海洋深水7000 m快速拆裝鉆機模塊設計及應用

黃治湖，薛蘇玲,2，仝琳，李娜，魏鵬，陳剛,3

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞721002；3.西南石油大學，成都610500）

0 引言

深水海洋平臺遠離大陸，海上安裝常常受到惡劣的氣候條件影響，具有費用高、施工難度大、周期長和海吊租賃費用高等特點，在鉆井平臺的設計計算方面，風、浪、流、冰等[1]環境條件和地質條件也更加復雜、多變，并且鉆井平臺因為作業水深的增加，還要承受更大設備質量和鉆井載荷，這樣一來，就大大增加了鉆井的設計難度和建造費用。如何在深水海洋油氣開采中，減少設備布置的質量、節約平臺空間，從而減輕鉆井平臺的負荷，降低海上安裝的租賃費用，提高石油開采的經濟性[2]就顯得非常重要。在此背景下，2014年寶雞石油機械有限責任公司設計一套7000 m快速拆裝鉆機模塊，目標項目是大連船舶重工集團的BT3500-2半潛支持平臺項目，該鉆機模塊適應于支柱穩定式，包括固定式平臺、SPAR或張力腿平臺等各種形式的平臺。海上運輸時各模塊封固在支持平臺上；鉆井時，19個模塊不需要海上浮吊，通過支持平臺上的吊機就可完全實現在目標鉆井平臺上進行快速組裝，并進行鉆井作業。鉆井作業完成后，各個模塊之間可快速拆分搬家，實現鉆井模塊的循環利用，鉆井模塊的下部平臺可作為生產平臺繼續使用，該鉆機模塊是國內首套為半潛支持平臺設計的項目，填補了國內空白。

1 技術分析

1.1 技術要求

設計的7000 m快速拆裝鉆機模塊，海上運輸時各模塊封固在支持平臺上；鉆井時，通過支持船上的吊機19次吊裝，完成整套鉆井模塊的吊運作業；單個模塊設計質量最大170 t，滿足支持船吊機最大起吊能力175 t的限制。

鉆機模塊滿足鉆深7000 m及27叢式井的鉆探能力，滿足零污染、零排放及HSE等方面的要求。

1.2 總體方案

鉆機模塊的發電機組、泥漿泵組、泥漿池、散料系統、空壓機、固井泵等設備布置在支持平臺上，支持平臺與鉆井平臺之間通過臍帶管線傳輸動力、通信、泥漿、空氣、固井水泥、海水、淡水、消防水等，鉆機可滿足鉆臺面橫向滑移和整體縱向滑移，其中鉆臺面滑移行程為±6 m，鉆機整體滑移為±17.5 m，適應叢式井作業。

鉆井模塊主要布置有鉆井設備、火災和可燃氣體探測、中控和應急切斷系統、污水收集系統、消防系統等。

1.3 主要參數

適應水深：500 m；名義鉆深(φ114 mm鉆桿)：7000 m；最大鉤載：4500 kN；井架型式/有效高度：液壓伸縮式井架/46.3 m；底座形式/高度：門式底座/17.8 m；鉆井包子模塊數：19個；單個模塊極限質量：170 t；鉆井包總質量：1350 t。

2 關鍵技術

2.1 科學合理的模塊劃分和管線電纜的快速拆裝技術

科學、合理地劃分和處理模塊的層次、規模和數量是模塊化設計成功的重要保證[3]。模塊劃分方案總的原則是應盡可能減少模塊數量和保持模塊功能的獨立性，以便盡可能減少海上安裝連接和調試的工作量[4]。該鉆井模塊為國內首次針對半潛支持平臺而設計的，并首次采用PDMS軟件進行各專業的同步設計，整體設計為19個模塊，主要由底座、固控模塊、液壓模塊、管匯模塊、鉆臺模塊、絞車模塊、井架模塊、電控模塊等組成，模塊在劃分方面充分考慮了功能獨立性和模塊之間的可靠性、穩定性，單個模塊設計質量最大170 t，限定在支持船吊機最大起吊能力175 t的動態吊裝范圍內。

管線布置在模塊以內，模塊之間采用活動或伸縮的柔性管線連接，接頭采用活接或快速接頭可避免模塊在拆裝時的碰撞損壞，實現模塊之間的快速拆裝。

電纜在連接上布置了7個連接站和9個拱形托架及必要的拖鏈，滿足了電纜的快速連接和鉆井滑移時電纜游動和快速連接要求，多層的拱形托架滿足電纜的彎曲半徑要求。

2.2 門式底座及懸臂結構

大跨度的門式底座支持鉆臺面橫向滑移和整體縱向滑移，可以滿足在TLP平臺27口井位的鉆井作業的滑移要求和承載鉆井作業時的載荷。底座兩側的懸臂式結構只要用于布置固控設備和液壓單元。

底座的創新點在于整個底座由2塊門架與水平/垂直連接架組成，彼此之間采用銷子連接。拆分搬家時，可快速脫開，底座兩側的懸臂式結構在拆分搬家時可收起，固定在門架上，便于在支持平臺封固時節約空間和固定。

