海洋平臺(tái)鉆井系統(tǒng)的特殊性設(shè)計(jì)

韓明良，滕瑤，王海冰，邵會(huì)良，丁曉冬

（煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺(tái) 264000）

0 引言

隨著陸上油氣資源的日益枯竭，我國(guó)將加強(qiáng)深海水域的開發(fā)力度。在中央制定的“深海”戰(zhàn)略下，“裝備先行”成為中國(guó)開發(fā)南海的必然選擇。目前，我國(guó)的海洋工程裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模約為300億元人民幣，約占世界市場(chǎng)份額的7%[1]，雖在環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)及珠三角地區(qū)初步形成了具有一定聚集度的海工裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)，但是在深海方面，中國(guó)海工裝備企業(yè)的研發(fā)、設(shè)計(jì)水平與歐美國(guó)家相比還有較大差距，即使在最為擅長(zhǎng)的制造環(huán)節(jié)，與韓國(guó)、新加坡等亞洲制造強(qiáng)國(guó)相比也處于弱勢(shì)。因此，我國(guó)急需突破深水關(guān)鍵技術(shù)，大力發(fā)展以海上油氣為代表的海上礦產(chǎn)資源開發(fā)關(guān)鍵裝備（如海洋鉆井平臺(tái)等）。

海洋工程的關(guān)鍵設(shè)備是海洋鉆井平臺(tái)，海洋鉆井平臺(tái)是海洋工程的最尖端技術(shù)設(shè)備。海洋鉆井平臺(tái)實(shí)質(zhì)上包括三部分：船舶部分、定位部分和鉆井部分。由于造船工程師對(duì)鉆井部分還相對(duì)陌生，本文從最初的陸地鉆井設(shè)備開始，逐步介紹海洋鉆井與陸地鉆井的差異并以實(shí)例分析海洋鉆井平臺(tái)的特殊性設(shè)計(jì)。

1 陸地鉆井[2]

目前，常規(guī)的陸地鉆井（圖1）主要采用旋轉(zhuǎn)鉆井方法，其主要工作原理是：利用鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石，形成井身；利用鉆柱將鉆頭送到井底；利用起升設(shè)備起下鉆柱；利用轉(zhuǎn)盤或井下動(dòng)力鉆具帶動(dòng)鉆柱和鉆頭旋轉(zhuǎn)；利用泥漿泵循環(huán)鉆井液帶出井底巖屑。陸地鉆井與海洋鉆井的相同點(diǎn)如表1所示。

表1 陸地鉆井與海洋鉆井的比較

2 海上鉆井和相關(guān)D90參數(shù)

雖然常規(guī)的海上鉆井設(shè)備與陸地鉆井設(shè)備在原理上有共同之處，但海上鉆井也有其特殊性。本文選用以D90為參考船型，該船是煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司交付的第二艘海洋鉆井平臺(tái)，基本參數(shù)如表2所示。

表2 D90基本參數(shù)

本文以該船型為例來介紹相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)原理。

1）頂部驅(qū)動(dòng)鉆井。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井多為海洋鉆井平臺(tái)采用，這套設(shè)備被稱為頂驅(qū)系統(tǒng)，不再使用陸地用的方鉆桿，而都采用相同鉆桿。海上鉆井亦設(shè)有轉(zhuǎn)盤，該平臺(tái)既可順時(shí)針也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)由兩臺(tái)液壓泵驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)扭矩為46kNm，轉(zhuǎn)速為0r/min～20r/min。該平臺(tái)也可提供導(dǎo)向，在更換鉆桿時(shí)起支撐作用。一般設(shè)置高防爆的司鉆房實(shí)現(xiàn)人員就地控制；D90上的頂驅(qū)系統(tǒng)選用液壓驅(qū)動(dòng)，型號(hào)為DDM1000 HY-RR。

2）海上鉆井平臺(tái)由于需要隔離海水所以管路比陸地多了riser隔水管等，鉆桿和泥漿系統(tǒng)都通過riser管以達(dá)到與海水的分離，海水越深隔水管越多也就越重，為減輕重量通常隔水管外面包上厚厚的泡沫塑料以增大水中的浮力；由于平臺(tái)空間有限所以管路儲(chǔ)放采取了平放和立放多種形式，為減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，操作系統(tǒng)一般都采用自動(dòng)和半自動(dòng)系統(tǒng)；D90采用兩套管路操作用橋式起重機(jī)，起重能力11噸，配合其他機(jī)械手等組成半自動(dòng)操作系統(tǒng)。

