自升式鉆井平臺電氣系統(tǒng)設計研究

馬德偉

摘 要：在海洋油氣勘探和開發(fā)過程中，自升式鉆進平臺作為關鍵設施，在整個資源開采過程中占有重要地位，其中電氣系統(tǒng)設計是平臺自身的重要內容，可保證平臺在惡劣的海洋環(huán)境下仍能進行安全作業(yè)。以下將從自升式鉆井平臺的主要概述出發(fā)，逐步探討電氣系統(tǒng)設計與應用，以期能為海洋勘探從業(yè)人員提供借鑒。

關鍵詞：自升式鉆進平臺 電氣系統(tǒng)設計 研究

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（c）-0027-02

在鉆井平臺結構當中，電氣系統(tǒng)作為重要部分，起到了關鍵作用，電氣系統(tǒng)設計的優(yōu)劣對鉆井平臺自身功能有直接影響，以下將從平臺結構分析入手，逐項研究電氣系統(tǒng)設計。

1 自升式鉆井平臺結構特點和主要功能模塊分析

自升式鉆進平臺常見尺寸包括300英尺、350英尺以及400英尺3種，覆蓋深度在110 m左右以內的海域，鉆井深度通常約為9 000 m以上，目前世界主流自升式鉆井平臺包括美國Le Tourneau公司設計制造的Super系列平臺、新加坡Kfels公司設計的KFELS系列以及我國自主研發(fā)設計的JU系列等。從總體架構來看，自升式鉆井平臺屬于一種海上鋼結構體，如圖1所示。主體可分為樁腿、平臺、鉆井裝置3部分，長寬處于60～80 m的范圍，型深在7～10 m的水平內，通常為3條樁腿帶樁靴，樁腿長度通常為130～170 m，鉆井裝置通常位于平臺尾部的鉆臺中，以井架為依托實現(xiàn)海上鉆井作業(yè)。

從平臺功能來看，可分為作業(yè)、船體以及生活模塊。船體是其他模塊的載體，可被拖航在海上，可實現(xiàn)水上浮態(tài)或升出水面后的壓載，保證平臺穩(wěn)定，并為其他模塊提供動力；作業(yè)模塊包括升降平臺、鉆臺滑移以及第三方固井設備等等；生活模塊則為平臺工作人員提供食宿條件，在其首部還建有直升機平臺，便于日常往來和緊急疏散。

2 自升式鉆井平臺電氣系統(tǒng)設計特點

自升式鉆井平臺一直以來均以低壓電制為主，從實際平臺調研以及制造廠家的反饋信息來分析，低壓電制所采用的電纜數(shù)量極為龐大，且給電氣系統(tǒng)設計以及敷設帶來較大的難度，從技術層面而言，中壓電制比較適用。自升式鉆井平臺所采用的電氣設備外形、尺寸、重量控制，關系到整個電氣系統(tǒng)的安裝和正常使用。因此在電氣系統(tǒng)設計之初對設備進行選型時，要優(yōu)先選擇尺寸小、重量輕的設備。

與鉆井相關的測井、固井、完井均屬于專業(yè)過程，通常由第三方提供設備并在工程后期完成作業(yè)，因此在對鉆井平臺電氣系統(tǒng)進行設計時，需對其進行充分了解，并提供供電和信號接口，其他電氣線纜也是自升式鉆井平臺電氣設計的一大特點，例如耐泥漿電纜、電纜拖鏈等應用，需結合海洋環(huán)境以及平臺作業(yè)方式進行設計，提高其實用性能。

3 自升式鉆井平臺電氣系統(tǒng)設計與應用

3.1 電站和電力系統(tǒng)

自升式鉆井平臺電站通常由5臺主用發(fā)電機以及1臺應急或兼停泊之用的發(fā)電機組成，具備自動電站的基本功能。以我國常見的JU系列自升式鉆井平臺為例，以電力符合分析結果為依據(jù)，每臺主用發(fā)電機功率約在1 545 kW左右，而應急發(fā)電機功率約在1 300 kW。由于海洋鉆井電力系統(tǒng)通常直接設計為低壓電制的三相三線對地絕緣系統(tǒng)，因此電氣系統(tǒng)主要有平臺總用、升降和滑移、鉆井所需電力系統(tǒng)三個部分構成，如圖2所示。

