自升式钻井平台电气系统设计研究

马德伟

摘 要：在海洋油气勘探和开发过程中，自升式钻进平台作为关键设施，在整个资源开采过程中占有重要地位，其中电气系统设计是平台自身的重要内容，可保证平台在恶劣的海洋环境下仍能进行安全作业。以下将从自升式钻井平台的主要概述出发，逐步探讨电气系统设计与应用，以期能为海洋勘探从业人员提供借鉴。

关键词：自升式钻进平台 电气系统设计 研究

中图分类号：U661.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（c）-0027-02

在钻井平台结构当中，电气系统作为重要部分，起到了关键作用，电气系统设计的优劣对钻井平台自身功能有直接影响，以下将从平台结构分析入手，逐项研究电气系统设计。

1 自升式钻井平台结构特点和主要功能模块分析

自升式钻进平台常见尺寸包括300英尺、350英尺以及400英尺3种，覆盖深度在110 m左右以内的海域，钻井深度通常约为9 000 m以上，目前世界主流自升式钻井平台包括美国Le Tourneau公司设计制造的Super系列平台、新加坡Kfels公司设计的KFELS系列以及我国自主研发设计的JU系列等。从总体架构来看，自升式钻井平台属于一种海上钢结构体，如图1所示。主体可分为桩腿、平台、钻井装置3部分，长宽处于60～80 m的范围，型深在7～10 m的水平内，通常为3条桩腿带桩靴，桩腿长度通常为130～170 m，钻井装置通常位于平台尾部的钻台中，以井架为依托实现海上钻井作业。

从平台功能来看，可分为作业、船体以及生活模块。船体是其他模块的载体，可被拖航在海上，可实现水上浮态或升出水面后的压载，保证平台稳定，并为其他模块提供动力；作业模块包括升降平台、钻台滑移以及第三方固井设备等等；生活模块则为平台工作人员提供食宿条件，在其首部还建有直升机平台，便于日常往来和紧急疏散。

2 自升式钻井平台电气系统设计特点

自升式钻井平台一直以来均以低压电制为主，从实际平台调研以及制造厂家的反馈信息来分析，低压电制所采用的电缆数量极为庞大，且给电气系统设计以及敷设带来较大的难度，从技术层面而言，中压电制比较适用。自升式钻井平台所采用的电气设备外形、尺寸、重量控制，关系到整个电气系统的安装和正常使用。因此在电气系统设计之初对设备进行选型时，要优先选择尺寸小、重量轻的设备。

与钻井相关的测井、固井、完井均属于专业过程，通常由第三方提供设备并在工程后期完成作业，因此在对钻井平台电气系统进行设计时，需对其进行充分了解，并提供供电和信号接口，其他电气线缆也是自升式钻井平台电气设计的一大特点，例如耐泥浆电缆、电缆拖链等应用，需结合海洋环境以及平台作业方式进行设计，提高其实用性能。

3 自升式钻井平台电气系统设计与应用

3.1 电站和电力系统

自升式钻井平台电站通常由5台主用发电机以及1台应急或兼停泊之用的发电机组成，具备自动电站的基本功能。以我国常见的JU系列自升式钻井平台为例，以电力符合分析结果为依据，每台主用发电机功率约在1 545 kW左右，而应急发电机功率约在1 300 kW。由于海洋钻井电力系统通常直接设计为低压电制的三相三线对地绝缘系统，因此电气系统主要有平台总用、升降和滑移、钻井所需电力系统三个部分构成，如图2所示。

钻井平台电站容量可根据主要负载率和负载指数，在拖航、升降、起钻和下钻、应急操作等不同状况的负荷作用下分析计算得出，最大负荷通常存在于重载钻进工序当中，例如海床表层或岩层较为坚固的区域，此时，发电机应根据钻进需求进行系统设计和配置，要求容量可满足应急状态下所有与钻井作业相关的电气设备在全部满负荷条件下的最大功率要求，同时，应急发电装置可通过应急电源设备，向主电源实行反向供电，满足在主电源故障时平台的电力需求。平台采用的480 V以及600 V三相三线中性点的绝缘系统实质上是作为主要配电系统存在，且三相三线中性点绝缘系统是目前我国海洋钻井平台所广泛使用的电制，可满足在海洋恶劣环境下的作业需求。

3.2 平台照明系统设计

照明系统作为钻井平台的基本电气系统，可采用230 V标准电压作为电力设备的电源等级，在对照明系统进行设计时，需以海工项目所参考的美国API标准进行，应急电源回路设计需根据船级社出台的应急电源设计标准进行。照明设备选型需满足船级社标准，任何自带蓄电池的照明设备设计均需要考虑到平台作业的危险性，并满足安全逃生和设备操作区域的照明需求。此外，置于室外的照明灯具需采用防爆类型，航行灯、信号灯、障碍提示灯等国际避碰组织要求安装的灯具，在设计时需考虑到平台拖航以及工作状态下与过往船只发生碰撞的可能，在规划时应尽量设计得醒目且分散开来。

3.3 平台升降系统设计

JU平台升降系统通常以多组电极同时驱动齿轮的方案，在每个桩腿上设计4个弦管，每个弦管上设计5台电极，共需要60台电机，保证3个桩腿能同步升降，在平台正常运行时，升降速度需以0.4～0.6 m/min为设计标准，一旦上升到指定位置后需立即锁紧，可通过电机自身原理实现这一操作步骤，当升降系统电机断电时全部电机锁死，即可实现平台升降系统自动锁紧、保持稳固的功能。

3.4 钻井设备VFD驱动系统设计

在自升式钻井平台中，大容量设备是核心设备，当钻井作业要求其电机速度处于可调范围时，常规工频电机此时无法满足需求，因此需要使用变频驱动系统，JU平台的VFD驱动系统则可满足需求，实现变频驱动，具体模块包括蒸馏模块、直流母排、逆变模块。可通过行车和天车系统对钻井绞车进行控制，实现顶驱钻井作业，当转矩处于运行的反方向时，所产生的电能可通过电缆反馈至VFD直流母排，直流母排上连接的制动电阻则可消耗能量，保证电气设备作业安全。

4 结语

无论是何种钻井平台设备，均要对电气系统进行设计研究，厘清设计思路，并对如何配置设备进行分析，总结设计经验，让可靠的电气系统为平台的正常作业提供保障。

参考文献

[1] 黄赟，张筠如.自升式钻井平台的电气系统设计[J].船舶工程，2013（S2）：191-193.

[2] 向光宇.自升式钻井平台的电气系统设计[J].四川水泥， 2016（4）：93.