崖城PFA模块钻机设计与创新

王长军 郝云 罗立臣 王宁

崖城PFA模块钻机设计与创新

王长军 郝云 罗立臣 王宁

（中海油能源发展股份有限公司油建设计研发中心 天津 300452）

模块钻机；小橇块；组合式

崖城PFA模块钻机是国内第一台通过平台吊机完成海上安装工作的模块钻机。它是一种新型的海洋模块钻机型式，具有安装、拆卸灵活，搬迁方便，海上安装运输不依赖大型驳船、浮吊设备等特点。通过对崖城PFA模块钻机关键技术的研究，解决了设计过程中遇到的难点，为后续的小橇块组合式模块钻机设计积累了设计经验。

0 引言

模块钻机是海洋平台常用的一种钻井型式，它通常由几个上千吨重的模块组成，需要依靠大型船舶和浮吊进行海上安装，并且搬迁困难。本文介绍了一种新型的小橇块组合式模块钻机，能克服上述条件的限制，依靠平台吊机实现海上的安装、拆卸，具有非常好的市场应用前景。

1 项目背景

崖城13-1气田位于南海莺歌海海域内，气田所处水深约90m。该气田承担着为香港保质保量供气的任务。香港中华电力公司是崖城13-1气田的最大用户，在香港政府减少燃煤电站排放、保护环境的政策压力下，香港中华电力公司在2007年初向中海石油（中国）有限公司崖城作业公司（简称YOC）提出崖城13-1气田向其下游电厂增加供气量，即所谓的加速提气［1］。至2007年底，香港中华电力公司与YOC已原则上达成了加速提气的协议。该加速提气协议规定，YOC需利用崖城13-1AWA平台上闲置井槽新钻4口生产井，其中一口井为现有生产井的侧钻。

由于项目的设计与建造工期十分紧张，而且又无法落实大型海上施工船舶，为保证项目的顺利进行，经过充分的技术研究，YOC决定建造一座不需动用大型浮吊资源，采用平台吊机即可完成安装的新型小橇块组合式模块钻机进行钻井作业。

2 总体技术方案

崖城PFA模块钻机设计以安装、拆卸灵活，使用平台吊机即可完成安装工作为根本出发点，在满足钻完井工艺要求以及现场安全操作要求的情况下，尽可能缩小橇块的尺寸和重量。

原平台吊机吊重能力为15 t×25m，为满足海上安装的要求，需要新增两台吊重能力为45 t×10 m的平台吊机。

图1 崖城PFA模块钻机总体布置

2.1 总体布置方案

崖城PFA小橇块组合式模块钻机主要由钻井设备模块（DES）、钻井支持模块（DSM）、灰罐模块、动力模块（PM）和新增吊机五大部分组成，共由115个结构和设备橇块组成。其中钻井设备模块由44个结构和设备橇块组成，钻井支持模块由24个结构和设备橇块组成，灰罐模块由4个结构和设备橇块组成，动力模块由23个结构和设备橇块组成，新增吊机由20个结构和设备橇块组成。崖城PFA模块钻机总体布置如图1。

2.2 橇块划分原则

橇块划分总的原则是在综合考虑钻完井工艺流程的要求和吊装设备能力的前提下，尽可能减少橇块数量和重量，保持橇块功能的独立性，以便尽可能减少海上安装连接和调试的工作量［2-4］。

崖城PFA模块钻机除按上述原则进行设计外，还充分考虑了以下几个方面：

（1）由于受到原有平台结构的承载能力和面积限制，以及新增两台吊机安装的需要，各个模块充分考虑了基座的设计，以减少对原有平台结构的改动；

（2）各种罐体成为结构的一部分，既承载其他结构受力功能，又能满足各种介质的储存功能；

（3）在保证工艺流程的前提下，充分利用结构框架内部空间合理的进行设备摆放。

3 关键技术设计及创新

3.1 电缆连接器的应用

传统的模块钻机一般由几个大模块组成，它们之间的电缆均采用电缆直接连接或者通过接线箱连接，这种电缆连接方式适合大模块之间的电缆连接，但并不适合崖城PFA模块钻机。崖城PFA模块钻机由上百个小橇块组成的，特别是从动力模块到钻井设备模块的动力电缆均要通过拖链，而拖链不能整体吊装，如果将这些动力电缆整条在海上安装，则穿插拖链的工作量和难度非常大，会大大增加海上安装调试时间。

