自升式钻井平台海水系统优化设计

王兆强，高金军

（上海外高桥造船海洋工程设计有限公司，上海 200137）

0 引 言

在能源需求与日俱增的今天，海洋油气资源的开发日益引人注目。海洋油气资源的钻探、开发及生产专用装备已成为能源开发中的关键装备，需求量也呈大幅度上升。在用于海洋石油开发的各种海洋平台及其他海洋构筑物中，自升式平台较适合于浅海区域，具有耗用钢材少、造价低、水上完井、在多种海况下几乎都能持续作业和效率高等优点。它在国内外海洋勘探和开发中，特别是在近海海洋石油开发中发挥了巨大的作用，成为目前应用最为广泛的移动式钻井设施[1]。自建造于 1950年的第一座自升式钻井平台“DeLong 1”号起，经历半个多世纪的发展，自升式钻井平台在工作水深、抗风暴能力、可变载荷、钻井能力和操作性能等方面取得了巨大进步[2,3]。

JU2000E型自升式钻井平台相对于传统的船舶来讲，海水管路系统繁复，设备布置分散且空间狭小，各设备对海水的需求量差异较大，且工况复杂，船舶设计中常用的算法已很难满足海工产品的设计需求。运用计算机软件模拟管网流体的工况，优化管网设计已成为海工产品设计的重要途径。

1 自升式钻井平台海水系统

海水系统是自升式平台上一切海水用户的水源，针对不同工况，海水系统的水源也不同。当平台处于漂浮状态时，海水系统从左右海底门吸水，供舱底扫舱、消防、钻井水系统等用水；当平台进行预压载时，海水由预压载潜水泵供给；当平台处于升起状态时，由 3台海水深潜泵供水，每台深潜泵额定排量为500m³/h，压头为60m。

海水环管的供水用户：泥浆池、舱底扫舱系统、消防水系统、水喷淋系统、钻井水系统、冷藏机组、泥浆泵用户、造水机、低压泥浆混合处理系统、冷水机组、中央冷却器、库管员柜机、电气设备间柜机、钻井刹车电阻、悬臂梁和钻台用户等。

悬臂梁和钻台用户的海水由海水环管经一6英寸软管供给，悬臂梁上的海水用户主要有：振动筛排砂槽冲洗、固井装置、冲洗离心机排渣管、泥浆处理室、冲洗泥浆返回槽、刮泥器排海槽冲洗等，另外悬臂梁上套管张力器液压动力单元是从悬臂梁增压泵后取水；钻台上的钻井绞车刹车冷却单元海水用户的供水是通过悬臂梁增压泵增压后经一4英寸软管供给。

海水系统的用户繁多，分布广泛，高度差距大，流量分配复杂。由于在漂浮和预压载工况时悬臂梁和钻台等高处的海水用户不需供给海水，系统设计时主要考虑在平台升起后各工况下海水系统的工作能力。根据生产设计放样，验证海水系统的初期设计，提出优化改进方案。

2 建 模

AFT Fathom 8.0可以模拟不可压缩管网系统、开式和闭式系统、压力变化、传热和能量平衡系统等。采用AFT Fathom 8.0对不同工况下海水管网中海水分配情况进行仿真。首先对整个海水系统建模，AFT模型中各设备、管路、阀附件等的位置数据、材料参数、管系附件尺寸等均来自自升式钻井平台的Tribon模型，AFT模型中包括了管路阻力参数、弯头阀附件等的局部阻力参数等。模型中各泵的曲线、海水用户设备阻力等参数取生产厂提供的资料。整个海水系统建模布局见图1。

图1 海水系统AFT模型布局

3 初期设计计算分析

根据平台的工作需求，在初期设计时对平台的工况分类见表1。

表1 初期设计方案时工况分类

按照初期设计方案，对海水系统进行建模，模型运行后发现钻井刹车电阻、冷水机组、中央冷却器等海水用户的海水流量严重超出额定流量，深潜泵工况严重偏离额定工况点，进而造成悬臂梁等高处的海水用户压力和流量不足。为了使各海水用户的海水流量能接近额定流量，特在模型中悬臂梁以下主要海水用户前增加流量控制阀，各流量控制阀的流量设定值按照设备额定工况下流量进行设定，各值如下：

