南海7 000 m固定平台模块钻机结构设计概要

杨肖龙，穆　顷，李彦丽，祖　巍，安振武

(中海油能源发展装备技术有限公司 工程设计研发中心，天津 300452)



南海7 000 m固定平台模块钻机结构设计概要

杨肖龙，穆顷，李彦丽，祖巍，安振武

(中海油能源发展装备技术有限公司 工程设计研发中心，天津 300452)

随着我国南海海域油气资源的大力开发，固定平台模块钻机的应用越来越广。由于建造及安装方式的特殊性，其模块化程度越来越高。作为模块钻机各个系统的支撑体系，在控制质量的前提下，钻机结构不仅要满足在位工况强度要求，还要满足安装工况强度要求。从南海海域近几年的固定平台模块钻机设计的经验出发，对模块钻机结构设计进行了系统的总结，对结构设计中比较关注的质量控制、安装设计等问题进行了对比分析，为模块钻机的结构设计提供参考。

模块钻机；结构设计；质量控制；安装设计

海洋固定平台模块钻机是海洋钻井平台的重要组成部分，我国海上固定平台模块钻机使用已经有20 a，目前在南海、渤海、东海有多个模块钻机投入使用。为了降低钻井作业成本，在井数达到一定数量之后，通常采用模块钻机进行钻井作业[1]。海上和陆上的石油天然气钻井工艺基本相似，所不同的是陆上钻井设备不受场地限制，布置相对分散，但海上钻井设备必须集中布置在面积有限的海上平台上，自然条件十分恶劣，操作工况也十分复杂。这些客观条件增加了对海洋平台模块钻机结构设计的要求，钻机的结构布置不仅要能满足模块钻机整个系统工作的安全要求，还要保证各项功能协调有序的运行。

此外，海洋钻井远离陆地，建造和安装资源匮乏。这些特点决定了海洋石油钻井设备除了必须满足设计功能的要求外，其模块化和集成化的程度越来越高，集成化设计大幅缩短了钻井设备的安装以及搬迁周期[2]。结构设计不仅要满足模块钻机在位工作时的强度要求，还要满足复杂的安装工况下的强度要求，可以说结构设计是一个从建造到安装再到作业的系统性设计，是模块钻机设计的关键技术。

1　结构概述

1.1结构形式

模块钻机主要包含钻井设备模块(Drilling Equipment Set-DES)、钻井支持模块(Drilling Support Module-DSM)和灰罐模块(P-TANK)[3]，图1为南海某7 000 m模块钻机整体概貌。其中，DES又分为钻台面和下移动底座两部分，井架安装在钻台面主梁上，固控系统设计在下移动底座上。DSM主要包括泥浆池、泥浆泵房、电控房、散料间以及管子堆场等设施，为DES模块钻机钻井作业提供支持。灰罐模块一般作为设备撬块直接由厂家设计，本文不再做详细介绍。

图1　南海某7 000 m模块钻机整体概貌

1.2结构特点

模块钻机按照功能可以分为起升系统、旋转系统、循环系统、动力系统、传动系统、控制系统、支撑系统以及其他辅助系统[4]。图2为某7 000 m模块钻机三维模型图，左侧部分为DES，右侧部分为DSM。模块钻机各部分结构组成了钻机的支撑系统，只有合理的结构布置才能最大程度的满足其他各个系统的安全平稳运行。随着经验的积累，近些年南海海域的钻机趋于标准化，并呈现以下特点[5]。

1)模块化程度高，结构紧凑，总体布置协调，泥浆罐与钻井模块分离，质量分布均匀，平立面层次分明。

2)结构布置灵活，DES模块通过纵向和横向双滑轨来实现各个井口的钻修井作业。

3)模块钻机安装时的主承重框架与自身结构一体化设计，在满足安装工况的前提下，尽可能地使模块钻机结构质量最轻化。

《政府会计制度》设置了“待摊费用”“长期待摊费用”“预提费用”会计科目，要求高等学校必须根据权责发生制对相关经济业务或事项进行待摊和预提处理，如：高等学校支付订阅报刊杂志的费用，在实际支付时必须借记“待摊费用”，贷记“财政拨款收入”“零余额账户用款额度”“银行存款”，在受益期内的每月月末必须按照受益期限平均摊销处理，借记“业务活动费用”“单位管理费用”“经营费用”，贷记“待摊费用”。在对该类经济业务或事项进行会计核算时，高等学校不能再按《高等学校会计制度》根据收付实现制的规定在实际支付资金时记入相关支出科目。