另外，這種門架式結構提供了一個優越、無障礙月池空間，便于鉆機進行叢式井的作業，如圖1、圖2所示。

2.3 安裝導向及防碰裝置

模塊鉆機在海上拆裝時，不可避免地會發生模塊之間的碰撞，導致結構、管線、設備的損壞，并且鉆機在海上安裝時，由于采用吊機進行操作，每個模塊的準確定位都比較困難，有時定位要求比較高的模塊，需要多次調整才能安裝到位，因此設置必要的海上輔助導向和防碰結構，以確保海上吊裝作業時的順利進行[5]。該鉆機模塊在設計時，根據模塊的布置位置和安裝特點，合理地布置了安裝導向及防碰裝置，大大降低了吊裝操作的難度，提高了工作效率，節約鉆井的拆裝時間及拆裝成本，如圖3、圖4所示。。

圖1 門式底座及懸臂結構

圖2 固控、液壓單元結構布置圖

圖3 滑移基座梁模塊的安裝導向裝置

圖4 巖屑處理模塊安裝導向柱

2.4 關鍵鉆井設備的創新

1）軌道式司鉆控制房。司鉆房安裝在2條滑移軌道上，鉆井作業時，司鉆在進行起下鉆、接立根和其它操作，司鉆房可順著軌道滑動，調整司鉆視野，減少誤操作。滑移軌道下設置有緩沖裝置，可減小鉆井時振動對司鉆房造成的影響，起到保護設備、延長設備壽命的作用。

2）液壓伸縮井架。額定載荷4500 kN 的液壓伸縮井架，通過2個油缸舉升到直立狀態，2個液壓絞車再將上段提升到目標位置，利用液壓銷進行固定鎖緊，便可完成整個井架起升工作。液壓伸縮井架主要的優點是節約空間、安裝時間和費用,如圖5、圖6所示。。

3）BOP&CTU處理裝置。底座設計BOP及CTU（連續管作業單元）橫向和縱向移運軌道和小車，滿足BOP及CTU安裝、測試、運輸。鉆井同時可進行BOP及CTU的處理；具備BOP測試及運輸的雙重功能；最大限度地提高了作業效率。

圖5 井架水平與起升后的情況

圖6 支持平臺吊機吊裝井架

4）外掛式V大門坡道。外掛式V大門坡道和HI-LINE系統配合可以完成對鉆柱的處理工作，其主要創新點是：采用三角形懸臂結構，穩定性強；外掛式連接形式，坡道可隨鉆臺一起移動，適應性強；可調節式鉆桿框，安全可靠。

2.5 跨接式臍帶纜

借助懸鏈線方程模擬出鉆井平臺及支持平臺之間的跨接式臍帶軟管及電纜，合理計算軟管長度及懸掛點受力狀況，主要的特點是：工作狀態時小通徑軟管始終懸掛在海平面以上，避免了波浪對軟管的沖擊載荷；大通徑泥漿回流管線部分漂浮在海面，有效減小了泥漿質量對管線產生的張緊力。

2.6 物料運送系統——HI-LINE系統

由鋼絲繩張緊絞車、物料牽引絞車、鋼絲繩、導輪組組成的HI-LINE系統，可完成支持平臺與鉆井平臺之間包括鉆桿、套管、鉆井耗材等物料的搬運工作。具有安全高效、操作方便、結構簡單、質量輕等明顯優勢。

3 碼頭試驗情況

2015年7月，19個鉆機模塊在海工碼頭場地完成合攏，利用半潛支持平臺上的175 t吊機，順利完成了吊裝封固試驗，接著根據實際井位與支持船的相對高度和位置，再用半潛支持平臺上的175 t吊機將19個模塊逐一在模擬井位位置進行了安裝，并進行了各模塊之間管線連接和鉆機與支持船之間的臍帶纜連接，整個安裝過程用時36 h，達到了運輸時支持平臺封固、鉆井時在井位快速安裝的要求。

2015年10月，經過調試試驗驗證，支持船與鉆機模塊之間的動力、通信、泥漿及油、水、氣各個系統輸送正常，滿足鉆井平臺的作業要求。

4 結論

1）7000 m快速拆裝模塊鉆機，通過支持船的吊機可完成19個模塊的拆裝和封固，在節約安裝和租賃費用方面具有優勢；2）該鉆井系統將發電機組、泥漿、固井設備、油水氣的儲存布置在支持船上，通過臍帶纜進行輸送，可大大減輕鉆井平臺的負荷及布置壓力，降低鉆井平臺的造價，具有較好的經濟性；3）鉆井完成后，模塊鉆井拆解后在支持船上進行封固，運輸到新的井位后，又可通過重新組裝和管線連接后，進行鉆井作業，可提高系統和設備的循環利用性能；4）該鉆井模塊滿足零排放、零污染和HSE要求，通過試驗驗證，該鉆井技術先進、性能可靠、適用范圍廣。