共用DSM的模塊鉆機總體與結構設計淺析

李彥麗，穆 頃，楊肖龍，祖 巍

(中海油能源發展裝備技術有限公司 天津300452)

共用DSM的模塊鉆機總體與結構設計淺析

李彥麗，穆 頃，楊肖龍，祖 巍

(中海油能源發展裝備技術有限公司 天津300452)

錦州25-1南Ⅱ期WHPE模塊鉆機是中國海洋石油的第1臺兩平臺共用鉆井支持模塊(DSM)的模塊鉆機。介紹了該模塊鉆機的工程項目概況，與常規模塊鉆機比較，共享DSM的模塊鉆機有不同于常規鉆機的設計特點。從模塊鉆機總體設計方案和結構設計兩個方面分析，詳細介紹了總體設計方案和設計特點，探究其結構形式和優化設計，采用SACS有限元分析軟件對模塊鉆機結構進行強度分析，結果表明，結構強度滿足規范要求。通過重量控制，該模塊鉆機結構鋼材利用率更高。為海洋模塊鉆機的總體、結構設計提供參考。

模塊鉆機 共用DSM 結構設計 總體設計

1 項目概述

錦州25-1南油氣田位于渤海遼東灣海域，油氣田范圍內平均水深24.0～26.4m。錦州25-1南油氣田Ⅰ期工程已于2009年建成投產，Ⅱ期開發新建3個井口平臺(WHPC、WHPD、WHPE)和1座中心處理平臺(CEPF)，WHPE平臺與已建WHPA平臺之間以棧橋連接，油氣田開發示意圖見圖1。新建WHPE井口平臺上設有1套7000m模塊鉆機，模塊鉆機的主要參數見表1，可實現以下功能：①橫向和縱向移動，覆蓋所有井槽；②進行初期及后期預留井槽鉆完井作業(需WHPA平臺原模塊鉆機DSM模塊設備配合)；③后期生產井的大修和各種小修作業；④實施增產措施作業等。

圖1 錦州25-1S油氣田開發示意圖Fig.1 Develop diagram of JZ25-1S phase II oil field

表1 WHPE模塊鉆機主要參數Tab.1 Main parameters of WHPE MDR

2 模塊鉆機特點

錦州25-1南Ⅱ期WHPE模塊鉆機與傳統模塊鉆機相比，在設備配置、總體布置、界面接口、鉆機結構等方面都有很大區別：①與已建WHPA平臺共用DSM模塊進行鉆完井作業，充分利用老平臺已有設備配置，形成新老平臺一體化格局；②減少動力模塊、泥漿泵模塊、灰罐模塊等多套系統設備配置，降低了變壓器等電氣設備的容量；③WHPA平臺DSM模塊的多個系統管線及電纜通過棧橋接入WHPE平臺，管纜排布及界面接口等更加復雜；④對WHPA平臺DSM模塊進行改造，增加修井用泥漿泵并對泥漿罐進行改造，WHPE、WHPA平臺實現一個平臺鉆井的同時另一平臺可獨立進行修井作業。⑤鉆井作業時，WHPE平臺儀表系統科采集WHPA平臺泥漿信號，兩平臺的司鉆系統可進行通訊，對共用設備進行控制。⑥火氣系統信號可同時在兩個平臺顯示，系統安全性增加。⑦鉆機結構形式優化為井架式修井機，結構利用率更高。

3 總體技術方案

常規模塊鉆機主要由3部分組成：鉆井設備模塊(DES)，鉆井支持模塊(DSM)和散料儲存模塊(P-TANK模塊)。[1-2]WHPE模塊鉆機通過共用DSM模塊，設備配置優化并進行總體布置調整，主要由鉆井設備模塊(DES)、泥漿處理模塊、配套設施模塊3個部分組成，總體布置如圖2所示。

圖2 WHPE模塊鉆機總體布置Fig.2 General plan of WHPE MDR

WHPE模塊鉆機較常規同級別模塊鉆機減少了泥漿系統、壓縮空氣及吹灰系統、散料系統等多個系統的設備配置，降低了變壓器等電氣設備的容量，詳細對比情況見表2。

表2 與常規鉆機的設備配置對比表Tab.2 Comparison of device configuration with normal MDR

3.1 設備布置情況

鉆井設備模塊由鉆臺和下底座組成，整體可以在下滑軌上做南北方向移動，鉆臺可以在下底座的上滑軌上做東西方向移動，實現模塊鉆機對所有井口的鉆井、修井作業。鉆機滑移由可鎖緊的液壓裝置推動來實現，共設置兩套滑移裝置。鉆井設備模塊下底座層主要包括BOP儲能器、綜合液壓站、東西拖鏈、儀表氣罐等；鉆臺主要設備[3]包括井架系統、司鉆房、絞車、絞車盤剎液壓站、轉盤、氣動絞車、液壓貓頭、高壓泥漿立管管匯、節流和壓井管匯、水泥管匯、泥氣分離器等。

泥漿處理模塊位于鉆井設備模塊的東側，下層主要包括一臺800HP高壓泥漿泵、3個泥漿儲存罐(約100m3)、除泥泵、除砂泵、混合泵等；中間層主要設備有3臺振動篩、離心機、真空除氣器；頂層布置管子堆場。

