近海自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)方案研究

高 潮，蔣曉寧

(大連海洋大學(xué)，遼寧大連116024)

0 引言

我國(guó)海岸線長(zhǎng)，在沿海和近海區(qū)域蘊(yùn)藏著豐富的海底石油和天然氣資源。海洋自升式鉆井平臺(tái)是海洋石油能源勘探的主要裝備，自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式和布置特點(diǎn)取決于其作業(yè)海區(qū)的地質(zhì)條件和環(huán)境條件，如何針對(duì)我國(guó)沿海和近海的具體條件，以及相關(guān)設(shè)計(jì)與建造規(guī)范，研究開發(fā)具有自主知識(shí)版權(quán)的自升式鉆井平臺(tái)，提出滿足作業(yè)需求的鉆井平臺(tái)主要尺度、總體布置、系統(tǒng)配置，以及優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案是近海工程裝備研發(fā)的主要研究?jī)?nèi)容之一，本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)該類型平臺(tái)的后續(xù)設(shè)計(jì)與制造提供了優(yōu)選的船型和關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備。

1 環(huán)境載荷與設(shè)計(jì)條件

通過(guò)對(duì)我國(guó)渤海灣、沿海和近海的調(diào)研，在收集整理資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出適合我國(guó)沿海與近海海域石油鉆井需求的自升式鉆井平臺(tái)。該平臺(tái)必須滿足在空氣溫度0～40℃、空氣濕度100%和海水溫度0～36℃下的工作條件，以及表1給出的平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境條件和風(fēng)暴自存工況下的環(huán)境條件。

2 主尺度要素與總布置方案

2.1 平臺(tái)主尺度

平臺(tái)的坐標(biāo)系及樁腿序號(hào)如圖1所示。自升式鉆井平臺(tái)由1個(gè)三角式船體和3個(gè)三角桁架樁腿組成，樁腿的下端安裝樁靴。船體型長(zhǎng)71.3 m，型寬63.4 m，型深7.62 m。3號(hào)樁腿布置在1號(hào)、2號(hào)2個(gè)樁腿中心線的垂直平分線上。平臺(tái)樁靴的直徑為14 m。該平臺(tái)的最大設(shè)計(jì)作業(yè)水深為91.44 m，最大鉆井深度為7 620 m。樁腿總長(zhǎng)148 m，其中包括樁靴在內(nèi)。

表1 環(huán)境條件

圖1 坐標(biāo)系定義及樁腿序號(hào)

2.2 平臺(tái)總體布置

自升式鉆井平臺(tái)設(shè)有機(jī)械甲板和主甲板2層甲板，在船體的雙層底布置了淡水艙、鉆井水艙、燃油艙等各種液艙。雙層底布置圖如圖2所示。

圖2 雙層底布置圖

機(jī)械甲板上布置了以下艙室:

發(fā)電機(jī)艙、SCR及平臺(tái)動(dòng)力配電艙、泵艙、鍋爐艙、給水排水艙、油污水處理艙、消防艙、土粉重晶石艙、袋裝材料艙、水泥泵艙、水泥罐艙、廢棄物處理艙、儲(chǔ)物艙及機(jī)修間等。

機(jī)械甲板布置圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械甲板布置圖

主甲板及鉆臺(tái)布置圖如圖4所示。圖中，主甲板上在每個(gè)樁腿的旁邊布置1個(gè)海水塔。生活模塊在主甲板上并設(shè)計(jì)成圍繞首樁的形式。懸臂梁位于尾部?jī)蓸吨g，可以沿著船體中心線前后移動(dòng)。鉆臺(tái)位于懸臂梁，并且可以隨著鉆臺(tái)做縱向運(yùn)動(dòng)。鉆臺(tái)自身可以沿著懸臂梁上的橫向滑道做橫向運(yùn)動(dòng)。懸臂梁向船尾移動(dòng)到最遠(yuǎn)處時(shí)，轉(zhuǎn)盤的中心線距船體尾封板的距離為21 m。鉆臺(tái)可以沿著懸臂梁上的橫向軌道滑動(dòng)，左右可以各移動(dòng)4.57 m。井架和其他鉆井設(shè)備都布置在鉆臺(tái)上面。

