王長(zhǎng)軍 郝云 羅立臣 王寧

崖城PFA模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

王長(zhǎng)軍 郝云 羅立臣 王寧

（中海油能源發(fā)展股份有限公司油建設(shè)計(jì)研發(fā)中心 天津 300452）

模塊鉆機(jī)；小橇塊；組合式

崖城PFA模塊鉆機(jī)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)通過(guò)平臺(tái)吊機(jī)完成海上安裝工作的模塊鉆機(jī)。它是一種新型的海洋模塊鉆機(jī)型式，具有安裝、拆卸靈活，搬遷方便，海上安裝運(yùn)輸不依賴大型駁船、浮吊設(shè)備等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)崖城PFA模塊鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，解決了設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的難點(diǎn)，為后續(xù)的小橇塊組合式模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)積累了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

0 引言

模塊鉆機(jī)是海洋平臺(tái)常用的一種鉆井型式，它通常由幾個(gè)上千噸重的模塊組成，需要依靠大型船舶和浮吊進(jìn)行海上安裝，并且搬遷困難。本文介紹了一種新型的小橇塊組合式模塊鉆機(jī)，能克服上述條件的限制，依靠平臺(tái)吊機(jī)實(shí)現(xiàn)海上的安裝、拆卸，具有非常好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 項(xiàng)目背景

崖城13-1氣田位于南海鶯歌海海域內(nèi)，氣田所處水深約90m。該氣田承擔(dān)著為香港保質(zhì)保量供氣的任務(wù)。香港中華電力公司是崖城13-1氣田的最大用戶，在香港政府減少燃煤電站排放、保護(hù)環(huán)境的政策壓力下，香港中華電力公司在2007年初向中海石油（中國(guó)）有限公司崖城作業(yè)公司（簡(jiǎn)稱YOC）提出崖城13-1氣田向其下游電廠增加供氣量，即所謂的加速提氣［1］。至2007年底，香港中華電力公司與YOC已原則上達(dá)成了加速提氣的協(xié)議。該加速提氣協(xié)議規(guī)定，YOC需利用崖城13-1AWA平臺(tái)上閑置井槽新鉆4口生產(chǎn)井，其中一口井為現(xiàn)有生產(chǎn)井的側(cè)鉆。

由于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與建造工期十分緊張，而且又無(wú)法落實(shí)大型海上施工船舶，為保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行，經(jīng)過(guò)充分的技術(shù)研究，YOC決定建造一座不需動(dòng)用大型浮吊資源，采用平臺(tái)吊機(jī)即可完成安裝的新型小橇塊組合式模塊鉆機(jī)進(jìn)行鉆井作業(yè)。

2 總體技術(shù)方案

崖城PFA模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)以安裝、拆卸靈活，使用平臺(tái)吊機(jī)即可完成安裝工作為根本出發(fā)點(diǎn)，在滿足鉆完井工藝要求以及現(xiàn)場(chǎng)安全操作要求的情況下，盡可能縮小橇塊的尺寸和重量。

原平臺(tái)吊機(jī)吊重能力為15 t×25m，為滿足海上安裝的要求，需要新增兩臺(tái)吊重能力為45 t×10 m的平臺(tái)吊機(jī)。

圖1 崖城PFA模塊鉆機(jī)總體布置

2.1 總體布置方案

崖城PFA小橇塊組合式模塊鉆機(jī)主要由鉆井設(shè)備模塊（DES）、鉆井支持模塊（DSM）、灰罐模塊、動(dòng)力模塊（PM）和新增吊機(jī)五大部分組成，共由115個(gè)結(jié)構(gòu)和設(shè)備橇塊組成。其中鉆井設(shè)備模塊由44個(gè)結(jié)構(gòu)和設(shè)備橇塊組成，鉆井支持模塊由24個(gè)結(jié)構(gòu)和設(shè)備橇塊組成，灰罐模塊由4個(gè)結(jié)構(gòu)和設(shè)備橇塊組成，動(dòng)力模塊由23個(gè)結(jié)構(gòu)和設(shè)備橇塊組成，新增吊機(jī)由20個(gè)結(jié)構(gòu)和設(shè)備橇塊組成。崖城PFA模塊鉆機(jī)總體布置如圖1。

2.2 橇塊劃分原則

橇塊劃分總的原則是在綜合考慮鉆完井工藝流程的要求和吊裝設(shè)備能力的前提下，盡可能減少橇塊數(shù)量和重量，保持橇塊功能的獨(dú)立性，以便盡可能減少海上安裝連接和調(diào)試的工作量［2-4］。