4)辅助部分固定不动，动力系统、控制系统和循环系统大部分布置在钻机的固定模块中，与移动部分采用各种方式连接，保证固定与移动模块之间的连接安全、可靠。

5)模块钻机采用自升式套装井架，井架本体各节为整体结构，减少了连接销数量，减轻了安装作业强度，满足平台吊机能力和建造场地的要求。

图2　某7 000 m模块钻机三维模型

本文对近几年南海固定平台模块钻机的主要技术参数进行了汇总，如表1。模块钻机的结构形式不仅满足自身的功能要求，例如要有足够的能力承受大钩载荷、泥浆重力、环境载荷等。还要满足所在平台的结构形式，例如，DES结构形式受所在组块滑轨间距以及井口布置影响较大，DSM基座需要布置在组块甲板主梁上，其结构形式受所在组块南北向主轴间距影响较大。

表1　南海海域固定平台模块钻机主要技术参数

2　结构设计

2.1结构设计原则

海洋平台模块钻机的结构设计符合API、AISC、ABS、CCS以及中海油企业标准等相应的规范[6]。根据中国南海海域的环境特点，模块钻机结构强度、刚度以及稳定性的校核采用工作应力法(API RP 2A WSD)。

结构材料的选取既应符合钻机功能要求，又应满足工作环境的要求。考虑到建造与运输条件的限制，所用的钢材应尽量选择符合相关标准的常规产品，例如宽翼缘热扎H型钢采用GB/T 1591—2008或者JIS相关标准，常用的中等厚度的钢板采用GB 712—2011标准，对于主要节点及重要的吊点主板应采用z向性能钢材，泥浆池围壁及底板应考虑泥浆的腐蚀等，同时，整个项目中的结构型材种类应尽量少，减少采办及建造的工作量。

结构总体设计应符合基本的原则：传力路径短，材料利用率高，满足其他专业对结构形式的要求。模块钻机结构设计主要采用SACS、ANSYS等软件对钻机做有限元计算分析，通过API 2A WSD方法校核，以保证模块钻机的强度、刚度以及稳定性，并在设计过程中进行结构优化，通过提升材料的利用率减轻结构自身的质量。其中静力分析以及地震分析是在位分析，是模块钻机结构设计的主要控制工况。图3为模块钻机DES结构在位分析模型，图4为模块钻机DSM结构在位分析模型。

图3　模块钻机DES结构计算模型

图4　模块钻机DSM结构计算模型

2.2结构重力控制

表2　南海海域固定平台模块钻机重力对比　kN

注：结构重力为模块钻机支撑结构重，干重力为模块钻机结构重力及设备重力，不包含管线、罐体以及泥浆池中液体重力，操作重力为模块钻机最大钩载作业时的总重力。

3　安装设计

新建的海洋平台模块钻机模块集成程度很高，主要的原因有2个。

1)便于海上安装。海上驳船、浮吊资源紧缺，工期紧，费用高，能有效地利用自身技术方案解决安装资源是现模块钻机设计的通用方法。

2)可以大幅地减少海上建造工期。集成度不高，分模块较多会造成海上施工工作量的增加，而由于海上人员住宿、建造资源稀少、工期的协调困难等各方面原因，会影响整体项目的进程。

从结构上讲，模块钻机分为DES、DSM以及灰罐3部分模块，各个模块之间相互独立，海上安装完成后通过管线的硬连接将各个模块功能串联进行钻井作业。表3为上述各个钻机的安装方案及安装资源情况。

