BT 3500支持平台钻井包模块划分与结构创新

刘永胜, 王安义, 买成华, 胡 楠, 汪靖享, 郭乾坤

(1.宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西 宝鸡 721002； 2.国家油气钻井装备工程技术研究中心， 陕西 宝鸡 721002)

BT3500支持平台钻井包模块划分与结构创新

刘永胜1.2, 王安义1.2, 买成华1.2, 胡 楠1.2, 汪靖享1.2, 郭乾坤1.2

(1.宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西 宝鸡 721002； 2.国家油气钻井装备工程技术研究中心， 陕西 宝鸡 721002)

针对BT3500支持平台钻井包作业特点，制定模块总体布局的原则，选择最优的布置方案，设计一种由18个子模块组成、各模块之间采用螺栓或销轴连接的新型海洋模块化钻井包。该模块钻井包具有结构简单、重量轻、拆装方便的优点，通过支持平台吊机可实现钻井模块在井口平台间的快速搬迁。重点总结钻井包模块的结构特点及模块结构设计重量控制措施。该支持平台钻井包模块的设计技术与方法可用于指导其他海洋模块钻机的研究设计。

支持平台；钻井包；模块化划分；结构特点；重量控制

0 引言

相关数据显示支持平台钻井方式具有投资少、回报快、回报率高的优势。实践证明，在深水海域采用半潜式钻井支持平台能有效降低投资和作业费用，显著降低主平台上部模块重量。采用支持平台钻井的最大优势在于可有效减少井口平台的顶部模块对重量和空间的要求，从而显著降低井口平台的造价，同时综合考虑法律法规、风险及可靠性等方面因素，倾向于将钻井系统及其相关设施从井口平台上分离出去，这都是支持平台钻井包得以发展的有利因素。此外，据测算，采用支持平台钻井方式后，井口平台的造价可减少约1.4亿美元[1-2]。支持平台辅助钻井作业方式如图1所示。

图1 支持平台辅助钻井作业效果图

1 支持平台钻井技术介绍

支持平台钻井是一种新的钻井方式，该钻井方式具有浮式钻井平台适应水深范围广的特点，同时又兼具常规钻井平台造价低的优势。正常作业时需要支持平台辅助钻井单元(TenderAssistedDrillingUnit,TADU)和井口平台共同协作完成钻井任务。TADU由支持平台(TenderSupportVessel,TSV)和钻井包(MastEquipmentPackage,MEP)组成，为固定式平台和浮式平台等井口平台提供钻井作业。TADU上封固有用于井口平台钻井作业的MEP，还装载有钻井作业所需的全套辅助设施，如发电机组、泥浆泵、燃料、淡水、钻杆、套管、钻井泥浆、固井水泥、重晶石等，同时具有存储、封固和运输模块化钻井包所需的空间和相关设施，并提供工作人员的生活设施。钻井作业前将装载有MEP的TSV靠近井口平台并将MEP各模块通过支持平台吊机吊运至井口平台并完成钻机的安装。钻井作业过程中TSV为井口平台上的MEP提供动力、泥浆、水泥、海水、淡水、压缩空气等辅助支持。作业完成后将MEP各模块从井口平台上拆除并封固到TSV指定区域，运往下一井口平台进行钻井作业[3-5]。

BT3500支持平台主要技术参数如下：

名义钻深(Φ114mm钻杆)：7 000m；

最大钩载：4 500kN；

绞车额定输入功率：2 200kW；

转盘开口名义直径：Φ1 536.7mm；

顶驱配置：500metricton；

提升系统绳系：7×8；

井架型式/有效高度：套装式井架/46.3m；

单个模块极限重量：170metricton；

钻井包总重：1 240metricton。

2 模块划分

总体布局规划原则[6]：

(1) 信息原则。国内对于深水半潜式钻井平台的研究处于起步阶段，国外对国内采取了技术保密的政策，进行平台总体布局时要尽可能调查、收集、整理与平台布局相关的国外资料作为布局的参考。

(2) 功能原则。钻井包的布局以钻井作业作为核心和基本出发点。深海钻井作业比陆地钻井流程更加复杂，操作难度更大，非钻井作业时间占用整个钻井周期的比重随水深的增加也相应增大，提高钻井作业的并行性是布局追求的目标。

