挪威北海半潛式鉆井平臺總體布置研究

王 麗，楊忠華，王如壯，侯偉平

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

作為國家“十二五”規劃的重要一部分，海洋工程裝備是高端制造業的重要組成部分并被納入國家戰略性新興產業。海洋工程裝備是高風險、高科技、高投入的項目，半潛平臺作為海工裝備皇冠上的明珠，一直是國際海工制造商關注的焦點。按照《海洋工程裝備產業創新發展戰略（2011-2020）》（發改高技[2011]1675號）關于實施海洋工程裝備產業創新發展工程的部署，在未來兩個五年計劃里，滿足國家對油氣資源的需求量大增的要求和我國深海油氣開發裝備非常匱乏的現狀，需要一大批海洋油氣開發高端裝備加入到開發我國海洋油氣資源的隊伍中來。

深水半潛式平臺是目前世界上海洋油氣生產的主要設施之一。在尋找深水油氣資源工程中，深水半潛式鉆井平臺是主力軍，新增的半潛式鉆井平臺從數量和鉆深上不斷增加。由于挪威北海海況惡劣，對海上作業平臺的性能和規范要求高，進入挪威北海現已成為作業平臺進入高端市場的代名詞。當前全球在役的221座半潛鉆井平臺當中，通過挪威石油安全管理局（PSA）頒發的AoC（Acknowledgement of Compliance）認證的僅有29座。

本文旨在闡述挪威北海海域作業的深水半潛式鉆井平臺的總布置特點，在此基礎上對可變載荷、井架作業系統、隔水管存放形式、定位系統等一些關鍵技術點進行探討。

1 平臺及海況簡述

1.1 北海作業平臺簡介

該平臺（見圖1）為中集來福士所建的挪威北海系列平臺中的一座。其設計依照挪威北海海況，能夠抵御北海百年一遇的風暴，滿足挪威石油當局、挪威海事局（NMD）和挪威石油工業標準（NORSOK）的要求，入級挪威船級社。

圖1 北海深水半潛式鉆井平臺

1.2 北海作業平臺特點

該北海深水半潛式鉆井平臺船體主尺度更小、空船質量更輕，有效降低了建造成本和運營成本，同時采取了較大功率推進器，航速更快，動力定位能力更強，滿足冰區拖航的船級社規范要求。此外，北海深水半潛式鉆井平臺將由國民油井華高（NOV）提供鉆井大包，鉆井過程高度自動化，能夠進行離線排管作業。根據挪威國家石油公司（Statoil）計算，此設計方案比北海常規鉆井平臺鉆井效率提高25%。

2 總布置的原則

北海海域作業的半潛式鉆井平臺，需要滿足挪威船級社、挪威海事局、挪威石油管理局的標準要求，由于北海是世界上海況最惡劣的區域，加上北歐國家對健康、安全、環保的高度重視，使得該海域作業的半潛式鉆井平臺的設計標準明顯高于世界其它海域。

總布置設計工作要根據平臺的使用功能進行合理有效的總體布局安排。同時要遵循相關規范和標準的要求，最大可能實現平臺的使用要求。

1）總體布置必須安全可靠，滿足規范對防火、防爆、安全區域分割和安全逃生的要求。

2）滿足作業要求。這是基本出發點，如鉆井平臺要首先合理布置鉆井設備，確保鉆井；作業工作便利；生產儲油平臺應合理劃分生產區域和儲油艙，確保生產與安全。

3）保證技術性能。總布置設計時應采取合適的措施確保平臺具有適宜的浮態和穩性，以滿足有關規范和設計任務書的要求。

4）結構的合理性和施工工藝。設計時力求減小總縱彎矩和剪力。避免主要結構的不連續性和構件截面的突變。艙壁和支柱的設置應考慮它們對結構強度和施工工藝的影響。因此總布置設計必須與平臺的結構設計相互配合。

