第七代半潛式鉆井平臺鉆臺設計

楊鵬，劉超，李慧瑩，蔡京儒

（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）

0 引 言

隨著現代工業、科學技術和經濟的不斷進步發展，油氣資源及其他能源的需求日益增加，而現有的陸地資源已無法滿足持續增長的能源需求。因此對海洋領域特別是深水海域油氣資源的勘探開發成為重中之重。

目前我國在深水海域油氣資源開發方面取得了一定的成績[1]，但是核心技術掌握不夠，所采用的關鍵核心設備特別是鉆井設備仍然為國外企業所壟斷，國產化程度不高。為進一步發展我國海洋石油裝備，逐步實現海洋石油裝備的國產化，擺脫海洋高端裝備依賴進口的不利局面，以“第七代半潛式鉆井平臺”項目為依托，對其鉆井系統配套的鉆臺技術進行研究，成功設計了滿足其工藝流程和作業需求的鉆臺，如圖1所示。

1 設計原則

1.1 先進性原則

1）鉆臺的設計滿足雙井口作業的要求，滿足雙井架和先進鉆井設備安裝及運行的需要；

2）鉆臺的設計滿足鉆井載荷、BOP吊機載荷、隔水管載荷及風浪流力的共同作用；

3）鉆臺的設計符合最新標準規范、HSE要求。

1.2 輕量化原則

圖1 第七代半潛式鉆井平臺示意圖

鉆臺的主要作用是在作業過程中為井架、絞車、立根，以及相關鉆井設備提供支撐及安裝空間，為隔水管、立根、柱式排管機等提供輸送通道，為操作人員提供充足的作業空間，是鉆井載荷傳力路徑的載體。鉆臺質量過大將引起平臺質心、浮心坐標位置的變化，造成平臺作業時穩定性和安全性風險的增加。因此必須嚴格控制質量，在滿足強度、穩定性和內部空間要求的前提下盡力做到輕量化設計。

1.3 經濟性原則

鉆臺屬于大型鋼制結構件，在制作過程中需要耗費大量的人力和物力。設計時要本著經濟性的原則[2]，一方面采用高強度材料來減輕構件質量，節約原材料采購成本；另一方面優化結構并提高產品裝配及焊接等工藝性能，節約制造成本。

2 技術方案

2.1 總體結構

第七代半潛式鉆井平臺平臺采用了雙聯井架作業工藝，雙井架及鉆臺布置在月池正上方，采油樹處理系統與BOP處理系統分列平臺的左、右舷布置[3]。主鉆井系統和輔助鉆井系統并行、協同作業，可以大大提高鉆井的作業效率。鉆臺[4]有效高度為9 m,凈空高為7 m,整體上呈開口朝向船艏的“凹”字型，為大跨距門框式結構，同時采用分層布置，高低錯落有致，最大限度地保證了設備安裝空間和運行通道。鉆臺平面布置如圖2所示，鉆臺主框架結構如圖3所示。

圖2 鉆臺平面布置圖

圖3 鉆臺主框架布置圖

根據鉆臺部分承載情況，將鉆臺劃分三大區域：主承載區、輔承載區和功能區（如圖4）。

主承載區下方為張緊器滑移導軌和月池，上方為立根區域和雙井架，井架載荷、轉盤載荷、立根載荷、張緊器載荷等都通過該區域傳遞，同時在左舷側還需承受BOP吊機導軌支架傳遞的載荷，在右弦側需承受采油樹導軌支架傳遞的載荷，為鉆臺的主要受力區域。主承載區下方設有8個主承載立柱，這些立柱與臺面上井架支腳位置一一對應。主承載區安裝的設備有液壓轉盤、軌道式鐵鉆工、旋轉貓頭和柱式排管機等。

輻承載區主要為隔水管圍欄提供3面支撐（隔水管圍欄靠船艏側支腿坐落在主甲板上，其他3個面座落到鉆臺面上），同時在左舷側還需承受BOP吊機導軌支架傳遞的載荷。

圖4 鉆臺區域劃分示意圖

功能區除在左舷側需承受BOP吊機導軌支架傳遞的載荷外，其余部位僅承受設備的自重。功能區鉆臺上方7.5 m以內的空間設有雙層框架架構，安裝有LIR房、DIR房、絞車和導繩機等設備。

