國內深水自升式鉆井平臺發展概況

羅宏志, 蒙占彬

(1.中國石化集團國際石油工程有限公司,北京 100011;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,東營 257017)

國內深水自升式鉆井平臺發展概況

羅宏志1, 蒙占彬2

(1.中國石化集團國際石油工程有限公司,北京 100011;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,東營 257017)

介紹了桁架腿自升式鉆井平臺國內外技術現狀及發展趨勢,并重點分析了桁架腿自升式鉆井平臺國產化的必要性和關鍵技術。

桁架腿;自升式鉆井平臺;國產化

Abstract:The current technical status and trend of truss leg self-elevating drilling unit at home and abroad are introduced.Then the homemade necessity and key technology of the truss leg self-elevating drilling unit are mainly analyzed.

Key words:truss leg;self-elevating drilling unit;homemade application

0 引言

在海洋油氣勘探開發中,自升式鉆井平臺是目前應用最為廣泛的移動式鉆井設施。它主要由平臺主體、樁腿、升降系統、鉆井裝置等組成。其中,樁腿是自升式鉆井平臺的重要構件之一。樁腿結構形式有柱體式和桁架式兩大類(如圖1所示)。柱體式樁腿由鋼板焊接成封閉式結構,其斷面有圓柱形和方箱形兩種,一般用于作業水深60 m以下的自升式平臺;水深加大,波浪載荷劇增,結構重量增大時,宜采用由弦桿、水平撐桿和斜撐桿組成的桁架式樁腿,樁腿可按海底地質條件情況設置樁靴,樁靴的平面形狀有圓形、方形和多邊形。

圖1 自升式鉆井平臺分類

1 國內外技術發展現狀及趨勢

1.1 國外技術發展現狀

國外在中深水自升式鉆井平臺設計與建造方面起步早。截至2009年3月,總計已建200余座中深水桁架腿自升式鉆井平臺,另有58座在建中。在建深水桁架腿自升式鉆井平臺統計如圖2所示。

從圖2可以看出,目前在建的中深水桁架腿自升式鉆井平臺主要由Friede&Goldman(以下簡稱:F&G)、GUSTO MSC、KEPPEL、PPL和LeTourneau等公司或船廠設計。這些公司或船廠在中深水桁架腿自升式鉆井平臺設計方面具有豐富經驗,已經形成多種型號的系列產品,產品均經過實踐檢驗,獲得了全球鉆井承包商的廣泛認可。其中LeTourneau公司是自升式鉆井平臺設計的先驅,全世界1/

3的自升式平臺出自其設計;荷蘭MSC公司設計了一系列工作于超惡劣海況海域的自升式鉆井平臺(例如挪威北部海域與加拿大東部海域);20世紀80年代初,美國F&G公司就已申請齒條鎖定系統(Rack Chock Fixation System)專利,這一齒條鎖定系統使得自升式鉆井平臺能夠進入更深、更惡劣海況的海域工作。F&G的L-780系列自升式鉆井平臺共建造了39艘,取得了很大成功。表1列舉了目前具有代表性的幾種中深水桁架腿自升式鉆井平臺的關鍵技術參數。

圖2 全球在建中深水桁架腿自升式鉆井平臺統計圖

表1 幾種不同型號的中深水桁架腿自升式鉆井平臺技術參數對比

目前,自升式鉆井平臺的發展趨勢如下:

①平臺工作水深不斷增加,現最深已達168 m;②配備懸臂梁系統,懸臂梁移動范圍更大,一次就位鉆井口數更多;③發展高強度三角形桁架三樁腿結構,采用電動齒輪齒條升降系統,并配有鎖緊機構;④采用高強度鋼和更高強度鋼,以降低平臺自重;⑤增大平臺可變載荷及甲板空間、全天候的工作能力和自持能力;⑥配備鉆井能力更強、自動化程度更高的先進鉆井設備;⑦更加注重健康、安全、環保。

1.2 國內技術發展現狀

我國三大石油集團目前擁有的中深水桁架腿自升式鉆井平臺共計25座(包括在建8座),詳見表2。其中6座平臺役齡已超過20年,“勘探2號”、“渤海4號”和“COSL 935”役齡甚至已超過30年。雖然很多平臺已作改造,但僅更換部分設備和改善生活設施,性能上沒有大的改變。現有中深水桁架腿自升式鉆井平臺遠遠滿足不了我國海洋石油勘探開發的需要。

中國海洋石油總公司的“海洋石油941”和“海洋石油942”是目前國內自動化程度最高、作業水深最深、具有國際先進水平的自升式鉆井平臺。該平臺屬F&G設計的JU2 000型,一次定位最多能鉆30多口井,并配備了自動化排管系統。

目前,國內已經自主設計建造了多座淺水圓柱腿自升式鉆井平臺,但在中深水桁架腿自升式平臺設計方面尚無業績。國內造船廠如大連造船重工、滬東中華船廠等在上世紀80年代即開始建造鉆井平臺。在近年全球造船市場萎縮而海工市場興起的情況下,國內大量船廠也開始建造鉆井平臺,其中包括上海外高橋造船有限公司、煙臺萊佛士船業有限公司、廣州中船黃埔造船有限公司、南通中遠船務、招商局重工(深圳)有限公司、青島北海船舶重工、山海關船廠等。國內船廠建造自升式鉆井平臺的能力已經達到較高水平,為實現國產化創造了條件。

表2 國內現有桁架腿自升式鉆井平臺(含在建)

