深水半潜式钻井平台管子堆场布置方案研究

杨秀菊 王安义 杨 楠 胡 楠 李云鹏

（1.宝鸡石油机械有限责任公司 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心 宝鸡 721002；3.中石油天然气集团有限公司物资装备部 北京100007）

引 言

管柱堆场用于存储钻井管材，钻井管材一般包括隔水管柱、钻杆、套管及钻铤等。管柱堆场的布置对海洋平台船型及钻井系统的设计影响重大，所以管柱堆场布置方案的研究对海洋平台的设计有很重要的意义［1］。

针对具有3600 m作业水深、15000 m钻深钻井能力的半潜式钻井平台，其主辅钻机并行或协同作业需要频繁进行立根的上扣与卸扣作业，这就要求平台具备高效管子输送和处理能力，而管柱堆场的研究设计对管子处理设备的效率有着至关重要的影响［2］。另外，立根盒是平台钻具的周转站。由于设计双井架钻井平台具有主辅钻机并行作业能力，在同时钻进或下放钻具和套管时，需要进行大量立根作业，以满足并行作业需要，提高作业时效，因此对立根盒存储能力也提出更高要求。

1 钻井管材用量计算

1.1 隔水管柱

隔水管单根长度为 15.24～27.432 m（50～90 ft），较多深水钻机采用22.86 m（75 ft）长的隔水管（例如HYSY981），也有深水钻井平台采用24.384 m（80 ft）或27.432 m（90 ft）的隔水管。单根隔水管的长度越长，则能够减少隔水管接头数量，提高起下隔水管效率，但同时要增加隔水管处理设备能力，此外隔水管堆放区布置、隔水管指梁高度、隔水管处理设备的位置等相关尺寸均与隔水管长度相关。单根较长的隔水管一般难以通过陆路运输，而海上运移困难，处理过程中可能由于挠度过大而损害浮力块。综合考虑，建议采用短隔水管、双根处理的方式，既减少隔水管运输难度，又提高了作业效率。

通常深水钻井隔水管均用浮力块控制隔水管柱浮重。浮力块的长度一般为4.572 m（15 ft），浮力块在水中提供的净浮力可使隔水管单根浮重较在空气中减轻5%～10%。设计浮力块配置使隔水管湿重为干重的5%。浮力块的配置方案有两种：一种是配置不同水深等级的浮力块，不同的水深采用不同水深等级的浮力块，在使用之前，要确认每个浮力块的水深等级，第二种是配置同一种水深等级的浮力块（按照最深的水深等级配置），这种配置的优势在于可以根据需要将隔水管单根轮换使用，以提高隔水管的使用寿命，因此可采用该方式［3］。另外需要考虑由于水浸一起的浮力减少（由于水浸浮力块的浮力减少3%）。当隔水管处于悬挂状态时，配备的浮力块应使隔水管柱不出现受压状态。浮力系数的选择是钻井隔水管设计的关键，浮力系数要尽可能大，以减少隔水管顶部张力，一般是90%～100%。确定浮力系数后，则可根据单根需要的浮力确定浮力块的直径。浮力块的直径一般要比转盘开口直径小 25.4～50.8 mm（1～2 in）。

隔水管的使用量跟平台作业水深直接相关，目标平台设计的作业水深是3660 m，所以隔水管的极限用量是12000 ft（3658 m），平台按照极限用量配置了12000 ft（3658 m）的隔水管。本平台隔水管单根长度选取65 ft，总长12000 ft（3658 m），所需根数为186，两根为1柱，共93柱；内径：0.508 m（20 in）。隔水管外径（含浮力材料）最大不超过1778 mm（70 in），实际取值1.575 m（62 in），浮力块交错布置可降低隔水管的疲劳损伤。简便计算以浮力块全部布置见下页表1。

为解隔水民管存放形式对平台稳性的具体影响，对立放形式在存储面积及重心作如下计算分析：

为便于比较其对稳性的影响，重心高度统一相对于下甲板而言。平台上层甲板建筑层高一般为3.45/3.5 m，在分析中该平台主甲板距下甲板取7.0 m。

隔水管全部立放：隔水管立放需深入平台甲板层内部，其占用面积按双层计入，底端距下甲板取0.5 m间隙，计算隔水管所占面积为93×1.5752= 230.7 m2，加上隔水管指梁及间隙面积，约取432 m2，重心距下甲板高39.624/2+0.5= 20.312 m。