3）海上的防井噴裝置BOP和采油樹一般都設(shè)計(jì)在海底這與陸地不同，BOP的控制系統(tǒng)一般采用液壓控制，但與陸地不同是液壓流體不是液壓油，而是乙二醇水溶液，一來防止海洋污染二來有很好的抗凍性，因?yàn)樵酵５诇囟仍降停涣硗庖驗(yàn)锽OP和采油樹比較龐大所以另外還有一套為他們?cè)O(shè)計(jì)的操作吊車系統(tǒng)；D90采用的BOP吊車2X140噸。

4）平臺(tái)上空間狹小，防爆要求高，所以一般安裝兩套燃燒臂系統(tǒng)；D90上的燃燒臂長(zhǎng)84ft，帶燃燒頭和相關(guān)管路系統(tǒng)，通過交聯(lián)鏈接分布艉部左右；

5）為了防止平臺(tái)的上下移動(dòng)導(dǎo)致鉆動(dòng)力量不均可能引起的過載和空載，平臺(tái)特采用了一套鉆桿補(bǔ)償系統(tǒng)，為保持大的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償一般采用氣動(dòng)控制，主汽缸中的氣體壓縮或膨脹相當(dāng)于一個(gè)大的彈簧，而天車和大鉤基本保持不動(dòng)來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降補(bǔ)償；

6）為了防止隔水管RISER垂直方向移動(dòng)導(dǎo)致的斷裂，平臺(tái)一般設(shè)計(jì)有一套R(shí)ISER隔水管張緊系統(tǒng)，這套系統(tǒng)根據(jù)采集的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和預(yù)期補(bǔ)償使隔水管的偏移在一個(gè)允許的范圍內(nèi)；D90上采用6套張緊器，每套額定張緊力242噸，氣動(dòng)控制。

圖1 陸地鉆井

圖2 JBF14000鉆井平臺(tái)

7）海洋的環(huán)境與陸地是不一樣的，半潛式的鉆井平臺(tái)是浮在水面不是站在海底。海上的工況復(fù)雜，大風(fēng)大浪的，由于水深太深也無法用錨泊定位，即我們沒法把它固定在一個(gè)地點(diǎn)；既然不能絕對(duì)固定只好考慮相對(duì)固定，所以為了防止平臺(tái)的水平面在一定范圍內(nèi)移位一般平臺(tái)都采用DP2到3的自動(dòng)定位系統(tǒng)；D90采用DP3控制系統(tǒng)，關(guān)于這方面的內(nèi)容請(qǐng)參考我在《造船技術(shù)》雜志2010年第1期上的文章“鉆井平臺(tái)最高級(jí)定位設(shè)計(jì)和應(yīng)用——DPS3”。

8）水下機(jī)器人系統(tǒng)主要作用是水下觀察和水下操縱，一般是有纜遙控的。作用：如觀察鉆管、套管是否準(zhǔn)確插入。觀察BOP是否正常工作，BOP控制系統(tǒng)中的yellow line 和blue line就是為了讓ROV清楚分辨才涂的顏色，因?yàn)殛P(guān)上BOP和打開BOP對(duì)安全至關(guān)重要，所以要觀察操作是否正確，BOP的開關(guān)是用同一個(gè)控制開關(guān)操作的，以防誤操作。

3 海上鉆井平臺(tái)的最新動(dòng)向

1）雙塔鉆井設(shè)備。海上鉆井和陸地鉆井一樣，也是越快越好，效率就是金錢，效率就是生命。因此，如何提高效率是海洋工程最重要的課題。目前已有雙塔鉆井設(shè)備設(shè)計(jì)建造，工作效率可提高40%。

2）新型雙塔鉆井設(shè)備。現(xiàn)今的雙塔鉆井設(shè)備具有體積龐大、占空間巨大等缺點(diǎn)，故減少這些弊病又是一個(gè)新的課題。荷蘭Huisman設(shè)計(jì)的新型鉆塔在JBF14000鉆井平臺(tái)應(yīng)用已解決了這個(gè)問題，它的模型圖如圖2所示。

4 結(jié)論

在了解了平臺(tái)鉆井的基本原理后，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)就相對(duì)游刃有余，因?yàn)槠脚_(tái)的其他特殊點(diǎn)如DP問題都可在工程船上找到蹤影，全船管理系統(tǒng)在工程船上亦能找到影子。此外，防爆要求在油船上也能找到蹤跡，直升機(jī)飛機(jī)系統(tǒng)更是司空見慣。知道了鉆井這套系統(tǒng)，對(duì)海上鉆井平臺(tái)就有了總體概念，進(jìn)一步的研究還需在以后的工作不斷完成。

〔1〕王小聰.海洋工程裝備中長(zhǎng)期規(guī)劃年底出臺(tái)(N).財(cái)新網(wǎng), 2011-10.

〔2〕王建學(xué). 鉆井工程〔M〕.北京:石油工業(yè)出版社,2008.