2 中深水桁架腿自升式海洋平臺國產化

2.1 國產化的必要性

目前,我國已經掌握了淺海殼體式樁腿自升式鉆井平臺的設計與建造技術,并且自主設計建造了“中油海洋5、6、7、8號”、“海洋石油281”等自升式鉆井平臺。但國內尚未掌握中深水桁架腿自升式鉆井平臺設計的關鍵技術,也無桁架腿自升式鉆井平臺成功的設計經驗。國內三大石油公司擁有的桁架腿自升式鉆井平臺都是直接從國外購得或依靠國外設計,再由國內船廠進行施工建造。(如:海洋石油“941”、“942”即是中國海洋石油總公司委托美國F&G設計、大連船舶重工集團有限公司建造)。

然而桁架腿自升式鉆井平臺從國外進口或依靠國外設計存在以下弊端:

①購買費用或設計費用昂貴;②平臺的設計與布置不能完全適應國內生產、操作的需要;③設備全部進口,日后操作、維修會遇困難,如更換成國產設備,可能造成平臺建造過程中重量難以控制;④會對國外設計公司和供貨商造成依賴;⑤不利于國內海洋石油工業的發展。

結合我國現有國產設備情況,系統地對中深水桁架腿自升式海洋平臺設計的關鍵技術進行研究,形成具有我國特色,適于我國海洋石油勘探開發的中深水桁架腿自升式鉆井平臺設計技術,將對提升我國海洋工程能力,加快我國南黃海、東海以及南海等水深較大的大陸架油氣資源的勘探開發具有重大意義。

2.2 需要解決的關鍵技術

(1)波浪與海流載荷的計算

桁架腿自升式平臺由于作業水深較大,因此環境載荷對整個平臺的安全性起著至關重要的作用。而環境載荷中的波浪與海流載荷的準確計算一直是個難題,因此如何準確確定平臺樁腿所受波浪與海流載荷、如何準確確定 CD、CM,對平臺樁腿結構的優化設計,保障平臺的安全性,提高平臺的經濟性具有重要意義。

(2)平臺總體性能優化研究

隨著作業水深的增加,平臺樁腿長度需要相應增加,這勢必會影響平臺拖航狀態穩性等總體性能,故而需要對深水桁架腿平臺總體性能進行優化研究,以確保平臺的安全性。

(3)波浪、海流和風等環境載荷聯合作用下的動力響應分析

隨著作業水深的增加,波浪、海流等環境載荷劇增,工況更加惡劣和復雜,這時需要考慮動力效應,對平臺的振動、動力響應等進行分析。

(4)桁架樁腿結構形式的優化研究

桁架樁腿主要由弦桿、水平撐桿、斜撐桿等構件組成,如何優化弦桿間距、水平撐桿節距、斜撐桿布置形式及以上構件尺度等,對保證樁腿結構的安全性及降低樁腿結構重量與造價具有重要意義。

(5)樁腿與船體及固樁架區域的連接形式的研究

桁架式樁腿與船體和固樁架接觸面積小,但接觸點多,這就需要對樁腿與船體及固樁架的連接形式進行研究,以保證兩者之間能夠良好地進行力的傳遞。

(6)樁腿鎖緊裝置配套技術研究

包括鎖緊裝置與平臺的連接方式、鎖緊裝置結構形式等方面的研究。

(7)基于國產設備的平臺配套技術研究

結合國產設備情況,配套研究相關設備,優化平臺性能,保證平臺具有良好的經濟性與適用性。

(8)滿足逐年增高的QHSE要求和標準

近年來,加強海洋環境保護已經成為全世界環保工作的重點。國際海事組織、各國船級社等相繼提高海洋平臺環保標準,并對泥漿和巖屑的不落地回收、零排放、壓載水等提出了更高要求和標準,新開發的中深水自升式平臺務應滿足QHSE相關要求。

3 結束語

國家發改委2009年通過的《船舶工業調整和振興規劃》將海洋工程裝備作為發展重點之一,要求大力開展技術創新,提高自主研發能力。國家三大石油公司也都在“十二五”規劃中對進一步提高海洋石油勘探開發能力進行了具體規劃。形成具有我國特色、適于我國海洋石油勘探開發的中深水桁架腿自升式海洋平臺設計技術,將對提升我國海洋工程能力,加快我國南黃海、東海以及南海大陸架油氣資源的勘探開發、解決油氣供需矛盾具有重要意義。

[1] 汪張棠,趙建亭.自升式鉆井平臺在我國海洋油氣勘探開發中的應用和發展[J].船舶,2008,19(1):10-15.

[2] 陳宏,李春祥.自升式鉆井平臺的發展綜述[J].中國海洋平臺,2007,22(6):1-6.

[3] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范[S].北京:人民交通出版社,2005.

[4] 馬志良,羅德濤.近海移動式平臺[C].北京:海洋出版社,1993.

[5] 孫東昌,潘斌.海洋自升式移動平臺設計與研究[C].上海:上海交通大學出版社,2008.

General Situation of Deepwater Self-Elevating Drilling Unit Develop in China

LUO Hong-zhi1, MENG Zhan-bin2
(1.Sinopec International Petroleum Service Corporation,Beijing 100011,China;2.Sinopec Shengli Oilfield Technology Institute,Dongying 257017,China)

TE951

A

1001-4500(2010)04-0004-04

2010-06-11

羅宏志(1969-),男,高級工程師,主要從事海洋石油工程項目開發和管理。