輔助鉆井作業(yè)系統(tǒng)及總體運動性能的基本要求

陳國龍， 紀亨騰， 冉志煌， 劉團結(jié)， 李建勛

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100028; 2. 深圳深德海洋工程有限公司，深圳 518067)

0 引 言

輔助鉆井(tender assisted drilling， TAD)指不依靠專門的鉆井船或鉆井平臺，也不需要在生產(chǎn)平臺上設(shè)置永久性鉆井設(shè)備，而是利用停靠在一旁的輔助平臺(tender vessel)上的標準鉆井設(shè)備進行鉆井的一種作業(yè)模式。采用TAD技術(shù)時，需要將輔助平臺上鉆井模塊起吊至生產(chǎn)平臺上進行鉆井作業(yè)，鉆井完畢后再從生產(chǎn)平臺上撤回至輔助平臺，輔助平臺在鉆井過程中提供大部分的支持工作。

通常的鉆井設(shè)備包(drilling equipment set, DES)包括鉆井架、提升設(shè)備、防噴器以及一些泥漿清洗設(shè)備，將這些設(shè)備轉(zhuǎn)移到輔助鉆井船上，可以減少生產(chǎn)平臺上的設(shè)計重量、增大空間需求。其他鉆井所需設(shè)施設(shè)備如泥漿池、泥漿泵、發(fā)電機、鉆桿及套管存儲、粉狀物料、人員住宿、燃料及鉆井用水等也都可以放置在輔助鉆井平臺上。

20世紀50年代至60年代初，輔助鉆井在墨西哥灣開始時是用作勘探方式，后來才逐漸發(fā)展為一種開發(fā)模式用于固定式平臺，目前這種鉆井方式已不普遍。輔助鉆井平臺的最早形式為駁船，為了提高機動性，才出現(xiàn)了常規(guī)船型的輔助鉆井平臺[1]。

駁船或常規(guī)船型的輔助鉆井平臺容易在惡劣海況下發(fā)生錨纜斷裂事故，船身漂至遠處。因此，目前輔助鉆井方法只是較多地應(yīng)用在一些海況比較平和的區(qū)域，如西非和東南亞的海域。

20世紀80年代以來，出現(xiàn)了半潛式輔助鉆井平臺，使輔助鉆井這種方式發(fā)展到一個新的水平，具備在深水和惡劣海況下應(yīng)用的能力。1993年，經(jīng)過改裝成為半潛式輔助鉆井平臺的Seahawk TAD投入使用，該平臺具有更加高效和可靠的特點，并顯示出優(yōu)越的定位性能和運動性能，且適用于深水海域[2]。

輔助鉆井方式和生產(chǎn)平臺上的專門鉆井方式相比，主要有如下優(yōu)點：

(1) 鉆井設(shè)備包和標準平臺鉆井設(shè)備系統(tǒng)相比，體積更小、重量更輕。

(2) 輔助鉆井時，不需要額外的工作船或者浮吊船。

(3) 減小了生產(chǎn)平臺上部組塊的重量。由于支持設(shè)備和鉆井液可以安全地布置在輔助平臺上，因此生產(chǎn)平臺上的載荷大幅減少，特別是當鉆長井或深井需要大量的鉆井液以及套管時，可以將其放置在輔助平臺上。如果放置在生產(chǎn)平臺上，則可能使平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)生重大變化。

(4) 可以在輔助平臺上放置更多的鉆井消耗品。

(5) 轉(zhuǎn)移至輔助鉆井平臺上的鉆井人員和其他工作人員遠離危險區(qū)域，可以更安全。

(6) 出現(xiàn)緊急情況時，輔助鉆井平臺可以通過松開吊橋(personnel transfer bridge, PTB)和生產(chǎn)平臺分離，然后控制系泊纜遠離工作平臺。

此外，當一些老舊平臺需要鉆新井時，其結(jié)構(gòu)往往難以再承受標準鉆井設(shè)備，此時可以應(yīng)用輔助鉆井方式。圖1和圖2為半潛式輔助鉆井平臺和浮式與固定式平臺。