表1 隔水管尺寸规格

通过分析可知，从提高作业效率而言，隔水管立放是较佳方式，占用甲板面积小，但其空间利用率较低。虽然平放利于平台布置，但其占用甲板面积大，处理效率低。因此综合考虑，可选用立放隔水管组合存放形式。根据目前半潜式钻井平台使用情况，对于该目标平台，最大作业水深3660 m。

隔水管立放区：立放数量：96柱（192根）。放置在平台紧靠中央月池区的平台首部隔水管排放区。综合考虑隔水管间隙、隔水管起重机和立管排放架所占空间，布置尺寸可设置为18 m（宽）×24 m（长）×39.624 m（高），总重约3685 t。

1.2 钻杆立柱

计算最终油层套管的钻柱尺寸：钻头尺寸选215.9 mm。

1.2.1 计算钻铤的长度

以中和点确定钻铤长度，中和点的位置由下式确定：

式中：LN为中和点面距钻头的高度，m；PB为设计最大钻压，N；qc为单位长度钻铤在空气中的重力，N/m；Kf为钻井液浮力系数，无因次。

实际钻铤长度应比LN长20 m ～30 m，或用下式计算：

式中：LNr为实际钻铤长度，m；SF为安全系数，一般取SF=1.2～1.3。

取SF=1.2，PB取120 kN。参照表2，根据钻头尺寸选用6-1/4 in即外径为158.75 mm的钻铤，每根单位质量1210.89 N/m，长度31 ft即9.45 m。取钻井液ρm=1.50 g/cm3，钢材密度ρg=7.85 g/cm3。则：

从而得：

表2 推荐的钻铤尺寸范围

1.2.2 钻杆长度计算

钻铤上部用5-1/2 in，280.27 N/m，G105级钻杆。查表2得，按最小屈服强度计算的最小抗拉力Py为2318.521 kN。按设计系数计算最大允许静拉负荷Pad。

式中：Kd为设计系数，取1.3 ～ 1.4。

校核是否满足卡瓦挤毁，卡瓦长16 in。查表3（其中，摩擦系数0.08用于正常润滑情况）得：

表3 新钻杆承受拉力强度

表4 防止卡瓦挤毁钻杆的最小比值

表4 防止卡瓦挤毁钻杆的最小比值

钻杆尺寸/ in卡瓦长度 摩擦系数μ 横向负载系数K 45最小比值120.060.080.100.120.144.364.003.683.423.181.271.251.221.211.191.341.311.281.261.241.431.451.351.321.301.501.521.411.381.341.581.591.471.431.401.661.661.541.491.451.73—1.601.551.501.8—1.661.611.551.521.471.431.391.36160.060.080.100.120.144.364.003.683.423.181.201.181.161.151.141.241.221.201.181.171.301.281.251.231.211.361.321.291.271.261.411.371.341.311.281.521.471.431.391.361.521.471.431.391.36

计算拉力余量Kσ=450 kN时的Pal1。由于Pal1=0.9Py-Kσ= 0.9×2318.521 - 450 = 1636.669 kN，并且Pal1＞Pad1。

其可下长度由Pad1确定，即：

第二段选用6-5/8″钻杆，即168.275 mm。满足钻深要求，取L2=8408 m。

取钻杆单根长度13.7 m，以上钻杆用量为：5-1/2″钻杆470根，6-5/8″钻杆614根。

1.2.3 钻柱组合总的用量

参考常用钻具组合，举例如下：

（1）钻1066.8 mm（42 in）井眼，采用高压喷射钻井，使用36 in套管，下套管和钻井一次完成。

（2） 钻 762 mm（30 in）井眼， 常用的钻具组合为：914.4 mm钻头+带浮阀和测斜座的接头+914.4 mm固定臂扩眼器+228.6 mm钻铤2根+接头+203.2 mm钻铤7～10根+接头+127 mm加重钻杆15根。