3 關鍵技術點的分析

3.1 總布置主要分析內容

半潛式鉆井平臺以技術先進化、系統復雜化、空間集約化著稱。新一代的鉆井平臺，自動化程度的要求越來越高，安全舒適程度要求越來越高，環保降耗的要求越來越高。半潛式鉆井平臺除配有常規的操作相關系統和動力供應系統外，還配有高精度的動態定位技術、自動化和多樣化的消防技術、高效的垃圾和污水處理技術、先進的減振降噪技術、失效備用技術，同時配有更加高技術、高復雜性的鉆井系統和鉆井輔助系統。此外，北海海域的HSE要求是在世界各主要海上油田中屬于最為嚴格的，對于人體工程學、安全逃生、振動噪聲控制、高空重物墜落等要求都比其它大多數海域更為苛刻，所以在有限的結構空間內，在使詳細設計過程中合理有效的布置設備、管線，電纜、通道成為設計的關鍵技術。

該北海深水半潛式鉆井平臺將浮筒內的通道重新布置在船舷內側（見圖2），這樣內側的液艙將作為功能性艙室，而外側的液艙將用來放置壓載水。這樣的布置方式可以做到底部浮筒通道的連續性，大大地方便了浮筒內物料的運輸。另一方面壓載水位于船舷的外側，方便調節壓載，功能性的液艙位于船舶的內側，即使發生碰撞破損時，也不會破到船的內側，造成大規模的海洋污染。

圖2 浮筒布置圖

3.2 可變載荷

可變載荷是深水半潛式鉆井平臺的關鍵性能指標之一，它的大小主要受平臺的最大作業水深和鉆井深度以及船型、主尺度的影響[1]。

3.2.1 可變載荷內容

可變甲板載荷主要包括人員和備品、鉆井設備（防噴器組等）、鉆具（隔水管、套管、鉆桿等）以及鉆材（水泥、土粉、重晶石，泥漿等）的載荷，它主要由平臺的作業水深和鉆井深度所決定。作業水深主要影響隔水管的數量，鉆井深度主要影響鉆桿、套管數量等，而這兩者同時影響鉆井液的用量，特別是深水隔水管中的鉆井液用量。但深水或者超深水平臺的可變載荷還應包含鉆井水、鹽水、基油等鉆井液及燃油，以及在下浮體中的淡水[2]。

3.2.2 可變載荷的大小

由于深海環境條件惡劣，離岸較遠，后勤供應困難，而讓鉆井平臺具備一次完整的深水鉆井作業所需要的全部物資的裝載能力也是不現實的。提供供給船配合作業不失為一種辦法，但對于離大陸較遠的海域，航線太長，從經濟性和安全性考慮是不合適的，還是需要平臺自身具備較大的可變載荷。因此衡量諸多因素，為保證鉆井作業正常進行，要求新建鉆井平臺的可變載荷能夠滿足一口目標井的作業需要。北海深水半潛式鉆井平臺的VDL（可變甲板載荷不包含下浮體中的液體）可達4000噸。

3.3 井架作業系統

目前，深海半潛式鉆井平臺的井架作業系統的配置選擇有很大的自由度，可以根據船東及鉆井工藝的要求量身定做。有三種可以選擇，即單井架作業系統、一個半井架作業系統、雙井架作業系統。雙井架作業系統的效率是最高的，但是投入的費用也高；單井架作業系統的鉆井效率比較低，一個半井架作業系統的效率介于雙井架和單井架之間，同時具有結構緊湊、系統質量輕、經濟實用的特點[3]。

一般深海半潛式鉆井平臺均應盡可能的配置雙聯井架及相應的雙井口作業，如圖3所示，然而雙井架井口作業系統已經被 Transocean公司申請專利，涉及到知識產權轉化問題，需要交納一定的專利費。一個半井架作業系統反而顯得更加經濟實用，成為國內石油公司的理想選擇，“海洋石油981”就采用了一個半井架作業系統的鉆機，如圖4所示。由于船東等各方面要求，北海深水半潛式鉆井平臺采用的是單井架，如圖5所示。