圖1 半潛式輔助鉆井平臺與浮式平臺[3]Fig.1 Semi-submersible drilling tender vessel and floating platform

圖2 半潛式輔助鉆井平臺與固定式平臺[4]Fig.2 Semi-submersible drilling tender vessel and fixed platform

1 輔助鉆井典型工況

輔助鉆井作業(yè)根據(jù)操作程序一般可以分為四種工況： 輔助平臺待機工況、設(shè)備轉(zhuǎn)移工況、正常鉆井工況以及吊橋脫開工況。

1.1 輔助平臺待機工況

這種工況可以作為輔助平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計工況，一般輔助平臺距生產(chǎn)平臺200 m以外。輔助平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計條件可以取為十年重現(xiàn)期海況或者更高。此時，輔助平臺為鉆井設(shè)備轉(zhuǎn)移做準備，等待作業(yè)時間窗口。

1.2 設(shè)備轉(zhuǎn)移工況

此時操作絞車拉緊連接纜(lashing line)使輔助平臺盡量靠近生產(chǎn)平臺，以方便各種鉆井所需設(shè)備及物品從輔助平臺向生產(chǎn)平臺轉(zhuǎn)移。需要轉(zhuǎn)移的主要設(shè)備以模塊的形式打包放置在輔助平臺上，這些設(shè)備包括井架、提升設(shè)備、防噴器以及一些泥漿清洗設(shè)備等。這個階段的海況應(yīng)該比較平和，以確保吊裝作業(yè)能順利進行。

1.3 正常鉆井工況

設(shè)備轉(zhuǎn)移完畢后，操作絞車使兩平臺間距達到一定要求，此間距應(yīng)比設(shè)備轉(zhuǎn)移時大。輔助平臺和生產(chǎn)平臺之間用連接纜相連并保持適當距離，生產(chǎn)平臺由系泊纜或回拉纜(holdback line)控制水平運動，輔助平臺依靠自身的系泊系統(tǒng)保持位置。正常鉆井時的海況一般可定義為一年重現(xiàn)期的海況，并且考慮海況的方向性。此海況的定義受輔助平臺吊橋行程的限制，因此在風(fēng)浪比較平和的海域，可能適用更高的海況；反之，則可適當降低海況條件。

1.4 吊橋脫開工況[5]

吊橋脫開一般有三種可能情況：

(1) 按計劃脫開。為了對吊橋進行檢查和維護，需要脫開吊橋，這種情況一般提前計劃，時間的安排也應(yīng)盡量避免對鉆井工作產(chǎn)生影響。

(2) 惡劣環(huán)境。當環(huán)境逐漸惡劣以致影響操作時，為了保證井口及平臺的安全，需要啟動吊橋脫開操作。

(3) 突發(fā)事件。這種情況是指由于出現(xiàn)不可預(yù)見性的情況而必須脫開吊橋，如系泊纜的突然斷裂或者環(huán)境突然變得惡劣。

根據(jù)實際情況的程度，須判斷是否在脫開吊橋后斷開平臺之間的連接纜。如果需要，則輔助平臺應(yīng)轉(zhuǎn)移至離開生產(chǎn)平臺較遠的位置。吊橋脫開時的海況一般可設(shè)計為十年重現(xiàn)期海況，具體須根據(jù)吊橋的行程范圍及當?shù)睾r來決定。吊橋準備脫開前，應(yīng)預(yù)留足夠的時間來保證井口的安全以及有關(guān)人員能從生產(chǎn)平臺上撤離。為了保證鉆井作業(yè)的可控性和安全性，輔助鉆井平臺上設(shè)置有預(yù)警系統(tǒng)，可根據(jù)不同的顏色區(qū)別情況的嚴重程度。

圖3和圖4是兩種典型工況的示意圖，圖中的生產(chǎn)平臺以TLP平臺為例，顯示了兩平臺間的連接纜以及生產(chǎn)平臺的回拉纜工作形式。

圖3 輔助鉆井狀態(tài)Fig.3 Tender assisted drilling condition

圖4 輔助鉆井吊橋及連接纜脫開狀態(tài)Fig.4 PTB and lashing lines disconnected condition

2 輔助鉆井工作界面[5]