（3）钻609.6 mm（24 in）井眼，常用的钻具组合为：660.4 mm钻头（444.5 mm钻头+660.4 mm固定臂扩眼器）+带浮阀和测斜座的接头+228.6 mm钻铤2根+接头+203.2 mm钻铤10～13根+接头+127 mm加重钻杆15根。

（4）钻444.5 mm（17-1/2 in）井眼，常用的钻具组合为：444.5 mm钻头+带浮阀和测斜座的接头+228.6 mm钻铤2根+444.5 mm稳定器+接头+203.2 mm钻铤13根+震击器+203.2 mm钻铤2根+接头+127 mm加重钻杆+投入止回阀座接头+127 mm加重钻杆14根。

（5）钻311.2 mm（12-1/4 in）井眼，常用组合钻具为：311.2 mm钻头+带浮阀和测斜座的接头+203.2 mm钻铤2根+311.15 mm稳定器+ 203.2 mm钻铤1根+311.15 mm稳定器+203.2 mm钻铤9根+随钻震击器+203.2 mm钻铤2根+接头+127 mm加重钻杆1根+投入止回阀座接头+127 mm加重钻杆14根。

综上可得所需钻柱组合如表5。

1.3 套管用量计算

目标平台水深3660 m、钻深15250 m，针对南海海域。井身结构设计是钻井设计的关键，需设计出套管的深入深度和层次，针对海上钻井的特点和习惯来设计井身结构。

表5 钻杆、钻铤用量计算

由于海洋环境等因素，海上钻井中使用的套管柱不仅要保证井眼安全顺利地钻达设计井深，还要保证在海床面上支撑质量100 t以上的水下井口装置。经过多年实践，中国已形成一套适用于海洋油气钻井的标准井身结构。

提高钻井作业效率是钻井平台设计最重要的设计目标，应用双井架钻机是提高（超）深水钻井作业效率的有效技术之一。以一口海外深水井为例，目标平台水深3600 m、钻深15000 m，假设深水半潜式钻井平台井深数据如表6所示，井身结构参见下页图1。

表6 井身结构参数表

图1 井身结构图

目标平台选用914.4 mm民管，660.4 mm表层套管，508 mm和339.7 mm技术套管，以及273.1 mm油管作为套管柱设计。选用五层套管，开钻组合如下：

钻杆其作用是进行钻井作业，向钻头提供钻井用泥浆。钻杆尺寸为：6-5/8 in，加厚形式：内外加厚（IEU），钻杆壁厚：9.19 mm，钻杆管体外径：168.275 mm，钻杆接头外径215.9 mm。

海洋油气钻井的套管柱结构一般由五层组成，即民管、表层套管、两层中间套管（技术套管）和生产套管/尾管。

导管其作用是建立井口、支撑井口及防喷器组等井口装置。目标井口下入深度50～100 m（下入深度按照100 m考虑），采用的是喷射钻井，井口直径1066.8 mm（42 in），使用外径914.4 mm（36 in）、内径863.6 mm（34 in）的民管。

表层套管主要用于封住表层的疏松地层，并建立起井口及井口装置。目标井口下入深度600 m（返回至泥线），采用的是762 mm（30 in）钻头，使用外径660.4 mm（26 in）、内径622.3 mm（24-1/2 in）的套管。

技术套管用于封住复杂地层，保证安全顺利钻达设计井深，分两段（目标井深6100 m）：第一段，目标井口下入深度2100 m（返回至泥线），采用的是 609.6 mm（2 in）钻头，使用外径508 mm（20 in）、内径482.6 mm（19 in）的套管；第二段，目标井口下入深度4000 m（返回至2100 m），采用的是444.5 mm（17-1/2 in）钻头，使用外径339.7 mm（13-3/8 in）、内径315.32 mm（12-2/5 in）的套管。

油气层套管或尾管目标下入深度5300 m（返回至6100 m），采用的是311.2 mm（12-1/4 in）钻头，使用外径273.1 mm（10-3/4 in）、内径242.88 mm（9-14/25 in）的套管。