崖城PFA模塊鉆機(jī)除按上述原則進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還充分考慮了以下幾個(gè)方面：

（1）由于受到原有平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載能力和面積限制，以及新增兩臺(tái)吊機(jī)安裝的需要，各個(gè)模塊充分考慮了基座的設(shè)計(jì)，以減少對(duì)原有平臺(tái)結(jié)構(gòu)的改動(dòng)；

（2）各種罐體成為結(jié)構(gòu)的一部分，既承載其他結(jié)構(gòu)受力功能，又能滿足各種介質(zhì)的儲(chǔ)存功能；

（3）在保證工藝流程的前提下，充分利用結(jié)構(gòu)框架內(nèi)部空間合理的進(jìn)行設(shè)備擺放。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新

3.1 電纜連接器的應(yīng)用

傳統(tǒng)的模塊鉆機(jī)一般由幾個(gè)大模塊組成，它們之間的電纜均采用電纜直接連接或者通過(guò)接線箱連接，這種電纜連接方式適合大模塊之間的電纜連接，但并不適合崖城PFA模塊鉆機(jī)。崖城PFA模塊鉆機(jī)由上百個(gè)小橇塊組成的，特別是從動(dòng)力模塊到鉆井設(shè)備模塊的動(dòng)力電纜均要通過(guò)拖鏈，而拖鏈不能整體吊裝，如果將這些動(dòng)力電纜整條在海上安裝，則穿插拖鏈的工作量和難度非常大，會(huì)大大增加海上安裝調(diào)試時(shí)間。

為了減少海上安裝調(diào)試的工作量，實(shí)現(xiàn)在海上的快速連接，我們?cè)诤Ｑ笃脚_(tái)首次采用了電纜連接器，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電纜海上的快速安裝。電纜連接器現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2。

圖2 電纜連接器現(xiàn)場(chǎng)照片

3.2 管線布置及連接設(shè)計(jì)

崖城PFA模塊鉆機(jī)由上百個(gè)小橇塊組成，這對(duì)于管線的布置以及橇塊之間的管線連接是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。本次設(shè)計(jì)大膽創(chuàng)新，充分運(yùn)用了膨脹節(jié)、由壬、軟管以及活動(dòng)支架等設(shè)計(jì)。

3.2.1 管線布置及模塊間管線連接原則

（1）需要根據(jù)小橇塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和吊裝要求進(jìn)行合理的管線布置，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)小橇塊之間的拆分與組裝，并充分考慮拆分、組裝等施工過(guò)程造成的橇塊間的相對(duì)位移（變形）與吊裝過(guò)程中的碰撞對(duì)管線的影響，避免出現(xiàn)管線連接困難、碰撞損壞等情況，并應(yīng)考慮管線布置對(duì)設(shè)備吊裝、安裝的影響，減少因設(shè)備安裝、拆卸等工作造成的管線修改；

（2）管線優(yōu)先成排布置于小橇塊內(nèi)，最大程度減少橇塊外管線，同時(shí)在橇塊分界處增加拆卸法蘭（或由壬），減少拆裝橇塊時(shí)管線的拆裝工作量，盡可能提高將來(lái)橇塊在海上安裝時(shí)的管線回接速度；

（3）對(duì)無(wú)法避免的橇塊外管線最大程度靠近橇塊布置，達(dá)到與橇塊一起吊裝的目的。橇塊下部管支架采用活動(dòng)支架，橇塊與橇塊連接處要保證拆卸后管端在橇內(nèi)，避免將來(lái)各個(gè)橇塊組對(duì)就位時(shí)可能的相互碰撞。

3.2.2 膨脹節(jié)的廣泛應(yīng)用

由于鉆機(jī)陸地完工后，橇塊需要拆卸并運(yùn)輸?shù)胶Ｉ掀脚_(tái)重新組裝，因此不可避免會(huì)存在安裝誤差。管線在橇塊連接處難以保證法蘭的緊密安裝，故在橇塊過(guò)渡處大規(guī)模采用了膨脹節(jié)。