鉆臺主大梁采用高強度板料組焊的大截面組焊H型鋼制作，主承載立柱為采用高強度鋼板制作而成的大截面箱型結構，整個鉆臺具有承載能力高、穩定性好的特點。

2.2 技術參數

鉆臺高度為9 m；鉆盤梁底面至甲板面凈空高為7 m；雙井口間距為18 m；立根載荷為7500 kN；環境載荷：正常作業工況為36 m/s，風暴自存工況為56.5 m/s。

鉆臺質心處的動態加速度[5]值相加表如表1所示。

表1 波浪向下加速度最大值匯總表

3 關鍵技術

3.1 大跨距重承載的輕型鉆臺設計

第七代鉆井平臺井口間距為18 m,月池尺寸為42 m×8.8 m，鉆臺橫跨了整個月池的大部分，鉆臺尺寸為28.4 m×38.2 m（左右向尺寸×艏艉向尺寸）；僅單個井口的載荷就可達到1150 t，這些參數均大于全球較為先進的海洋平臺。表2統計了全球較為先進的幾個鉆井平臺的主要技術參數[6]。

表2 鉆井平臺主參數對比

為解決大跨距和重載荷對雙井架和鉆臺帶來的不利影響，一方面對鉆臺的主承載構件材料采用優質高強度合金鋼；另一方面在鉆臺下部根據各支點載荷的大小設置合理的支撐立柱，在有效地保證雙井架和鉆臺的強度、穩定性及剛度的同時最大限度地降低了鉆臺的質量。

3.2 緊湊型雙層框架結構的設計

海洋鉆井平臺對自動化作業程度要求較高，配套自動化設備種類齊全，而眾多的設備在安裝時需要充足的空間，這就要求必須在有效的空間內對各設備合理布局。第七代半潛式鉆井平臺在方案設計時為保證鉆桿、隔水管、軌道式鐵鉆工等的運行通道，將大梁的輔助設備放在了功能區。而功能區除開鉆桿和隔水管的運行通道以外，僅剩船艉側兩個井口之間的有限空間可以利用。為此，在功能區上方設計了緊湊的雙層框架結構，解決了1個儲物間、2臺LIR房、2臺DCR房、2臺鉆井絞車及2臺導繩機的安裝，利用有效的空間最大限度地保證了設備安裝。

圖5 緊湊型雙層框架結構

3.3 復雜工況下大型鋼結構件強度及穩定性分析

海洋鉆井平臺在風、浪、流的作用下會產生六自由度運動（ 橫蕩、 縱 蕩、 垂 蕩、 橫 搖、 縱搖及艏搖），動邊界[7]及承受海洋環境載荷是海洋鉆機與陸地鉆的一個重要區別。因此鉆臺在設計時不僅要承受結構自重、鉆井載荷、BOP吊機載荷、采油樹吊機載荷、張緊器載荷和隔水管圍欄載荷，還需考慮風載荷和波浪載荷等的聯合作用。根據API 4F（第4版）規范規定，應用有限元軟件建立鉆臺的有限元模型，并按AISC 335-89規范對所有構件的強度和穩定性進行了校核，解決了大型鋼結構件在復雜工況下的強度及穩定性分析的技術難點，在保證了鉆臺的強度及穩定性的基礎上提高了平臺建造的經濟性[8-9]。

4 結 語

從全球海洋鉆井平臺的發展趨勢來看，滿足超深水作業、承受較大可變載荷、全自動化控制、作業效率更高的半潛式平臺[10]依舊是今后發展的主流趨勢。第七代半潛式鉆井平臺鉆臺主要設計參數的達到性能先進、安全可靠的標準要求，其設計處于國內領先、世界先進的水平，滿足超深水鉆井平臺的需求。同時，這也是國內首次獨立設計、自主研發的第七代鉆井平臺配套用的鉆臺，填補了國家在超深水鉆井平臺鉆臺設計方面的空白。

第七代半潛式鉆井平臺鉆臺的成功設計，積極響應了“中國制造2025”戰略方針的要求，對推動海洋石油裝備關鍵產品的國產化具有積極的意義。