共用DSM的模块钻机总体与结构设计浅析

李彦丽，穆 顷，杨肖龙，祖 巍

(中海油能源发展装备技术有限公司 天津300452)

共用DSM的模块钻机总体与结构设计浅析

李彦丽，穆 顷，杨肖龙，祖 巍

(中海油能源发展装备技术有限公司 天津300452)

锦州25-1南Ⅱ期WHPE模块钻机是中国海洋石油的第1台两平台共用钻井支持模块(DSM)的模块钻机。介绍了该模块钻机的工程项目概况，与常规模块钻机比较，共享DSM的模块钻机有不同于常规钻机的设计特点。从模块钻机总体设计方案和结构设计两个方面分析，详细介绍了总体设计方案和设计特点，探究其结构形式和优化设计，采用SACS有限元分析软件对模块钻机结构进行强度分析，结果表明，结构强度满足规范要求。通过重量控制，该模块钻机结构钢材利用率更高。为海洋模块钻机的总体、结构设计提供参考。

模块钻机 共用DSM 结构设计 总体设计

1 项目概述

锦州25-1南油气田位于渤海辽东湾海域，油气田范围内平均水深24.0～26.4m。锦州25-1南油气田Ⅰ期工程已于2009年建成投产，Ⅱ期开发新建3个井口平台(WHPC、WHPD、WHPE)和1座中心处理平台(CEPF)，WHPE平台与已建WHPA平台之间以栈桥连接，油气田开发示意图见图1。新建WHPE井口平台上设有1套7000m模块钻机，模块钻机的主要参数见表1，可实现以下功能：①横向和纵向移动，覆盖所有井槽；②进行初期及后期预留井槽钻完井作业(需WHPA平台原模块钻机DSM模块设备配合)；③后期生产井的大修和各种小修作业；④实施增产措施作业等。

图1 锦州25-1S油气田开发示意图Fig.1 Develop diagram of JZ25-1S phase II oil field

表1 WHPE模块钻机主要参数Tab.1 Main parameters of WHPE MDR

2 模块钻机特点

锦州25-1南Ⅱ期WHPE模块钻机与传统模块钻机相比，在设备配置、总体布置、界面接口、钻机结构等方面都有很大区别：①与已建WHPA平台共用DSM模块进行钻完井作业，充分利用老平台已有设备配置，形成新老平台一体化格局；②减少动力模块、泥浆泵模块、灰罐模块等多套系统设备配置，降低了变压器等电气设备的容量；③WHPA平台DSM模块的多个系统管线及电缆通过栈桥接入WHPE平台，管缆排布及界面接口等更加复杂；④对WHPA平台DSM模块进行改造，增加修井用泥浆泵并对泥浆罐进行改造，WHPE、WHPA平台实现一个平台钻井的同时另一平台可独立进行修井作业。⑤钻井作业时，WHPE平台仪表系统科采集WHPA平台泥浆信号，两平台的司钻系统可进行通讯，对共用设备进行控制。⑥火气系统信号可同时在两个平台显示，系统安全性增加。⑦钻机结构形式优化为井架式修井机，结构利用率更高。

3 总体技术方案

常规模块钻机主要由3部分组成：钻井设备模块(DES)，钻井支持模块(DSM)和散料储存模块(P-TANK模块)。[1-2]WHPE模块钻机通过共用DSM模块，设备配置优化并进行总体布置调整，主要由钻井设备模块(DES)、泥浆处理模块、配套设施模块3个部分组成，总体布置如图2所示。

图2 WHPE模块钻机总体布置Fig.2 General plan of WHPE MDR

WHPE模块钻机较常规同级别模块钻机减少了泥浆系统、压缩空气及吹灰系统、散料系统等多个系统的设备配置，降低了变压器等电气设备的容量，详细对比情况见表2。

表2 与常规钻机的设备配置对比表Tab.2 Comparison of device configuration with normal MDR

3.1 设备布置情况

钻井设备模块由钻台和下底座组成，整体可以在下滑轨上做南北方向移动，钻台可以在下底座的上滑轨上做东西方向移动，实现模块钻机对所有井口的钻井、修井作业。钻机滑移由可锁紧的液压装置推动来实现，共设置两套滑移装置。钻井设备模块下底座层主要包括BOP储能器、综合液压站、东西拖链、仪表气罐等；钻台主要设备[3]包括井架系统、司钻房、绞车、绞车盘刹液压站、转盘、气动绞车、液压猫头、高压泥浆立管管汇、节流和压井管汇、水泥管汇、泥气分离器等。

泥浆处理模块位于钻井设备模块的东侧，下层主要包括一台800HP高压泥浆泵、3个泥浆储存罐(约100m3)、除泥泵、除砂泵、混合泵等；中间层主要设备有3台振动筛、离心机、真空除气器；顶层布置管子堆场。

配套设施模块在钻井设备模块的西侧，位于组块顶层甲板上，主要包括变压器间、主配电间、机修间、顶驱电控房、值班室、南北向拖链。

3.2 与常规模块钻机不同点

总体布置从可操作性、安全性、避免干涉等方面重新进行设计，比较常规同级别模块钻机，其主要不同点包括：①固控系统设备，如振动筛、离心机、真空除气器等由常规布置在DES模块下底座下层甲板移到泥浆处理模块的泥浆罐顶 部[4]；②由于钻井作业时，高压泥浆、固井水泥等由WHPA平台DSM模块供应，不再配备灰罐撬，也不配备常规布置于DSM模块中间层甲板的散料间及叉车；③变压器间、主配电间、机修间由常规布置于钻井支持模块的中层甲板移到组块顶层甲板，顶驱电控房由常规布置于钻台面移到组块顶层甲板。

