深水半潛式鉆井平臺BOP/采油樹處理系統研究

王愛民，白蘭昌，嚴金林，唐 文，范 松，付 俊，鄧 榮

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

BOP/采油樹處理系統是深水及超深水半潛式鉆井平臺的主要配套設備之一，負責存儲、起升、平移BOP(防噴器)及采油樹等大型水下器具。目前，BOP/采油樹處理系統整體設計與制造技術掌握在少數幾個國外相關公司手中，例如NOV、MH、TSC、Cameron等，他們的設計制造經驗豐富，產品質量可靠，技術革新不斷，占世界90%以上市場。因為平臺總體布局的多樣性，系統的配套形式及單元設備結構各異。

國內在這方面發展速度緩慢，處于研發起步階段，僅有四川宏華自主設計制造的BOP/采油樹處理系統應用在Tiger鉆井船上[1]，還沒有可用于半潛式平臺上的產品。本著提高我國在石油鉆井裝備的競爭能力和配套能力，縮短與國外發達國家海洋鉆井技術差距的目的，筆者對半潛式鉆井平臺BOP/采油樹處理系統進行了技術研究，以期完成制造，并應用于平臺，提高國產石油裝備的整體實力。

1 系統配套形式及優缺點

BOP/采油樹處理系統主要根據BOP與采油樹的組裝、拆卸、檢修、吊運以及鉆井工藝的要求進行設計和系統配套，目前普遍采用的配套形式主要有兩側下放與同側下放2種。采用兩側下放時，BOP和采油樹分置于月池兩側，需要在月池的兩側布置不同的設備，分別處理BOP和采油樹；采用同側下放時，BOP和采油樹布置在月池的同一側，共用同一套設備來完成吊運、下放等作業[2-4]。

表1給出了2種下放形式的優、缺點。對于平臺的探井作業，只在一個區域鉆一口井，采油樹只需要下放一次，下放BOP組和采油樹作業時間沒有沖突，采用同側下放不僅設備和空間使用率相對較高，效率影響也較??；但對于鉆井，采油樹作業次數多，兩側下放的效率優勢就比較突出，作業水域越深，鉆井的效率優勢就越明顯。另一方面，兩側下放要求月池的長度超出鉆臺兩側各8 m左右，占用平臺面積較大，而在平臺總體布局設計時，經常由于隔水管的存儲，鉆桿、鉆鋌、套管等管子堆放占用較多的面積，無法滿足兩側下放的空間要求[5]。

表1 兩種下放形式的優缺點對比

由于目標平臺使用雙聯井架作業工藝，設有兩套鉆井系統，鉆臺和月池的設計尺寸以及甲板面的作業面積可滿足兩側下放的空間要求。因此選取兩側下放的配套形式(如圖1)，在提高平臺的鉆井作業效率的同時，還能保證平臺的先進性。

圖1 目標平臺布局示意

2 系統設備組成及工藝流程

結合雙聯井架的主、輔起升系統布置及作業工藝，一套起升系統用于載荷相對較小的正常鉆井的起下鉆，另一套起升系統用于速度相對較慢的起升和下放隔水管、BOP。采油樹經由輔起升系統通過鉆桿下放，BOP經由主起升系統通過隔水管下放。因此，將采油樹處理系統與BOP處理系統分別布置在平臺的左、右舷。

采油樹處理系統主要包括采油樹吊機、采油樹臺車、采油樹滑橇等，如圖2。整套系統可對采油樹進行提升/下放、X/Y平移以及存儲等作業，覆蓋范圍廣、空間布置靈活可變。其作業工藝流程為：采油樹(多個)存放在平臺甲板的采油樹滑橇之上，滑橇可以沿導軌滑移，將采油樹運送至采油樹吊機的正下方，采油樹吊機將采油樹起吊，沿導軌平移向臺車正上方，下放采油樹至臺車上；臺車沿著月池兩側的軌道將采油樹輸送至井口位置[6]。回收采油樹的作業流程相反。

BOP/采油樹處理系統主要包括BOP吊機、BOP臺車、基座、導向支架等，如圖3。整套系統可對BOP組進行提升/下放、X/Y平移以及拆裝、存儲、試壓等作業。其作業工藝流程為：首先，在存儲區布置了3個基座，用來存放BOP組，以及BOP組拆卸后的LMRP或BOP Stack；其次，BOP吊機平移至BOP組正上方并起吊，沿導軌平移到臺車正上方，下放BOP至臺車上；導向支架設置在BOP吊機的一側支腿上，用來約束BOP組，防止其晃動；最后，臺車沿著月池兩側的軌道將BOP組輸送至主井口位置，連接隔水管下放。以相反工藝流程便可以回收BOP組。

1—采油樹吊機；2—采油樹滑橇；3—采油樹臺車。圖2 采油樹處理系統

1—BOP吊機；2—導向支架；3—基座；4—BOP臺車。

3 單元設備特點及設計要點

3.1 單元設備的結構及功能特點

兩套處理系統的布置緊緊圍繞鉆臺面、月池及BOP組/采油樹來開展。鉆臺面、月池尺寸及BOP組/采油樹的外形尺寸決定了各單元設備的結構、功能設計。結構及功能特點如表2。