中央冷却器（通道1）：240m3/h；中央冷却器（通道2）：140m3/h；冷水机组（2台）：360m3/h；钻井刹车电阻（1&2）：60m3/h；钻井刹车电阻（3&4）：60m3/h；造水机：120m3/h；

增加流量控制阀后运行模型得到各工况下悬臂梁软管接头处的绝对压力见表2。

表2 各工况下悬臂梁软管接头的绝对压力 单位：MPa

初期设计方案计算结果分析：

1) 由于钻台绞车刹车高度约33m，而悬臂梁软管接头处的高度约16m，所以由“各工况下悬臂梁软管接头的绝对压力”可知在各工况下都需要启动悬臂梁增压泵；

2) 在19.81m气隙时钻表层井工况和固井工况，海水系统能满足各海水用户的水量需求；

3) 在33.5m气隙时钻表层井工况，海水系统基本能满足各海水用户的水量需求，但海水无法到达“刮泥器排海槽冲洗GUMBO”处，需要将“刮泥器排海槽冲洗GUMBO”接至悬臂梁增压泵后；

4) 在19.81m气隙时钻井工况二，海水无法到达“冲洗高速离心机排渣管杂用”、“冲洗中速离心机排渣管杂用”、“振动筛排砂槽冲洗”和“刮泥器排海槽冲洗GUMBO”；且中央冷却器海水流量不足；

5) 在 33.5m气隙时钻井工况三，海水无法到达“冲洗高速离心机排渣管杂用”、“冲洗中速离心机排渣管杂用”、“振动筛排砂槽冲洗”和“刮泥器排海槽冲洗 GUMBO”；且中央冷却器、冷水机组、冷藏机组、造水机等海水流量不足；

6) 在 19.81m气隙时钻井工况七，海水无法到达“刮泥器排海槽冲洗 GUMBO”；且“冲洗高速离心机排渣管杂用”、“冲洗中速离心机排渣管杂用”、“振动筛排砂槽冲洗”海水流量不足；

7) 在 33.5m气隙时钻井工况八，海水无法到达“冲洗高速离心机排渣管杂用”、“冲洗中速离心机排渣管杂用”、“振动筛排砂槽冲洗”和“刮泥器排海槽冲洗 GUMBO”；且中央冷却器、冷水机组、冷藏机组、造水机等海水流量不足。

4 系统优化后的仿真计算

由初步设计方案计算结果可知海水系统还需进行优化设计，故将“刮泥器排海槽冲洗GUMBO”接至悬臂梁增压泵后，冷水机组流量按照138m3/h进行计算。系统优化后的工况分类见表3。

表3 系统优化设计后的工况分类

由于在初期设计方案计算时，为了控制海水用户的海水流量在模型中使用流量控制阀对模型进行理想化处理，但实际系统中不安装流量控制阀，而采用节流孔板，所以需要计算出各海水用户处节流孔板的孔径。

通过计算和选型得出各节流孔板的孔径见表4。

表4 海水用户各节流孔板的孔径 单位：mm

对海水系统优化后的方案进行建模，并用节流孔板替换模型中的流量控制阀，运行优化后的系统模型，计算结果见表5。

表5 海水系统优化后各海水用户在各工况下的海水流量 单位：m3/h

由运算结果可知，海水系统优化后的设计方案能满足各工况下海水用户的需求（气隙33.5m时试油应开3台深潜泵），海水系统流量分配合理。

5 结 语

海水系统作为自升式钻井平台的最大且最重要的系统之一，管网结构复杂，设备种类多，流量需求差异大，工况种类多，采用专业的计算机软件对管网进行流体分析是系统优化的最好方法之一。软件模拟分析可以在前期就对系统进行精确的计算分析，找出设计的不足之处，对设计方案进行优化，并可对优化后的设计方案进行验证，减少了后期的修改，降低系统的建造成本。计算软件可以模拟不同工况下设备、管线的运作情况，可以在方案设计、设备的精确选型、增强系统稳定性等方面带来较好的经济效益，同时能够提高设计效率、缩短调试周期、节约工程成本。

[1] 马志良，罗德涛. 近海移动式平台[M]. 北京：海洋出版社，1993.

[2] 陈 宏，李春祥. 自升式钻井平台的发展综述[J]. 中国海洋平台，2007,22（6）：1～6.

[3] 张用德，袁学强. 我国海洋钻井平台发展现状与趋势[J]. 石油矿场机械，2008,37（9）：14～17.