配套設施模塊在鉆井設備模塊的西側，位于組塊頂層甲板上，主要包括變壓器間、主配電間、機修間、頂驅電控房、值班室、南北向拖鏈。

3.2 與常規模塊鉆機不同點

總體布置從可操作性、安全性、避免干涉等方面重新進行設計，比較常規同級別模塊鉆機，其主要不同點包括：①固控系統設備，如振動篩、離心機、真空除氣器等由常規布置在DES模塊下底座下層甲板移到泥漿處理模塊的泥漿罐頂 部[4]；②由于鉆井作業時，高壓泥漿、固井水泥等由WHPA平臺DSM模塊供應，不再配備灰罐撬，也不配備常規布置于DSM模塊中間層甲板的散料間及叉車；③變壓器間、主配電間、機修間由常規布置于鉆井支持模塊的中層甲板移到組塊頂層甲板，頂驅電控房由常規布置于鉆臺面移到組塊頂層甲板。

4 結構設計

由于共用鉆井支持模塊，WHPE模塊鉆機設備布置減少，部分設備配置降低，所需甲板布置面積大幅減少，經優化設計，模塊鉆機結構較常規形式更加緊湊。

4.1 DES模塊

DES模塊主要由井架、鉆臺和下移動底座組成。DES模塊鉆臺面由于頂驅電控間、鉆臺電控間等設備布置在組塊頂層甲板，甲板長度減少4.6m，較常規鉆機減少了兩層結構甲板，下底座設計為門式框架結構，DES模塊結構優化為井架式修井機形式，見圖3。井架為自升式套裝井架，井架大腿間距為9.144 m×9.144 m，鉆臺面設置4個基座在下底座滑道梁上。

圖3 DES模塊Fig.3 DES Module

DES模塊承受的主要荷載包括轉盤/大鉤載、立根重量以及絞車等鉆臺面設備重量，DES設計荷載對比見表3。可以發現，大鉤/轉盤荷載、立根荷載與常規鉆機相同，設備荷載也是僅差10t左右，因此DES模塊的主結構型材選擇并沒有太大優化空間，結構型材優化工作重點對象是結構次梁、小梁，見表4。

表3 DES模塊設計荷載對比表Tab.3 Design load comparison between DES with regular DES

表4 DES模塊結構型材對比表Tab.4 Structure section comparison between DES with regular DES

應用SACS軟件對DES模塊建立模型，針對5個不同井位分別計算靜力分析、地震分析，對安裝工況進行拖拉裝船分析、拖航分析和海上吊裝分析。分析模型見圖4，主要校核結果見表5。

表5 DES模塊主要結構校核結果Tab.5 Structure checking results of DES

4.2 泥漿處理模塊

泥漿處理模塊結構為兩層半框架結構，由6個基座固定于平臺頂層甲板上(見圖5)，頂層與底層甲板高程間距為7.0m，為滿足鉆桿堆場容量要求及布置走道、測井設備平臺等，頂層甲板外懸3.75m。設計荷載對比見表6，結構型材選擇優化情況見表7。

應用SACS軟件對泥漿處理模塊建立模型，進行在位靜力分析、地震分析、拖拉裝船分析、拖航分析和吊裝分析，計算模型如圖6所示，校核結果見表8。

表6 泥漿處理模塊設計荷載對比表Tab.6 Design load comparison with regular DSM

表7 泥漿處理模塊結構型材對比表Tab.7 Structure sections comparison with regular DES

表8 泥漿處理模塊主要結構校核結果Tab.8 Structure checking results of mud module

圖4 DES模塊在位分析模型Fig.4 In-place analysis model of DES

圖5 泥漿處理模塊Fig.5 Mud Module

圖6 泥漿處理模塊在位分析模型Fig.6 In-place analysis model of mud module

4.3 重量控制

模塊鉆機重量直接影響上部組塊以及導管架的承載力設計，模塊鉆機的重量控制是設計工作的重要內容。在WHPE模塊鉆機設計過程中，針對鉆機設備配置優化情況合理優化結構設計，嚴格控制重量荷載，與常規鉆機重量控制對比見表9。由表中數據可以看出，結構重量較常規鉆機減輕約470t，結構重量占鉆機總干重的比例與常規鉆機相比下降，結構鋼材材料利用率比常規鉆機高，結構布置更合理。

表9 重量控制對比表Tab.9 Weight control comparison

5 結 語

共用DSM模塊的模塊鉆機較常規模塊鉆機減少多個系統設備配置，節省大量鋼材用量，鉆機的經濟性提高。隨著海洋石油勘探開發步伐的加快，無論從資源重復利用性還是經濟性方面考慮，共用DSM模塊都為海洋模塊鉆機設計提供了新的設計思路，為模塊鉆機的設計研發積累了設計經驗。

［1］ 陳如恒. 鉆機的模塊化設計[J]. 石油礦場機械，2004，33(4)：1-8.

［2］ 穆頃. 淺析浮吊資源對模塊鉆機設計方案的影響[J].天津科技，2012(5)：16-18.

［3］ 王長軍. 崖城PFA小撬塊組合式模塊鉆機總體方案設計[J]. 石油礦場機械，2011，40(1)：60-62.

［4］ 劉春雨. 輕型可搬遷模塊鉆機總體布局研究[J]. 船舶，2010(5)：44-46.

General Plan and Structure Design of Modular Drilling Rig Sharing DSM

LI Yanli，MU Qing，YANG Xiaolong，ZU Wei
(CNOOC Ener-Tech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China)

JZ25-1S II MDR(modular drilling rig)is CNOOC’s first MDR sharing Drilling Support Module(DSM)．The paper introduces engineering situation of the MDR．Design characteristics of MDR sharing DSM were summed up．General plan was described and structure design was studied．The software SACS was applied to the structure analysis and the results indicated that the structure design meet the requirements by the code．The steel utilization rate was improved through design optimization and weight control．The paper might be taken as reference in MDR general and structure design.

modular drilling rig；DSM sharing；structure design；general plan

TE53

：A

：1006-8945(2015)12-0024-03

2015-11-10