裸眼完井215.9 mm（8-1/2 in）钻头，裸眼完井。

综合上述计算，目标井套管用量如表7所示。

表7 套管用量

2 管柱堆场布置方案

对于1.2节及1.3节所述的钻井管柱，需要在平台上专门设置堆场将其放置。平台堆场区域用于放置钻杆、套管、隔水管等钻井材料，其用量根据极限井身结构计算得到。

如图2所示为采用双井架钻井作业系统的钻井系统布置方案，双井口均为主井口，可同时进行钻井及接单根作业。

图2 钻井系统布置方案图

平台上层甲板上堆场划分为首尾两个区域，首部区域一般用于立放存储隔水管，尾部区域一般用于水平放置钻杆、套管或隔水管等［4］。

半潜式钻井平台隔水管的布置方式主要有三种：平放、立放、平放+立放组合。不同的布置方式影响到平台的布置、隔水管的处理系统以及下隔水管的流程及作业效率［5-6］。钻杆及套管一般采用平放+立放组合的方式进行存储。

下面仅针对两种管柱堆场布置方案进行研究。

2.1 管柱堆场布置方案一

2.1.1 隔水管布置

立放隔水管，隔水管为单根组成一立柱，穿过上层甲板，伸入箱型甲板，始放于位于船首侧的主甲板上，隔水管移运设备布置于主甲板上。其载荷分布如下页图3所示。

图3 主甲板载荷分布图

2.1.2 钻杆及套管布置

钻杆及套管采用平放+立放组合的方式存储于船尾侧的上层甲板上的管柱堆场及钻台立根台。其载荷分布图如图4所示。

图4 上层甲板载荷分布图

综上所述，隔水管采用立放存储方式，钻杆及套管采用“平放+立放”组合存储方式，管子堆场布置方案如下页图5所示。

图5 管子堆场布置方案一

管柱堆场布置于平台主甲板的尾部区域，钻杆与套管采用水平存储的方式堆放在堆场上，在使用时，可以采用水平管柱处理系统及垂直管柱处理系统将其输送、连接并排放到钻台立根盒内。

2.2 管柱堆场布置方案二

2.2.1 管柱立放区

立放钻杆、套管及隔水管均穿过上层甲板，伸入箱型甲板，始放于主甲板（即下层甲板）上。主甲板载荷分布如下页图6所示。

2.2.2 管柱平放区

平放钻杆、套管及隔水管均布置于船尾部管子堆场存放区，布置于上层甲板上，使用时利用水平和竖直管柱处理设备将其输送、连接并排放于管柱立放存储区。上层甲板载荷分布如下页图7所示。

图6 主甲板载荷分布图

图7 上层甲板载荷分布图

综上所述，钻杆、套管及隔水管均采用“平放+立放”组合的存储方式，管子堆场布置方案如下页图8所示。

针对上述两种管柱堆场布置方案，平放钻杆、套管在下入时，均通过管柱处理系统完成输送、连接、排放等作业。两种布置方案区别在于：

（1）平放隔水管。其在下入时需要通过管柱处理设备对其进行连接，并由输送机装置将其改变为立放状态后才能送到转盘井口内，需增加隔水管柱处理设备，提高对平台作业系统的总体配套要求，同时增加隔水管柱处理时间。

（2）立放隔水管。立放存储于下层甲板，降低重心，节省隔水管连接及输送的时间，可提高隔水管以至整体作业效率，且该区域不易作为其他用途，也提高了平台空间使用率。

3 结 语

通过阐述管柱堆场研究设计对海洋平台建造的重要性及必要性，逐步展开管柱堆场布置方案研究。首先，对隔水管、钻杆、套管及其他钻井管材进行用量计算；其次，在确定钻井管材用量的基础上进行管柱堆场布置方案设计，介绍两种管柱堆场布置方案，并进行对比，推荐深水半潜式钻井平台管柱堆场布置方案为：隔水管布置采用立放于船首主甲板的存储方式，钻杆及套管布置采用“平放+立放”布置于船尾上层甲板及立根台的存储方式。同时也给出放置钻井管材的甲板载荷分布图，用于海洋平台船型设计输入，推荐的管柱堆场布置方案可作为钻井系统布置方案设计的输入。

针对深水半潜式钻井平台管柱堆场的设计和布置，也可以推广到其他海洋平台设计中，可为海洋平台设计及建造提供切实可行的解决方案。