輔助平臺與生產(chǎn)平臺間的工作界面是指兩者在輔助鉆井過程中材料、人員、通信和電力等的聯(lián)系方式。

2.1 吊橋

吊橋是聯(lián)系生產(chǎn)平臺與輔助平臺之間的臨時性橋形結(jié)構(gòu)，它的基座位于輔助平臺上。低壓泥漿回流、鉆井時氣體供應(yīng)以及信號線的連接都要通過吊橋，送至生產(chǎn)平臺的高壓泥漿和水泥則一般通過懸鏈式軟管來傳遞。吊橋也是相關(guān)工作人員在兩個平臺間來往和撤離的主要通道。

2.2 連接纜

生產(chǎn)平臺和輔助鉆井平臺之間宜用一套連接纜進行約束，它們處于拉緊狀態(tài)時可以使兩平臺間保持一定的安全距離。其主要組成為高強度的軟繩材料，良好的彈性可以提供足夠的伸縮性并能吸收突然出現(xiàn)的繃緊載荷。連接纜和絞車相接的部分采用鋼纜或錨鏈。連接纜的載荷——伸長特性曲線一般具有非線性的特點，如圖5所示。

圖5 連接纜的非線性特性Fig.5 Non-linear characteristics of lashing lines

2.3 泥漿和水泥輸送

生產(chǎn)平臺和輔助平臺之間輸送泥漿和水泥的高壓軟管有兩種： 水下懸鏈式軟管和水上懸鏈式軟管。水下懸鏈式軟管出入兩平臺時幾乎垂直，穿過波濺區(qū)，長度較長，因此在設(shè)計時應(yīng)考慮全天候的環(huán)境條件，包括輔助平臺脫開時的風(fēng)暴條件。水上軟管則在水面之上通過，在任何情況下都不觸水，長度較短，但這類軟管須在兩平臺脫開時先于輔助平臺斷開。圖6所示為水下懸鏈式軟管。

圖6 水下懸鏈式軟管Fig.6 Underwater hose in catenary shape

2.4 泥漿回流

泥漿從生產(chǎn)平臺回到輔助平臺有三種途徑，除了上述的兩種軟管形式外，還有一種是通過布置在吊橋上的管路來輸送。對于這三種途徑，可以通過泵的抽吸作用來克服泥漿的重力。

水下懸鏈式軟管在輸運回流泥漿時雖然可以在所有海況下工作，但是由于泥漿太沉因此很容易在軟管內(nèi)發(fā)生沉淀滯塞的現(xiàn)象。如采用水上懸鏈式軟管，則需要設(shè)置一個臂架來支持軟管，這樣就可以提供充分的運動補償，在需要吊橋脫開的海況下，泥漿回流至軟管時還能保持連接，以及重新連接。如果泥漿回流管道布置在吊橋上，則勢必會加重吊橋的負重。但泥漿管線可隨著吊橋一起脫開，當?shù)鯓蛑匦麓罱雍螅酀{回流管道也易于重新連接。

2.5 鉆桿傳送

大量的鉆桿堆放在輔助平臺，為生產(chǎn)平臺節(jié)省了大量空間，也減輕了設(shè)計時的有效載荷。鉆桿可以通過高線傳送系統(tǒng)(Hi-line system)(見圖7)從輔助平臺轉(zhuǎn)移至生產(chǎn)平臺，這種方式可以降低用甲板吊機轉(zhuǎn)運鉆桿這樣長尺寸的重物所帶來的風(fēng)險。

圖7 高線傳送系統(tǒng)Fig.7 Hi-line system for transfering pipes

2.6 防噴器遠程控制

在輔助平臺上也配備了與生產(chǎn)平臺上完全相同的防噴器/分流器(BOP/diverter)控制面板，這樣可以在遠程對鉆井和壓井進行控制操作。輔助平臺的控制包括兩種方式： 當兩個平臺連接時，采用有線電通信系統(tǒng)；當兩個平臺脫開時，采用無線通信系統(tǒng)。