鉆井平臺電站容量可根據(jù)主要負載率和負載指數(shù)，在拖航、升降、起鉆和下鉆、應急操作等不同狀況的負荷作用下分析計算得出，最大負荷通常存在于重載鉆進工序當中，例如海床表層或巖層較為堅固的區(qū)域，此時，發(fā)電機應根據(jù)鉆進需求進行系統(tǒng)設計和配置，要求容量可滿足應急狀態(tài)下所有與鉆井作業(yè)相關的電氣設備在全部滿負荷條件下的最大功率要求，同時，應急發(fā)電裝置可通過應急電源設備，向主電源實行反向供電，滿足在主電源故障時平臺的電力需求。平臺采用的480 V以及600 V三相三線中性點的絕緣系統(tǒng)實質上是作為主要配電系統(tǒng)存在，且三相三線中性點絕緣系統(tǒng)是目前我國海洋鉆井平臺所廣泛使用的電制，可滿足在海洋惡劣環(huán)境下的作業(yè)需求。

3.2 平臺照明系統(tǒng)設計

照明系統(tǒng)作為鉆井平臺的基本電氣系統(tǒng)，可采用230 V標準電壓作為電力設備的電源等級，在對照明系統(tǒng)進行設計時，需以海工項目所參考的美國API標準進行，應急電源回路設計需根據(jù)船級社出臺的應急電源設計標準進行。照明設備選型需滿足船級社標準，任何自帶蓄電池的照明設備設計均需要考慮到平臺作業(yè)的危險性，并滿足安全逃生和設備操作區(qū)域的照明需求。此外，置于室外的照明燈具需采用防爆類型，航行燈、信號燈、障礙提示燈等國際避碰組織要求安裝的燈具，在設計時需考慮到平臺拖航以及工作狀態(tài)下與過往船只發(fā)生碰撞的可能，在規(guī)劃時應盡量設計得醒目且分散開來。

3.3 平臺升降系統(tǒng)設計

JU平臺升降系統(tǒng)通常以多組電極同時驅動齒輪的方案，在每個樁腿上設計4個弦管，每個弦管上設計5臺電極，共需要60臺電機，保證3個樁腿能同步升降，在平臺正常運行時，升降速度需以0.4～0.6 m/min為設計標準，一旦上升到指定位置后需立即鎖緊，可通過電機自身原理實現(xiàn)這一操作步驟，當升降系統(tǒng)電機斷電時全部電機鎖死，即可實現(xiàn)平臺升降系統(tǒng)自動鎖緊、保持穩(wěn)固的功能。

3.4 鉆井設備VFD驅動系統(tǒng)設計

在自升式鉆井平臺中，大容量設備是核心設備，當鉆井作業(yè)要求其電機速度處于可調范圍時，常規(guī)工頻電機此時無法滿足需求，因此需要使用變頻驅動系統(tǒng)，JU平臺的VFD驅動系統(tǒng)則可滿足需求，實現(xiàn)變頻驅動，具體模塊包括蒸餾模塊、直流母排、逆變模塊?？赏ㄟ^行車和天車系統(tǒng)對鉆井絞車進行控制，實現(xiàn)頂驅鉆井作業(yè)，當轉矩處于運行的反方向時，所產(chǎn)生的電能可通過電纜反饋至VFD直流母排，直流母排上連接的制動電阻則可消耗能量，保證電氣設備作業(yè)安全。

4 結語

無論是何種鉆井平臺設備，均要對電氣系統(tǒng)進行設計研究，厘清設計思路，并對如何配置設備進行分析，總結設計經(jīng)驗，讓可靠的電氣系統(tǒng)為平臺的正常作業(yè)提供保障。

參考文獻

[1] 黃赟，張筠如.自升式鉆井平臺的電氣系統(tǒng)設計[J].船舶工程，2013（S2）：191-193.

[2] 向光宇.自升式鉆井平臺的電氣系統(tǒng)設計[J].四川水泥， 2016（4）：93.