圖3 雙井架

圖4 一個半井架

圖5 單井架

3.4 隔水導管存放形式

隔水管處理系統關系到箱型平臺空間和主甲板區域的劃分會涉及平臺物流作業方式的選擇，對平臺初期方案的規劃影響很大。

3.4.1 存放方式

深海半潛式鉆井平臺隔水管有水平和垂直兩種存放形式[4]。水平存放的形式適用于各種規格的隔水管。垂直存放的一般為75ft規格的隔水管，這是考慮堆放時的質量、重心及相關設備與系統的垂向高度等因素。

3.4.2 存放效率

時間上若從隔水管起重機將隔水管起吊到將隔水管輸送到鉆臺轉盤垂直位置，在這個作業流程內考慮，隔水管垂直存放的效率要高于水平存放。

3.4.3 配置要求

隔水管的長度和存放方式的不同，隔水管處理系統的配置要求也不同。水平存放：隔水管起重機，隔水管水平輸送機。垂直存放：隔水管起重機，隔水管指梁系統，隔水管托車，臺車。

隔水管起重機的起吊能力足以吊運伸縮節為設計要求，通常為35t～40t。

垂直運送隔水管，頂部采用專用工具底部配置專用的臺車將隔水管托住，與隔水管起重機同步將隔水管移進/出指梁并送到鉆臺的托車。

本文的北海深水半潛式鉆井平臺隔水管采用水平放置的方式，并且采用兩個貓道機的形式，分別運送隔水套管與鉆桿，可以避免運送隔水套管與鉆桿的貓道機發生干涉的情況。這種方案采用了第六代平臺的新技術，使得平臺的工作效率可以大大地提高。

3.5 動力定位

3.5.1 動力定位的介紹

北海深水半潛式鉆井平臺具備最高等級的DP-3動力定位系統，其對平臺運動性能、線型、推進器設計、艙室布置、DP分割、電力載荷等都提出了更高的要求。該項目的DP-3動力定位系統通過了故障模式及效果分析和挪威船級社審核[4]。

最新一代DP3動力定位系統如圖6所示，技術先進，利用衛星定位系統和自身計算機自動控制系統，可實現動態自身定位調節，最大限度支持海上鉆井、采油工作的順利進行。全球工作海域的設計方案，適應性廣泛，極大的提升經濟性能，具有強大的競爭力。系統通用性強，模塊化設計，便于維護和操作以及功能調整。提供130人單人居住艙室，利于海上組織生產人員，保障良好生活條件。利用中集來福士獨有的建造設備與工藝，實現甲板模塊整體安裝，降低建造預應力，進一步提升平臺安全性能。

圖6 動力定位示意圖

3.5.2 新型半潛式鉆井平臺的定位方式

新型的半潛式鉆井平臺從安全作業和經濟效益相結合的角度出發，一般都采用錨泊定位和動力定位相結合的定位方式[5]。排水量較大的鉆井平臺，會自帶一部分錨鏈，在水深不大的海域作業時，采用自拋錨的方式；在中等深水海域作業時，可以采用預拋錨方式，也可以采用動力定位和錨泊相結合的方式；在深水海域作業時，采用動力定位方式。

4 結束語

本文總結了挪威北海作業的半潛式鉆井平臺的總布置特點和關鍵技術。挪威北海海域作業的半潛式鉆井平臺滿足深海鉆井可變載荷要求，配備高度自動化的鉆井系統。以6機組、3機艙達到動力定位DP-3，在適應惡劣海況和滿足各項最為嚴格的設計標準情況下，確保平臺性能要求，同時進行優化設計實現安全高效作業。隨著自主研發技術的提高和經驗的積累，必將推動深海惡劣環境下能源的勘探和開發。

[1]DNV Offshore Code-OS-C201 / Section3 /D.Variable Functional Loads/D200[S].2011.

[2]劉海霞.深海半潛式鉆井平臺的總布置[J].中國海洋平臺, 2007(3): 7-11.

[3]晏紹枝, 李浪清, 黃映城, 等.深海半潛式鉆井平臺鉆井系統選型探討[J].中國海洋平臺, 2010(6): 42-46,51.

[4]DNV OS A101 Safety Principles and Arrangement[S].2008.

[5]DNV Offshore code-OS-E301 Position Mooring[S].2007.