2.7 其他界面

生產(chǎn)平臺與輔助平臺之間還存在輕質(zhì)鉆井液、通信、電力、應(yīng)急以及人員監(jiān)控系統(tǒng)等工作界面。這些輸運材料或控制信號的管纜可以通過吊橋來保持兩平臺間的聯(lián)系，但仍須配備一套無線通信系統(tǒng)，以保證重要信號的有效傳遞。

3 輔助鉆井平臺的主要性能

以BT-3500型半潛式輔助鉆井平臺為例[6]，表1列舉了該型平臺的一些建造信息以及主要性能數(shù)據(jù)，從該型平臺的3D圖可以看出，有吊橋、吊機和鉆桿堆場等裝置。

表1 BT-3500型輔助鉆井平臺建造信息及主要性能

(續(xù)表)

4 輔助鉆井總體運動性能基本要求

當生產(chǎn)平臺為固定式平臺時，輔助鉆井作業(yè)比較簡單，在此不做討論。當生產(chǎn)平臺為浮式平臺時，輔助鉆井作業(yè)的關(guān)鍵是在一定的環(huán)境條件下控制兩平臺之間的相對運動，保證兩者之間具有適當?shù)拈g距。如果間距過大，則可能超出吊橋的伸縮范圍或造成連接纜的斷裂；如果間距過小，則可能超出吊橋伸縮范圍或發(fā)生碰撞[7-8]。因此，輔助鉆井作業(yè)運動性能設(shè)計主要在于定義適當?shù)沫h(huán)境條件，合理設(shè)計輔助平臺的系泊系統(tǒng)、兩平臺間的連接纜以及生產(chǎn)平臺的回拉纜(以TLP平臺為例)，并根據(jù)計算分析結(jié)果或水池試驗結(jié)果進行驗證。

4.1 輔助平臺系泊系統(tǒng)

輔助平臺一般自身配備纜索式系泊系統(tǒng)，但其適用的水深有限，如果目標海域超過限制水深，則必須根據(jù)實際情況進行改裝或重新設(shè)計系泊系統(tǒng)，如可以采用半張緊式的系泊纜。如果輔助平臺有動力定位系統(tǒng)，則其定位能力需要根據(jù)實際情況進行校核，這種情況不在本文的討論范圍內(nèi)。輔助平臺系泊系統(tǒng)的控制工況為待機工況，進行輔助鉆井作業(yè)時，首先通過調(diào)整系泊纜的長度來移動輔助平臺，使其從200多米外的待機位置至輔助作業(yè)位置，然后重新設(shè)定各系泊纜的預(yù)張力及方位角，最后通過連接纜和生產(chǎn)平臺相接，并通過多個絞車的配合來保證兩個平臺連接后處于設(shè)定的平衡位置。

4.2 雙體耦合總體運動

對輔助鉆井作業(yè)進行總體設(shè)計時，必須進行兩平臺間相對運動的計算分析。這是一個涉及雙浮體且互相耦合的非線性系統(tǒng)，具有多纜索約束的特點，加之計算工況多，因此比較煩瑣和耗時。以TLP生產(chǎn)平臺為例，需要考慮的約束有TLP平臺的張力腿、張緊立管(top tensioned riser, TTR)及回拉纜、兩平臺間的連接纜、輔助平臺的系泊纜等。幾種約束的物理特性差異也較大，特別是張力腿和TTR的計算模擬。

在進行輔助鉆井作業(yè)狀態(tài)運動分析時，應(yīng)主要考察如下指標：

(1) 兩平臺間距，無環(huán)境力時的靜態(tài)間距一般可設(shè)置為20～30 m。在設(shè)計環(huán)境載荷的作用下，運動時兩平臺間的最小間距一般應(yīng)不小于10 m。

(2) 各纜索上的最大張力應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的安全系數(shù)。各纜索包括輔助鉆井平臺的系泊纜、兩平臺間的連接纜、TLP平臺的回拉纜等。TLP平臺的張力腿及TTR上的張力不作為主要的考察指標，但應(yīng)正常輸出和檢查。