(3) 可行性原则。布局方案的优劣直接影响到平台的整体性能、钻井作业效率，布局操作所产生的任何一个方案无论在资源、技术、经济等方面都必须是可行的。

(4) 最优性原则。应尽量使产生的方案接近最优方案，根据工程实际权衡各个矛盾参数来进行优化，以小代价换取大收益。

(5) 系统原则。布局操作时需从全局出发，考虑钻井系统各子系统之间的关系，使他们相互协调以保证全局利益。

(6) 稳定性原则。平台布置要考虑平台的重心和稳心位置，南海环境条件恶劣，应尽可能地降低重心高度，提高平台的稳定性。

根据上述原则，参照国内外多个半潜式平台总体布局方式，使各个模块间操作时能够保证全局利益的最大化。选择最优化的总体布置方案，将钻井包规划为18个子模块，钻井包的爆炸图如图2所示。钻井包模块名称和具体功能如表1所示。合理的模块划分使得每个模块的最大质量不超过170t，完全满足了支持平台主吊机的额定参数，确保支持平台吊机用最少的起吊次数完成整个钻井模块的吊运及安装作业。对设备质量进行预估和布置，保证钻井包重心接近几何重心。同时，设计时考虑尽量减少各模块间安装销轴的规格，最终统计整套钻井包只需要46个销轴、40个螺栓即可完成组装。

图2 钻井包模块三维爆炸图

序号模块名称功能划分1井架模块2绞车房模块3钻台钢结构模块4司钻对侧主撬5司钻侧主撬6绞车侧滑移基座梁7V大门侧滑移基座梁8司钻对侧连接梁9司钻侧连接梁1.钻井包提升系统和旋转系统2.BOP/CTU处理系统3.提供井口泥浆返回通道10司钻侧飘台布置司钻控制房和本地仪表房11V大门坡道钻杆运输通道12猫道机支架13支架支腿进行隔水管输送14通用模块为所有液压设备提供动力并兼具井控的功能15固相控制模块泥浆净化和计量系统16岩屑处理模块1.岩屑干燥及处理系统2.布置压缩空气储气罐3.污水收集17管汇模块动力、泥浆、水泥、海水、淡水、压缩空气等的传输通道18水平连接架用于固定连接两个主撬结构

3 结构特点与创新

3.1 门式钢结构底座

钻井包大底座模块为门式结构，具有钻台高、跨度大、承载能力强的特点，总高度为15.9m，门型主撬下底面高度为13.7m，与常规7 000m钻机底座相比净空间增加了65%以上。可支持钻台面纵向滑移和整体横向滑移，满足在井口平台27口井位的钻井作业要求。该门式底座结构完全满足X-Y双向移动的防喷器(Blow-OutPreventer，BOP)和连续管作业单元(CoiledTubingUnit，CTU)处理系统安装作业要求。该处理系统可在井口4个方向任意吊运，解决了钻井包组装完成后实现BOP吊运、试压以及不同井位间移动的难题，突破了BOP单向滑移的局限性，实现了创新。

3.2V大门坡道

V大门坡道采用三角形悬臂结构，结构形式简单、稳定性强，采用外挂式连接形式，可随钻台钢结构模块一起移动，无需重复拆装，方便钻台钢结构及以上模块进行纵向滑移，在从事钻井作业时节省了时间。

3.3 部分模块采用框架式结构形式

大部分模块主要采用H型钢作为主体结构，由于受钻井包总重量的限制，在结构设计中优选型材截面，同时保证子模块具有足够的强度、刚度和稳定性，以满足海上吊运、拖航、钻井作业的需求。采用框架式结构形式可以有效地降低结构的重量。

子模块采用框架式结构形式，结构稳定，便于模块叠放，既能满足在正常钻井工况下模块连接安装的需要，又能保证模块在拖航时安全可靠，也便于对模块进行吊装作业。模块内部空间较为封闭，设备全部安装在模块内部，最大限度地确保了内部设备在吊装及拖航时的安全性。同时，为了方便框架内部设备的维修更换，在主结构上设计可拆卸的支撑梁。

