立鉆井能力。鉆井支持平臺對這類老舊平臺具有獨特的吸引力。

對于需優先考慮質量和空間問題的深水Spars和TLP：若井口數量為9～24個，則適合選用鉆井支持平臺；若井口數量少于9個，則對應平臺的尺寸較小，無法承受任何形式的井架或鉆井設備單元，因此鉆井作業需由其他平臺來完成；若井口數量超過 24個，則對應平臺體積龐大，足以承受模塊化鉆機的作業載荷并滿足鉆井作業對甲板面積的需求，因此不需要鉆井支持平臺的輔助。

3 TLP選用鉆井支持平臺的主要特點

TLP可應用干式采油構架，在深水作業或超深水作業中具有良好的經濟性[1-2]。TLP對工作載荷和甲板面積有特定的限制，其鉆井作業主要采用以下3種方案：

1) 使用自身配置的鉆井設備鉆井。包括鉆井塔、電力供應裝置和立管在內的整個鉆井包及泥漿等鉆井消耗品全部安置在平臺上。

2) 完全依賴其他平臺鉆井。當獨立的鉆井平臺被定位到井口上方進行鉆井作業時，TLP被暫時移出原來的工作區域。

3) 依托鉆井支持平臺進行聯合鉆井。當需要進行鉆井作業時，將鉆井塔安裝在TLP上；鉆井過程中用到的消耗品、發電設備及鉆井人員的起居場所都可安置到鉆井支持平臺上。

鉆井作業周期取決于井槽的數量和油井的深度。對于TLP來說，其鉆井作業周期相對于使用壽命較短。然而，鉆井配套設施對平臺的浮體尺寸和張力腿強度（甚至是總體結構）有很大的負面影響。因此，合理地減小鉆井工作載荷非常必要。相對于配置完整的鉆井設備，使用鉆井支持平臺的TLP可減小約75%的鉆井工作載荷，相應地降低約75%的甲板面積要求，這可有效降低船體和張力腿的造價。這源于移除，移除的主要部分包括鉆井生活模塊、鉆井電力供應設備、泥漿和水泥的存儲、泥漿的處理和清理設備、管架存儲、立管存放、完井液的儲備、鉆井水存儲及燃油存儲。TLP使用鉆井支持平臺的一個天然優勢是其定位由自身跨度很小的張力腿來實現，這有利于控制兩浮體定位系統之間的干涉。2000年以后建造的TLP匯總見表2，鉆井支持平臺輔助鉆井的模式已在墨西哥灣、西非、巴西和東南亞海域得到應用。

表2 2000年以后建造的TLP匯總

4 TLP與鉆井支持平臺聯合作業的設計工況和考慮因素

TLP與鉆井支持平臺聯合作業的設計工況包括：

1) 鉆井設備轉移和安裝。部分設備的轉移對兩浮體之間的距離和方位有嚴格限制。

2) 輔助鉆井作業。柔性軟管一方面向干樹井傳送高壓泥漿，另一方面保障鉆井氣體供應和低壓泥漿回流；臍帶纜用于信號控制和電力供應；伸縮式舷梯為工作人員提供往返的通道，保持連接狀態。

3) 等待和避離。

鉆井支持平臺與TLP聯合作業實況見圖2，其典型的作業工況見圖3～圖5。

圖2 鉆井支持平臺與TLP聯合作業實況

圖3 輔助鉆井作業

圖4 鉆井設備轉移與安裝

圖5 避離工況

鉆井支持平臺輔助鉆井作業過程中面臨的最大挑戰是控制兩浮體之間的相對運動[3-4]。實踐結果證明：布置于TLP與鉆井支持平臺之間的纜繩可有效同步兩浮體的運動，從而減弱彼此間的相對運動；同時，作為一種從動的定位系統，可提供安全高效的作業條件。整個系泊系統的典型設計為：兩浮體之間由2根或4根尼龍繩連接；在TLP遠離鉆井支持平臺的一端布置多條系泊纜來提供反向的水平拉力，以保證兩浮體之間的纜繩保持張緊狀態；鉆井支持平臺自身的定位由散布的張緊式系泊纜實現，通過在遠離TLP一端的系泊纜上安裝浮筒來提供額外的水平拉力。這種相互聯動的定位方式的另一個優點是可通過調整各條系泊纜的長度來確保TLP位于井口正上方。在設計時應綜合考慮并能保證選取的纜繩既可有效限制兩浮體之間的低頻相對運動，又有足夠的彈性減小浮體波頻運動引起的張力。

對于這種相對位置可調的多體運動而言，需根據作業要求規劃好2個平臺在不同條件下的名義距離，建立充分的風險評估表并進行潛在碰撞分析。系泊系統的耦合作用和瞬態效應通過時域分析來模擬，并在此基礎上評估浮體之間的相對運動[5-7]。

1) 在一年一遇的海況條件下，鉆井支持平臺開展常規作業。這時應保證纜繩斷裂后兩浮體間的瞬態最小距離不小于限定值；保持臍帶纜和泥漿軟管處于足夠松弛的狀態，不發生過載；分析系泊纜斷裂之后（破斷點包括導纜孔處、浮塊連接處、靠近錨連接處或錨連接處）各部分行進的軌跡，確保浮塊、錨鏈和鋼絲繩既不會碰到TLP的船體和立管，也不會搭落于TLP系泊纜上。當超過該海況條件時，需斷開臍帶纜、泥漿軟管和通道的連接。

2) 在十年一遇的海況條件下，鉆井支持平臺進入等待區域，仍通過纜繩與TLP連接。這時需考慮單根系泊纜斷裂的瞬態效應并確保鉆井支持平臺與TLP不發生碰撞。

3) 在百年一遇的海況條件下，鉆井支持平臺斷開與纜繩的連接，撤離到避離區域。這時需確保系泊系統在完整工況和破損工況下的完備性和冗余度，以避免與TLP發生碰撞。

5 結 語

本文介紹了鉆井支持平臺輔助鉆井作業的發展歷程、主要優勢和應用范圍及TLP對鉆井支持平臺的選用，主要闡述了鉆井支持平臺輔助TLP聯合作業的典型工況和前期設計過程中系泊設備的設計與選取及分析多體耦合系泊時需考慮的各種要求。鉆井支持平臺的應用可降低油田區域開發整體方案中浮體部分的功能性要求，減少浮體（特別是TLP）的前期資本投入。在浮體選型的概念設計階段，應對這種作業模式的經濟性和適用性進行綜合考量。