表2 主要單元設備結構及功能特點

3.2 設計要點

3.2.1 主體結構力學設計

區別于陸地及固定式平臺，半潛式平臺在海浪的作用下存在橫、縱向振蕩及周期性的上下升沉運動，設備在作業時存在平臺運動產生的慣性力；除此之外，在進行結構設計計算時還需考慮船體的傾斜及風力作用等不利條件下產生的附加載荷。并且要全面分析設備在平臺正常作業、航行及風暴自存等不同工況下的載荷情況，最終還要驗證設計的合理性[8-11]。例如，對于BOP吊機在正常作業工況時的受力情況，通過有限元仿真，施加各種載荷進行了強度、剛度校核，如圖4。

圖4 BOP吊機強度及剛度校核云圖

3.2.2 行走驅動機構

軌道式單元設備(BOP/采油樹吊機、BOP/采油樹臺車)的行走作業執行機構通常采用液壓馬達驅動，齒輪齒條副傳動，滾輪沿導軌行走。齒輪齒條副傳動機構的加工、安裝精度要求較高，如果齒輪齒條在嚙合過程中存在傳動間隙，則會產生較大的振動、沖擊、噪聲，并產生動載荷；傳動齒的磨損也會加快。BOP、采油樹吊機的行程都超過了15 m，齒條的安裝精度很難得到保證。因此，在本設計中采用了鉸接式驅動機構，如圖5所示。行走驅動機構與結構主體之間采用銷軸鉸接，在固定齒條時，使齒條分度線通過銷軸中心線，這樣可確保嚙合切向力完全轉換成設備運動方向上的驅動力。并在減速器殼體上伸出一個導向輪沿齒條背面行走[12-13]。

鉸接式驅動機構的結構特點：

1) 裝配自由度較大，拆卸方便，易于維護。

2) 齒間距的調整可依靠調節導向輪的大小來實現。

3) 有效減小了齒條的橫向承載力。

4) 降低了齒條的安裝精度。

1—減速器；2—銷筒；3—導向輪；4—齒條；5—齒輪；6—殼體。

3.2.3 電液控制系統設計

BOP/采油樹吊機的行走、起升/下放，導向支架的夾持、行走等執行動作均采用液壓驅動及電液控制。選用負載敏感多路閥對各個執行元件進行控制；電控系統采用電液復合專用核心控制器，成本較低，抗振動、沖擊、電磁干擾能力強，系統響應速度快。操作面板采用遠程無線通訊遙控技術，通過操作面板上的按鈕和操縱桿控制設備所有的功能，并在各執行動作之間設計了聯動、互鎖等保護機制[14]。操作方便、靈活，安全可靠。

3.2.4 滾輪的選取

BOP/采油樹吊機、BOP/采油樹臺車行走機構設計有沿導軌行走的滾輪，其中滾輪的選用已經在工程領域有豐富運行經驗的HILMAN滾輪小車，如圖6。作為履帶式承載滾輪，HILMAN滾輪小車依靠一排承載滾輪沿導軌轉動，很好地實現了與導軌之間的面接觸，而且可以在導軌兩側面增設導向輪，以防設備偏斜運行。該滾輪小車可靠性較高，使用壽命較長；承載能力大[15](最大可達10 000 kN)，與導軌之間基本實現零摩擦，起動摩擦因數低至0.05，但是要求運行速度很慢。

圖6 HILMAN滾輪小車

3.2.5 拖鏈的選取

往復運動的軌道行走設備一般都會使用拖鏈來束縛、保護隨之運動的液壓膠管或電纜。拖鏈的選型要嚴格依據管線的數量和規格選定，其最小彎曲半徑不得小于最大管徑的彎曲半徑；當拖鏈內的管線管徑差異較大時，必須安裝分隔片，且布置時盡量避免重疊鋪設。此外，管線必須固定得當，避免設備帶動管線行走時拉斷或嚴重擠壓管線。必要時，在拖鏈的行走軌跡上布置導向槽，起到保護拖鏈及內部管線的作用。

4 結論

1) 結合雙聯井架的主、輔起升系統布置及作業工藝，確定BOP/采油樹處理系統采用分布鉆臺兩側的布置形式。用主、輔起升系統分別下放BOP與采油樹，可大幅提高平臺的作業效率。利于平臺后期升級擴展，保證平臺的優越性、先進性。確立了BOP/采油樹處理系統的作業工藝流程，實現對BOP/采油樹的提升/下放、X/Y平移以及拆裝、存儲等操作。

2) 圍繞鉆臺面、月池及BOP組/采油樹來開展單元設備的結構及功能設計，設計載荷應考慮平臺在不同工況下、各種不利因素下的載荷組合，關系到平臺的總體布局尺寸及平臺承受的可變載荷；吊機、臺車等單元設備結構設計應結構緊湊、輕量化。

3) 主要單元設備的行走驅動機構與結構主體之間采用銷軸鉸接，具有拆卸方便，易于維護的特點，并有效降低了齒條的安裝精度，減小了齒條的橫向承載力。兩套吊機的控制系統采用電液控制，在各動作之間設計了聯動、互鎖等電、液雙重保護機制，保證操作的安全可靠性。