(3) 對于連接纜，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)松弛的現(xiàn)象。

(4) 兩平臺間吊橋的運動不超過設(shè)備自身的伸縮能力范圍。

(5) 各纜索之間以及纜索與浮體之間有一定的安全距離，不致于發(fā)生碰撞。

輔助鉆井運動分析包含各種非線性因素，因此應(yīng)在時域中進行，該分析與帶系泊系統(tǒng)的單浮體時域計算分析情況類似，但也有其特點，在具體分析時應(yīng)重點考慮如下方面：

(1) 計算工況的確定。定義計算工況時應(yīng)在盡量減少計算負擔的同時涵蓋所有可能出現(xiàn)惡劣后果的情況，計算工況考慮環(huán)境方向的特點以及纜索完整和斷裂的情形。

(2) 水動力模型。輔助鉆井涉及兩個浮體，面元劃分應(yīng)注意數(shù)目與精度的統(tǒng)一，各種纜索的非線性特征應(yīng)輸入模型，立柱及浮筒產(chǎn)生的水動力黏性效應(yīng)考慮在內(nèi)。

(3) 風(fēng)載及流載算。包括輔助平臺和TLP平臺水面以上部分的風(fēng)載荷的估算以及水下浮體的流載的估算。流載荷也可以通過Morison單元引入，但最可靠的應(yīng)是模型試驗數(shù)據(jù)，如有則可直接引用。

(4) 平衡位置。合理設(shè)置各纜索的預(yù)張力，使兩平臺在無環(huán)境力作用時處于設(shè)計預(yù)定位置，且六自由度上無靜態(tài)位移。其中TLP平臺的平衡位置即為其在位時的位置，回拉纜和連接纜提供水平力使其保持平衡。此刻，TLP平臺的張力腿并不提供水平力；輔助平臺在連接纜和其系泊系統(tǒng)的作用下保持平衡，并處于設(shè)定位置。

(5) 時歷結(jié)果的后處理。計算后的數(shù)據(jù)量比較大，對數(shù)據(jù)結(jié)果的處理宜編制后處理程序以節(jié)省工作量。此外，對時域的極值結(jié)果應(yīng)采用合適的極值預(yù)報方法來得到最終結(jié)果，作為工程應(yīng)用的設(shè)計基礎(chǔ)。

4.3 模型試驗設(shè)計

為了驗證和校核計算分析的結(jié)果，在工程項目中一般應(yīng)進行輔助鉆井設(shè)計的水池模型試驗。

試驗應(yīng)在對目標海域特定的風(fēng)浪流條件能進行準確模擬的海洋工程水池中進行。對于TLP這類生產(chǎn)平臺，由于所在水域較深，因此宜采用有深水井的水池進行試驗。對于無可升降底或即使有但水深仍明顯不足的水池，需要對系泊系統(tǒng)進行截斷和等效處理。

除對平臺的加工制造進行要求外，輔助鉆井時還涉及數(shù)量較多的多種纜索，這也給模型試驗增加了一定難度。在模型試驗中可以考慮對一些成組的纜索進行數(shù)量上的簡化和等效處理。

此外，吊橋的行程是輔助鉆井作業(yè)的重要參數(shù)之一，在水池模型試驗中應(yīng)進行測量。直接模擬和測量連接橋的行程(即連接橋部件之間的相對運動)存在較大難度，因此可以采用測量連接橋兩端的相對運動來間接得到這一數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

以半潛式平臺作為輔助平臺的輔助鉆井作業(yè)模式是一種較新型的鉆井技術(shù)，當生產(chǎn)平臺為浮式平臺時，此鉆井作業(yè)過程中會出現(xiàn)雙浮體互相耦合的運動，在各種纜索的共同約束下，其輔助鉆井作業(yè)總體性能設(shè)計存在一定的難度。本文對輔助鉆井這一鉆井方式的總體技術(shù)進行了簡要介紹，以TLP生產(chǎn)平臺為例分析了輔助鉆井總體性能設(shè)計時的一些關(guān)鍵性技術(shù)及基本要求。目前國內(nèi)在這方面的設(shè)計尚屬空白，希望本文能增加國內(nèi)同行對輔助鉆井領(lǐng)域工程應(yīng)用及設(shè)計的了解。