（1）實(shí)現(xiàn)管線的軟連接，保證橇塊組裝時(shí)的拆裝誤差；

（2）采用膨脹節(jié)滿足了橇塊間管線的可拆卸性，并且保證了法蘭面縮在模塊邊界內(nèi)，避免了橇塊再安裝時(shí)碰撞；

（3）減少管線應(yīng)力及震動(dòng)。鉆機(jī)泥漿管線管徑較大、管線較長(zhǎng)、相應(yīng)管線應(yīng)力較大，采用膨脹節(jié)及其他軟連接很好的解決了管線應(yīng)力問(wèn)題。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 框架式吊機(jī)底座設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目需要在老平臺(tái)上增加吊機(jī)，進(jìn)行各個(gè)橇塊的安裝，因此吊機(jī)臨時(shí)位置采用兩條2 m高的組合梁作為支撐，而永久位置更是采用了兩條高2.2 m的組合梁作為支撐。吊機(jī)的上下底座采用框架式底座設(shè)計(jì)，能有效提高底座的強(qiáng)度以及剛度，最大限度解決吊機(jī)底座在較大集中載荷作用下的強(qiáng)度和吊機(jī)頂部的水平位移問(wèn)題。同時(shí)，使用組合梁以達(dá)到合理用料、減輕重量的目的，并能讓吊機(jī)司機(jī)得以平穩(wěn)地操作。框架式吊機(jī)底座模型如圖3所示。

圖3 框架式吊機(jī)底座模型

3.3.2 橇塊間連接設(shè)計(jì)

崖城PFA模塊鉆機(jī)各個(gè)橇塊之間的連接形式主要采用銷軸連接和螺栓連接。連接形式充分考慮了各個(gè)橇塊之間可能發(fā)生的力的傳遞，避免使銷軸受到平面外側(cè)向力，使其能夠較好的發(fā)揮限位作用。連接點(diǎn)的選擇也考慮了各個(gè)小橇塊的功能性，以及可能發(fā)生的相對(duì)變形，盡量對(duì)稱布置，減少由于不同橇塊之間的不協(xié)調(diào)變形造成插銷困難。具體的連接形式如圖4、5所示。

圖4 銷軸連接形式1

由于銷軸耳板的板厚較大，而主梁的截面尺寸較小。當(dāng)連接板焊接到主梁時(shí)，通常采用全融透的焊接形式。因焊接時(shí)的溫度過(guò)高，當(dāng)主梁的腹板較薄時(shí)，主梁的局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生變形，這就影響了結(jié)構(gòu)梁的強(qiáng)度。針對(duì)上述節(jié)點(diǎn)，對(duì)主梁的局部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，使其厚度與銷軸耳板匹配，并將焊接熱影響的負(fù)作用降到最低。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 銷軸連接形式2

崖城PFA模塊鉆機(jī)是國(guó)內(nèi)第一次自主進(jìn)行小橇塊組合式模塊鉆機(jī)的設(shè)計(jì)，它采用了許多新的技術(shù)，進(jìn)行了許多創(chuàng)新，使這種模塊鉆機(jī)具有安裝、拆卸靈活，搬遷方便，海上安裝運(yùn)輸不依賴大型駁船、浮吊設(shè)備等特點(diǎn)。隨著海洋石油勘探開(kāi)發(fā)步伐的日益加快，尤其是隨著邊際油田的開(kāi)發(fā)步伐的加快，移動(dòng)式鉆井平臺(tái)資源顯得日益缺乏，無(wú)論從資源可利用性還是經(jīng)濟(jì)性方面考慮，小橇塊組合式模塊鉆機(jī)將是海上平臺(tái)鉆井作業(yè)很好的選擇。

［1］袁緯，張宇，張尚文等.崖城13-1井口平臺(tái)隔水套管修補(bǔ)方法與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2009，38（7）：84-88.

［2］馮定，唐海雄，周魁等.模塊鉆機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油機(jī)械，2008，36（9）：144-145.

［3］馮定，楊志遠(yuǎn)，周魁.輕型可搬遷海洋鉆修機(jī)模塊劃分方案研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（2）：46-47.

［4］陳如恒.鉆機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（4）：1-8.

Engineering Design and Innovation of Yacheng PFA Modular Drilling Rig

WANG Chang-jun HAO Yun LUO Li-chen WANG Ning
（CNOOC-ETS Engineering Design Center of OCEC，Tianjin 300452，China）

modular drilling rig；small module；combined type

Yacheng PFA modular drilling rig is the first modular drilling rig in China which is installed offshore by using platform crane rather than heavy marine installing boat.It is a new type off shore modular drilling rig that can be installed，dismantled and moved easily without heavy barge and floating crane.The difficulties in design have been solved through the study of key technology，which can be reference for other small module drilling rig in future.

U674.38

A

1001-9855（2011）03-0048-04

2010-12-24

王長(zhǎng)軍（1977-），男，漢族，工程師，主要從事海洋石油工程設(shè)計(jì)工作。