通常，模块钻机的安装方案分为3个阶段：

1)陆地建造场地滑移或者吊装装船，其中限于建造场地的吊装资源，大模块一般采用滑移装船，小模块采用吊装装船。

2)从建造场地装船后由驳船运输到海上建造场地。

3)在建造场地通过浮吊吊装到组块顶层甲板进行安装调试。

为了减少海上连接和调试的工作量，缩短海上施工工期，降低施工成本，模块钻机也可以与组块一起采用浮托法进行海上安装。采用浮托法安装，模块钻机在安装到组块上后即可以进行功能调试，调试完成后跟组块一起海上安装，可以节省大型浮吊的费用和海上施工工期。

表3　南海海域固定平台模块钻机安装资源

注：LF7-2和HZ25-8模块钻机建造场地在烟台，平台组块建造场地在青岛。

综上所述，模块钻机的安装工况分析包含整个安装过程的计算分析，包括装船计算、拖航计算以及吊装计算，如果模块钻机采用浮托法安装还应对钻机随组块整体托航的校核计算。表4为南海海域多个固定平台模块钻机的吊装数据，其中LF7-2模块钻机和HZ25-8模块钻机采用浮托法安装，无海上吊装方案。

海上吊装设计要切合实际，要充分考虑吊装时模块的晃动、就位误差以及吊点偏心等因素的影响。根据规范要求，在进行海上吊装分析计算时动力系数分别取1.35/2.0倍，并考虑吊点偏心的影响，图5为DES吊装分析模型。对吊点处的主耳板需要按照AISC等相关规范做详细的有限元计算或者手工强度校核。对于DES的整体吊装，由于吊耳主板与滑轨结构形式的特殊性，要增加辅助吊杆来承受吊装时的侧向力，如图5所示。

图5　DES吊装分析模型

模块钻机LF13-2PY4-2/5-1PY34-1EP24-2XJ24-3吊装质量/t785870864882880DES吊点高度/m80.082.081.076.075.5最大吊绳力/kN53365891641959486021吊装质量/t12661228135713141383DSM吊点高度/m72.078.080.070.072.5最大吊绳力/kN83537909950085129570

注：表格中最大吊绳力是在2.0倍动力系数下计算数据。

4　结语

本文针对南海海域的环境特点，结合近几年已建海洋固定平台模块钻机的结构设计经验，从结构特点、质量控制、安装分析等方面对海洋固定平台模块钻机的结构设计进行了系统的总结，并对结构设计中的主要技术参数进行了对比汇总，为深水油气田海洋固定平台模块钻机的结构设计提供了宝贵的设计经验。

[1]关德.东海油气田钻井设备配置及适用性分析[J].石油矿场机械，2012，41(7)：88-92.

[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)：143-147.

[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]安国亭，卢佩琼.海洋石油开发工艺与设备[M].天津：天津大学出版社，1998.

[5]徐田甜，张建勇，王 宁.西江23-1油田海洋模块钻机结构设计[J].船舶，2006(5)：26-32.

[6]中国船级社.海上固定平台入级与建造规范[M].北京：人民交通出版社，1992.

Structural Design Brief for 7 000 m Modular Drilling Rig of Fixed Platform in the South China Sea

YANG Xiaolong，MU Qing，LI Yanli，ZU Wei，AN Zhenwu

(CNOOC EnerTech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China)

As the development of oil and gas resources in the South China Sea，the fixed platform Modular Drilling Rig (MDR) was used more and more widely，and the modularity degree will be higher and higher for its special way of construction and installation.As the support structure of MDR，it must meet the strengthen requirements under in-place and installation conditions on the premise of weight control.The structural design of MDR is systematically summarized based on the design experience the MDR in service in the South China Sea past ten years，and comparative analysis for the weight control and installation design in the design process is made，which provide significant references for MDR structural design of Offshore Fixed Platform.

modular drilling rig；structural design；weight control；installation design

1001-3482(2016)05-0097-06

2015-11-20

杨肖龙(1985-)，男，河北石家庄人，工程师，硕士，主要从事海洋工程结构设计工作，E-mail：yangxl11 @cnooc.com.cn。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.021