圖4 主甲板及鉆臺(tái)布置圖

生活模塊設(shè)計(jì)成環(huán)繞首樁的形式，由3層組成。第1層位于主甲板上，里面設(shè)有廚房、餐廳、更衣室以及醫(yī)務(wù)室等。住艙都布置在2層和3層，其中包括4個(gè)單人間，4個(gè)雙人間和22個(gè)4人間，可以為100人提供食宿。直升飛機(jī)甲板位于平臺(tái)的前端。其生活區(qū)布置圖如圖5所示。

圖5 生活區(qū)布置圖

平臺(tái)上的機(jī)械設(shè)備包括懸臂梁和鉆臺(tái)、主發(fā)電 機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)、吊機(jī)、救生艇、海水塔、造淡機(jī)、主要配電設(shè)備、定位系統(tǒng)。

平臺(tái)懸臂梁的長(zhǎng) 37.19 m，寬 17.07 m，高3.96 m，鉆臺(tái)的尺度為19.51 m×15.54 m。懸臂梁最大可以移動(dòng)至鉆盤中心線距船體尾封板21.34 m處，鉆臺(tái)橫向最大可以左右各滑移4.57 m。懸臂梁和鉆臺(tái)都是液壓驅(qū)動(dòng)的，懸臂梁和鉆臺(tái)的液壓系統(tǒng)都可以保證在1 334 kN的立根盒的負(fù)荷下仍然可以正常工作。

平臺(tái)動(dòng)力有5臺(tái)2 150 kVA的柴油發(fā)電機(jī)提供，600 V交流發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)連在一起以20 r/min進(jìn)行工作，柴油機(jī)通過(guò)散熱器來(lái)進(jìn)行水冷卻。另外設(shè)置1臺(tái)500 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)。

平臺(tái)吊機(jī)由三相電或柴油機(jī)驅(qū)動(dòng):1臺(tái)起重機(jī)臂長(zhǎng)36.57 m，另2臺(tái)起重機(jī)臂長(zhǎng)30.48 m。3臺(tái)起重機(jī)可以在鉤載450 kN、半徑7.62 m，各種傾斜角度下工作。

平臺(tái)設(shè)置4艘能容納50人的救生艇和直升飛機(jī)甲板。直升飛機(jī)甲板直徑22.25 m，設(shè)計(jì)滿足Sirkorsky S61N型直升機(jī)起升和降落要求。

平臺(tái)在每個(gè)樁腿的旁邊布置1個(gè)海水塔，3個(gè)樁腿上各固定1個(gè)潛水泵，每臺(tái)泵每分鐘大約能抽8 327 L的水。

平臺(tái)主要配電設(shè)備有主600 VAC配電盤、主480 VAC配電盤、輔助480 VAC配電盤、SCR系統(tǒng)和變壓器，并提供OTD FS 33G自定位系統(tǒng)和液壓驅(qū)動(dòng)。

另外，還配有鉆進(jìn)設(shè)備、管路系統(tǒng)、電力與通訊系統(tǒng)、救生及消防設(shè)備等。

3 設(shè)計(jì)載荷

3.1 存儲(chǔ)能力及鉆井負(fù)荷

懸臂梁最大負(fù)荷為6 800 kN，大鉤載荷為6 800 kN，頂驅(qū)載荷為6 800 kN，立根盒載荷為2 950 kN，懸臂隔離罐載荷為45 kN。

平臺(tái)艙室存儲(chǔ)能力見表2。

3.2 起升能力

平臺(tái)升降系統(tǒng)由9組升降機(jī)構(gòu)組成，每組升降機(jī)構(gòu)由4個(gè)小齒輪構(gòu)成。平臺(tái)正常升起時(shí)，預(yù)壓載單小齒輪工作能力為4 540 kN，單小齒輪工作能力最大保持在8 470 kN，平臺(tái)升降速度為0.45 m/min。表3給出升船工況和預(yù)壓工況的升降裝置負(fù)荷。

表2 艙室存儲(chǔ)能力

表3 升船工況和預(yù)壓工況的升降裝置負(fù)荷

4 結(jié)論

綜上所述，本自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)方案是針對(duì)中國(guó)渤海灣及沿海區(qū)域作業(yè)需求，滿足國(guó)際海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)建造與設(shè)備法規(guī)和國(guó)際海上人命安全公約等相關(guān)法規(guī)及公約要求，平臺(tái)主尺度符合工程作業(yè)和相關(guān)規(guī)范要求，空間布置合理，利用率高，是一個(gè)優(yōu)選的可行設(shè)計(jì)方案。

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