4 结构设计

由于共用钻井支持模块，WHPE模块钻机设备布置减少，部分设备配置降低，所需甲板布置面积大幅减少，经优化设计，模块钻机结构较常规形式更加紧凑。

4.1 DES模块

DES模块主要由井架、钻台和下移动底座组成。DES模块钻台面由于顶驱电控间、钻台电控间等设备布置在组块顶层甲板，甲板长度减少4.6m，较常规钻机减少了两层结构甲板，下底座设计为门式框架结构，DES模块结构优化为井架式修井机形式，见图3。井架为自升式套装井架，井架大腿间距为9.144 m×9.144 m，钻台面设置4个基座在下底座滑道梁上。

图3 DES模块Fig.3 DES Module

DES模块承受的主要荷载包括转盘/大钩载、立根重量以及绞车等钻台面设备重量，DES设计荷载对比见表3。可以发现，大钩/转盘荷载、立根荷载与常规钻机相同，设备荷载也是仅差10t左右，因此DES模块的主结构型材选择并没有太大优化空间，结构型材优化工作重点对象是结构次梁、小梁，见表4。

表3 DES模块设计荷载对比表Tab.3 Design load comparison between DES with regular DES

表4 DES模块结构型材对比表Tab.4 Structure section comparison between DES with regular DES

应用SACS软件对DES模块建立模型，针对5个不同井位分别计算静力分析、地震分析，对安装工况进行拖拉装船分析、拖航分析和海上吊装分析。分析模型见图4，主要校核结果见表5。

表5 DES模块主要结构校核结果Tab.5 Structure checking results of DES

4.2 泥浆处理模块

泥浆处理模块结构为两层半框架结构，由6个基座固定于平台顶层甲板上(见图5)，顶层与底层甲板高程间距为7.0m，为满足钻杆堆场容量要求及布置走道、测井设备平台等，顶层甲板外悬3.75m。设计荷载对比见表6，结构型材选择优化情况见表7。

应用SACS软件对泥浆处理模块建立模型，进行在位静力分析、地震分析、拖拉装船分析、拖航分析和吊装分析，计算模型如图6所示，校核结果见表8。

表6 泥浆处理模块设计荷载对比表Tab.6 Design load comparison with regular DSM

表7 泥浆处理模块结构型材对比表Tab.7 Structure sections comparison with regular DES

表8 泥浆处理模块主要结构校核结果Tab.8 Structure checking results of mud module

图4 DES模块在位分析模型Fig.4 In-place analysis model of DES

图5 泥浆处理模块Fig.5 Mud Module

图6 泥浆处理模块在位分析模型Fig.6 In-place analysis model of mud module

4.3 重量控制

模块钻机重量直接影响上部组块以及导管架的承载力设计，模块钻机的重量控制是设计工作的重要内容。在WHPE模块钻机设计过程中，针对钻机设备配置优化情况合理优化结构设计，严格控制重量荷载，与常规钻机重量控制对比见表9。由表中数据可以看出，结构重量较常规钻机减轻约470t，结构重量占钻机总干重的比例与常规钻机相比下降，结构钢材材料利用率比常规钻机高，结构布置更合理。

表9 重量控制对比表Tab.9 Weight control comparison

5 结 语

共用DSM模块的模块钻机较常规模块钻机减少多个系统设备配置，节省大量钢材用量，钻机的经济性提高。随着海洋石油勘探开发步伐的加快，无论从资源重复利用性还是经济性方面考虑，共用DSM模块都为海洋模块钻机设计提供了新的设计思路，为模块钻机的设计研发积累了设计经验。

［1］ 陈如恒. 钻机的模块化设计[J]. 石油矿场机械，2004，33(4)：1-8.

［2］ 穆顷. 浅析浮吊资源对模块钻机设计方案的影响[J].天津科技，2012(5)：16-18.

［3］ 王长军. 崖城PFA小撬块组合式模块钻机总体方案设计[J]. 石油矿场机械，2011，40(1)：60-62.

［4］ 刘春雨. 轻型可搬迁模块钻机总体布局研究[J]. 船舶，2010(5)：44-46.

General Plan and Structure Design of Modular Drilling Rig Sharing DSM

LI Yanli，MU Qing，YANG Xiaolong，ZU Wei
(CNOOC Ener-Tech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China)

JZ25-1S II MDR(modular drilling rig)is CNOOC’s first MDR sharing Drilling Support Module(DSM)．The paper introduces engineering situation of the MDR．Design characteristics of MDR sharing DSM were summed up．General plan was described and structure design was studied．The software SACS was applied to the structure analysis and the results indicated that the structure design meet the requirements by the code．The steel utilization rate was improved through design optimization and weight control．The paper might be taken as reference in MDR general and structure design.

modular drilling rig；DSM sharing；structure design；general plan

TE53

：A

：1006-8945(2015)12-0024-03

2015-11-10