为了减少海上安装调试的工作量，实现在海上的快速连接，我们在海洋平台首次采用了电缆连接器，实现了动力电缆海上的快速安装。电缆连接器现场照片如图2。

图2 电缆连接器现场照片

3.2 管线布置及连接设计

崖城PFA模块钻机由上百个小橇块组成，这对于管线的布置以及橇块之间的管线连接是一个很大的挑战。本次设计大胆创新，充分运用了膨胀节、由壬、软管以及活动支架等设计。

3.2.1 管线布置及模块间管线连接原则

（1）需要根据小橇块的结构特点和吊装要求进行合理的管线布置，应能够实现小橇块之间的拆分与组装，并充分考虑拆分、组装等施工过程造成的橇块间的相对位移（变形）与吊装过程中的碰撞对管线的影响，避免出现管线连接困难、碰撞损坏等情况，并应考虑管线布置对设备吊装、安装的影响，减少因设备安装、拆卸等工作造成的管线修改；

（2）管线优先成排布置于小橇块内，最大程度减少橇块外管线，同时在橇块分界处增加拆卸法兰（或由壬），减少拆装橇块时管线的拆装工作量，尽可能提高将来橇块在海上安装时的管线回接速度；

（3）对无法避免的橇块外管线最大程度靠近橇块布置，达到与橇块一起吊装的目的。橇块下部管支架采用活动支架，橇块与橇块连接处要保证拆卸后管端在橇内，避免将来各个橇块组对就位时可能的相互碰撞。

3.2.2 膨胀节的广泛应用

由于钻机陆地完工后，橇块需要拆卸并运输到海上平台重新组装，因此不可避免会存在安装误差。管线在橇块连接处难以保证法兰的紧密安装，故在橇块过渡处大规模采用了膨胀节。

（1）实现管线的软连接，保证橇块组装时的拆装误差；

（2）采用膨胀节满足了橇块间管线的可拆卸性，并且保证了法兰面缩在模块边界内，避免了橇块再安装时碰撞；

（3）减少管线应力及震动。钻机泥浆管线管径较大、管线较长、相应管线应力较大，采用膨胀节及其他软连接很好的解决了管线应力问题。

3.3 结构设计

3.3.1 框架式吊机底座设计

由于本项目需要在老平台上增加吊机，进行各个橇块的安装，因此吊机临时位置采用两条2 m高的组合梁作为支撑，而永久位置更是采用了两条高2.2 m的组合梁作为支撑。吊机的上下底座采用框架式底座设计，能有效提高底座的强度以及刚度，最大限度解决吊机底座在较大集中载荷作用下的强度和吊机顶部的水平位移问题。同时，使用组合梁以达到合理用料、减轻重量的目的，并能让吊机司机得以平稳地操作。框架式吊机底座模型如图3所示。

图3 框架式吊机底座模型

3.3.2 橇块间连接设计

崖城PFA模块钻机各个橇块之间的连接形式主要采用销轴连接和螺栓连接。连接形式充分考虑了各个橇块之间可能发生的力的传递，避免使销轴受到平面外侧向力，使其能够较好的发挥限位作用。连接点的选择也考虑了各个小橇块的功能性，以及可能发生的相对变形，尽量对称布置，减少由于不同橇块之间的不协调变形造成插销困难。具体的连接形式如图4、5所示。

图4 销轴连接形式1

由于销轴耳板的板厚较大，而主梁的截面尺寸较小。当连接板焊接到主梁时，通常采用全融透的焊接形式。因焊接时的温度过高，当主梁的腹板较薄时，主梁的局部区域会产生变形，这就影响了结构梁的强度。针对上述节点，对主梁的局部进行补强，使其厚度与销轴耳板匹配，并将焊接热影响的负作用降到最低。

4 结语

图5 销轴连接形式2

崖城PFA模块钻机是国内第一次自主进行小橇块组合式模块钻机的设计，它采用了许多新的技术，进行了许多创新，使这种模块钻机具有安装、拆卸灵活，搬迁方便，海上安装运输不依赖大型驳船、浮吊设备等特点。随着海洋石油勘探开发步伐的日益加快，尤其是随着边际油田的开发步伐的加快，移动式钻井平台资源显得日益缺乏，无论从资源可利用性还是经济性方面考虑，小橇块组合式模块钻机将是海上平台钻井作业很好的选择。

［1］袁纬，张宇，张尚文等.崖城13-1井口平台隔水套管修补方法与应用［J］.石油机械，2009，38（7）：84-88.

［2］冯定，唐海雄，周魁等.模块钻机的现状及发展趋势［J］.石油机械，2008，36（9）：144-145.

［3］冯定，杨志远，周魁.轻型可搬迁海洋钻修机模块划分方案研究［J］.石油矿场机械，2010，39（2）：46-47.

［4］陈如恒.钻机的模块化设计［J］.石油矿场机械，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

王长军（1977-），男，汉族，工程师，主要从事海洋石油工程设计工作。