3.4 安装导向设计

钻井模块通过支持平台吊机进行吊运安装，但

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由于海洋环境复杂，且支持平台为浮式平台受波浪影响较大，因此钻井模块海上安装复杂且耗时长。为了保证钻井模块在海洋动态环境下的快速安装，在模块与模块间设计有安装导向装置。根据模块的结构形式、安装方式的不同，设计不同的导向形式，有板材拼焊的喇叭口导向柱、方钢管制作的插框式导向柱、Y字形的导向板、圆锥销式的导向柱等形式。导向又可分为粗略导向(一级导向)和精确导向(二级导向)。

4 结构重量控制措施

子模块重量是支持平台钻井包结构设计的主要控制因素，由于钻井包的重量受限于井口平台的承载能力以及支持平台吊机的起吊能力，因此需对每一个子模块的重量进行严格控制。在基本设计阶段，根据业主要求以及支持平台吊机能力，对钻井包进行合理的模块划分，确保详细设计和生产设计的顺利进行。

钻井包结构设计所采用的重量控制措施主要有：

(1) 根据钻井包的总体结构形式，对各子模块的结构进行优化设计。结构主框架尽量采用对称设计，以使每根梁的最大名义应力比值达到最优值，且作用最大化。

(2) 根据主结构的受力情况，优选合理的型材截面、合适的板材厚度，在局部受力较小的部位应尽量减小型材、板材的规格尺寸，但在关键部位(如吊点、挂点、模块间连接处、大型设备支座等)应进行局部补强，确保强度、刚度足够。

(3) 利用PDMS(Plant Design Management System)软件对子模块结构建立准确、完整的三维模型，以达到子模块结构重量的精确控制，并编制详细的重量控制报告，对子模块重量进行实时预警。

(4) 在详细设计过程中，各设计部门应协同设计，及时准确更新设备、舾装、电气、管系等信息，以便结构设计人员及时调整其局部结构形式，避免结构设计出现冗余而增加结构的重量。

5 结论

支持平台钻井平台作为一种较为新型的钻井装备，近年来发展很快。BT 3500支持平台钻井包作为我国首次设计、制造的钻井包，使我国在支持平台辅助钻井技术研发领域积累了宝贵经验。本文仅从模块布局、结构特点以及重量控制等方面做了一定介绍，希望能为后续该类型平台和其他半潜平台的设计提供借鉴。

[1] 刘海霞.深海半潜式钻井平台的发展[J].船舶,2007(3):6-10.

[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] 徐田甜.钻井供应船在海上油田的锚泊能力评估[J].船舶,2008,19(6):4-9.

[4] 王定亚,丁莉萍. 海洋钻井平台技术现状与发展趋势[J].石油机械,2010,38(4):69-72.

[5] 高杭,李平,李鹏飞,等.海洋可搬迁模块钻机可行性研究[J].石油矿场机械,2008,37(1):21-24.

[6] 杨轶普.半潜式平台钻井系统布置技术研究[D].青岛：中国石油大学(华东),2009.

StructureInnovationandModuleDivisionofBT3500TenderSupport
VesselDrillPackage

LIUYongsheng1.2，WANGAnyi1.2，MAIChenghua1.2，HUNan1.2，WANGJingxiang1.2，GUOQiankun1.2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.,Ltd.,Baoji721002，Shaanxi,China;2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter,Baoji721002,Shaanxi,China)

AccordingtothecharacteristicsoftheBT3500TenderSupportVesselDrillPackage,theprincipleofthemodulelayoutisresearched,thebestlayoutplanischosed,andamodularoffshoredrillpackageisdesignedwhichiscomposedof18moduleconnectedbytheboltsorpins.Themoduledrillpackageisofsimplestructure,lightweight,convenientdisassemblyandinstallation.Usingoftendersupportvesselanditscranecanbefastmovingmodulebetweenthewellheadandplatform.Thedrillpackagestructurecharacteristicsandweightcontrolmeasuresaresummarized.Thedesignmethodcanbeusedtoguideotheroffshoredrillrigdesign.

tendersupportvessel；drillpackage；moduledivision;structurecharacteristics;weightcontrol

刘永胜(1983-)，男，工程师，从事海洋钻采设备研发工作。

1000-3878(2017)01-0044-04

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