大跨距海洋模塊鉆機結構設計

劉靜辰，劉永勤，祖　巍，李彥麗，楊肖龍

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.天津中海油工程設計有限公司，天津 300452)①

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大跨距海洋模塊鉆機結構設計

劉靜辰1，劉永勤1，祖巍2，李彥麗2，楊肖龍2

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.天津中海油工程設計有限公司，天津 300452)①

摘要：墾利10-1 WHPA/WHPB模塊鉆機是中國海洋石油有限公司有史以來結構最大的海洋模塊鉆機，同時也是目前最大跨距、覆蓋井槽最多的海洋模塊鉆機。概述了海洋模塊鉆機的構成、不同結構形式鉆井設備模塊的特點。重點介紹了采用分體式結構形式的墾利10-1 WHPB鉆井設備模塊的改進：滑道梁增加側向支撐桿件，用于增強滑道梁結構剛度，提高穩定性；對于DES下層甲板梁，增大跨距間主梁，用于改善大跨距門式框架結構整體強度和剛度；滑軌由T形結構改為Π形結構，用于增強滑軌結構強度，提高承載能力。計算結果表明：改進后的DES結構完全滿足使用要求。

關鍵詞：海洋模塊鉆機；鉆井設備模塊；大跨距結構；門式框架結構

海洋平臺模塊鉆機的DES鉆井模塊通常是由下底座和鉆臺面兩部分構成，可通過雙向滑移來覆蓋整個平臺井口區，以完成鉆修井作業[1]。海洋模塊鉆機依托鉆采平臺，因此模塊鉆機的設計也受平臺布局的影響。常見的海洋模塊鉆機由鉆井設備模塊(DES)、鉆井支持模塊(DSM)和灰罐模塊(P-tank)組成[2-4](如圖1)。

圖1　崖城13-1模塊鉆機

DES模塊上布置了井架、頂驅、轉盤、絞車、BOP防噴器、固控系統等主要鉆井設備。DSM模塊有時也會拆分成泥漿模塊和動力模塊。主要包含泥漿罐、散料間、高壓泥漿泵等泥漿系統的設施，發電機、柴油罐、主配電間、變壓器間、應急配電間、電池間等動力系統的設施，還有空壓機、干燥器、空氣罐等氣動設備。灰罐模塊為泥漿系統提供散料輸送，有時P-tank模塊也會集成到DSM模塊之中。海洋模塊鉆機有多種結構形式。

墾利10-1油田開發項目中，WHPA和WHPB 2個井口平臺井槽數量眾多、主軸間距大。平臺配備模塊鉆機比使用鉆井船鉆井成本更低，經濟評價更好。為此，滿足平臺鉆井需求的大跨距模塊鉆機成為油田開發鉆井的重要設施。

1模塊鉆機的不同結構形式

1.1模塊鉆機的不同結構形式

DSM模塊不論是整體還是分成多個小模塊，都屬于較常規的海洋平臺上部模塊范疇，差異都不大。而DES模塊較常規模塊有所不同，設計比較特殊。目前，DES模塊主要有3種結構形式[2]：

1)單體式。模塊集成度較高，設備主要布置在模塊主框架內部，結構較為緊湊；該模塊配合設置在平臺頂甲板上的獨立滑移底座(Skid Base)，能夠完成模塊沿滑移底座橫向滑移、滑移底座和模塊共同在頂甲板滑軌上縱向滑移，以覆蓋所有井位。此類鉆機中，番禺30-1氣田模塊鉆機(如圖2)最具代表性。

2)分體式。分鉆臺面與下底座2個子模塊，設備主要分布在這2個子模塊上，子模塊之間通過服務臂或拖鏈鏈接。鉆臺面可沿滑道梁橫向滑移，下底座通過基座在平臺頂甲板滑軌上縱向滑移，以覆蓋全部井位。此類鉆機中，西江23-1 模塊鉆機(如圖3)和番禺4-2模塊鉆機(如圖4)具有代表性。

3)小撬塊、組合式。模塊主要由若干小撬塊組裝而成，各小撬塊之間通過銷軸和螺栓等進行連接。該形式鉆機可根據平臺吊機的起重能力進行設計，各子模塊質量較輕，可利用平臺吊機進行海上安裝。由于該鉆機由小撬塊通過銷軸和螺栓進行連接，可滿足搬遷作業要求。此類鉆機中，蓬萊19-3模塊鉆機、崖城13-1模塊鉆機(如圖1)最具代表性。

圖2　番禺30-1模塊鉆機DES模塊

圖3　西江23-1模塊鉆機DES模塊

圖4　番禺4-2模塊鉆機DES模塊

1.2分體式DES模塊結構設計的演變

目前，分體式DES模塊設計采用較多。其中的結構設計(如圖5～8)也有了以下變化：

圖5　渤中28-2南模塊鉆機DES模塊立面結構圖1

圖6　渤中28-2南模塊鉆機DES模塊立面結構圖2

圖7　番禺34-1模塊鉆機DES模塊立面結構圖1

圖8　番禺34-1模塊鉆機DES模塊立面結構圖2

1)主立柱和斜撐，由H型組合梁或者Box方形梁演變成圓管。

2)滑道梁由箱型梁演變成H型組合梁與T形滑軌組合結構；如圖5和圖7中梁剖面詳圖的差異。

3)由大量小截面立柱和撐桿支撐的結構，演變成大截面立柱和斜撐的組合，桿件數量減少，整個門式框架的結構設計更加簡潔，傳力路徑短，設計更加合理。

從表1中能夠看出第1、2條的演變，圖5～8是第3條的明顯對比。

部分模塊鉆機的跨距、最大鉤載、滑道梁和立柱斜撐規格等主要參數如表1所示。

表1　海洋模塊鉆機主要參數

2墾利10-1 WHPA/WHPB鉆機模塊結構設計

墾利10-1 WHPA/WHPB鉆機模塊的設計同樣采用分體式設計：采用大截面圓管做立柱和斜撐的簡潔模式，下底座設計成門式框架。滑道梁也采用H型組合梁形式。墾利10-1鉆機又因為其平臺的特點與其他鉆機不同。

2.1墾利10-1 WHPA和WHPB平臺的特點

墾利10-1 WHPA和WHPB平臺與以前平臺有如下不同：

1)井口眾多，兩平臺都分南北2個井口區，布置在A、B軸內側；(以前項目中平臺A、B軸間多為一個井口區，井槽一般為4列或者5列)。如圖9～10。

2)A、B軸間距分別為22 m和32 m，間距較大(以前項目中常見平臺A、B軸間距是18 m、20 m)。

圖9　墾利10-1 WHPA平臺井口布置

圖10　墾利10-1 WHPB平臺井口布置

3)1、2軸間距分別為18 m、20 m，間距較大(以前項目中常見平臺1、2軸間距是12 m、14 m)。

2.2墾利10-1 鉆機DES模塊的設計

墾利鉆機DES模塊的總體布置要根據平臺特點做相應的設計。以前鉆機項目中，番禺4-2/5-1鉆機同樣采用分體式設計，而且也是墾利10-1之前最大跨距的450型鉆機。將兩個項目的鉆機設計進行對比，能明顯地反應出結構設計的變化。

兩鉆機主要參數對比詳見表2。

墾利10-1鉆機與番禺4-2/5-1模塊鉆機DES模塊的相似之處：同樣是分體式DES模塊，下底座同樣采用門式框架設計；均采用H型組合梁做滑道梁；主立柱斜撐均采用圓管；兩個鉆臺面的總體布局和結構設計相似；兩個下底座的總體布局基本相似，甲板結構設計也比較相近。

表2　墾利10-1與番禺4-2/5-1模塊鉆機參數對比

兩個鉆機的DES模塊也有不同之處，墾利10-1 DES模塊結構設計有如下變化：

1)滑道梁平面內，在1、2軸之間增加了斜撐，增加對跨距長度范圍內的H1800大梁水平面內支撐(如圖11～12)，增強滑道梁結構剛度、提高穩定性。

圖11　番禺4-2 DES模塊滑道梁及

圖12　墾利10-1 WHPB DES模塊滑道

2)立面結構支撐形式做了調整，取消了2根?406×13小支撐，兩個大斜撐在中點相交的結構變成斜撐支點分開的設計(如圖13～14)。

3)主立柱、斜撐和滑道梁均增大了截面尺寸，詳見表2。該構件組合保證了整個下底座的剛度足夠，滑道梁撓度小，滿足鉆臺面滑移的要求。番禺4-2和墾利10-1 DES模塊滑道梁撓度計算結果詳見表3和表4。

圖13　番禺4-2 DES模塊下底座立面結構

圖14　墾利10-1 WHPB DES模塊下底座立面結構

4)將DES模塊下層甲板1、2軸之間的主梁由H440×300的H型鋼改為H900×350的H型組合梁(如圖13～14)。主要考慮加強XA和XB軸兩個立面框架的剛度，保證下底座剛度足夠，減小滑道梁撓度。同時番禺4-2/5-1鉆機項目中在拖拉裝船、拖航和吊裝3個臨時工況時需要在下底座底部增加H588梁做臨時撐桿；由于H900對結構整體強度的貢獻，墾利10-1鉆機的臨時工況中省去了臨時撐桿。

5)平臺滑軌由T形單腹板結構改為Π形雙腹板結構(如圖15～16)。雙腹板結構增加滑軌強度，提高承載能力。

圖15　番禺4-2模塊鉆機平臺滑軌結構

圖16　墾利10-1 WHPB模塊鉆機平臺滑軌結構

桿件編號位置跨距L/m許用變形a/cm最大變形b/cma/b4322-4001斜撐?508與1軸之間4.5L/500=0.9-0.7840.874005-40101軸與2軸內側7.5L/500=1.5-0.7950.534006-40031軸與2軸內側7.5L/500=1.5-0.8790.594007-40222軸右側懸臂梁2.6L/250=1.04-0.7020.68

表4　墾利10-1 WHPB DES模塊滑道梁計算結果

6)墾利10-1 WHPB DES模塊主要桿件UC值計算如表5。

表5墾利10-1 WHPB DES模塊主要桿件UC值

桿件型號最大UC值控制工況備注T300×610&H1800×6500.71吊裝滑道梁H1650×4500.72操作H1508×5000.82操作H957×3600.47操作H1200×4000.51地震H800×3000.91拖拉裝船H900×3500.56操作B300×3000.52操作H300A封BOXB900×3500.30拖航H900封BOX,懸臂梁生根處H700×3000.52極端風暴H588×3000.90拖拉裝船H450×2000.90地震H440×3000.89操作H300×3000.80操作?1067×38/450.45吊裝?1067×380.46吊裝?1067×450.74地震?762×250.83操作?610×13/250.46拖航?610×130.65拖航?508×190.97吊裝2.0倍動力系數BG600×9500.56地震鉆臺面基座

表5的結果表明，DES模塊主要構件的UC值滿足規范要求，且具有足夠的余量。其中，桿件?610×13/25的設計受節點沖剪校核影響，UC值裕度較大[5]。

4結語

本文依托墾利10-1 WHPA和墾利10-1 WHPB模塊鉆機實際工程項目，主要論述了采用分體式結構形式的大跨距模塊鉆機的設計和改進。2015-04-23中國海洋石油有限公司宣布墾利10-1油田已投產，這標志著兩套模塊鉆機均達到可使用的良好狀態。墾利10-1模塊鉆機的設計成果也為今后的大跨距模塊鉆機設計提供參考。

參考文獻：

[1]張建勇，王寧，胡澤剛，等.7 000 m海洋模塊鉆機滑軌結構分析[J].石油礦場機械，2012，41(6)：30-33.

[2]李挺前，高建新，孫凱，等.淺析海洋分體式鉆井設備模塊結構形式[J].廣東化工，2012，39(8)：121-123.

[3]GB/T 29549—2013，海上石油固定平臺模塊鉆機[S].2013.

[4]API SPC 4F，鉆井和修井結構規范[S].2013.

[5]API RP 2A-WSD，海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦做法-工作應力法[S].2014.

Large Span Structure Design of Offshore Module Drilling Rig

LIU Jingchen1，LIU Yongqin1，ZU Wei2，LI Yanli2，YANG Xiaolong2

(1.CNOOCLtd.，Tianjin，Tianjin300452，China；2.CNOOCEngineeringDesignCo.，Ltd.，Tianjin，Tianjin300452，China)

Abstract：KL10-1 WHPA & WHPB modular drilling rig(MDR) is by far the largest MDR of CNOOC，meanwhile，its span is also the largest.In this paper，the composition of the offshore modular drilling rig and the characteristics of different structural drilling equipment set (DES) of MDR were introduced，moreover，the paper focuses on the improvements of KL10-1 WHPB DES which has a split type structure form.Detail improvements are as followed：lateral support beams are added in the skid girder to strengthen stiffness and improve stability of skid girder；the span of the main girders located in the lower deck of Des is increased，which aims at improving overall strength and stiffness of the large span portal frame structure；T-shaped structure of slipway beam is changed into Π-shaped structure to gain the strength and improve the bearing capability.The calculation results show that the improved DES structure can meet the requirements of application.

Keywords：offshore modular drilling rig；drilling equipment set；large span structure；portal frame structure

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.005

作者簡介：劉靜辰(1980-)，男，天津靜海人，工程師，碩士，2007年畢業于哈爾濱工程大學船舶與海洋結構物設計制造專業，主要從事海洋工程及鉆修井機設計工作，E-mail：liujch31@cnooc.com.cn。

收稿日期：①2015-08-26

文章編號：1001-3482(2016)02-0020-06