辅助钻井作业系统及总体运动性能的基本要求

陈国龙， 纪亨腾， 冉志煌， 刘团结， 李建勋

(1. 中海油研究总院有限责任公司,北京 100028; 2. 深圳深德海洋工程有限公司，深圳 518067)

0 引 言

辅助钻井(tender assisted drilling， TAD)指不依靠专门的钻井船或钻井平台，也不需要在生产平台上设置永久性钻井设备，而是利用停靠在一旁的辅助平台(tender vessel)上的标准钻井设备进行钻井的一种作业模式。采用TAD技术时，需要将辅助平台上钻井模块起吊至生产平台上进行钻井作业，钻井完毕后再从生产平台上撤回至辅助平台，辅助平台在钻井过程中提供大部分的支持工作。

通常的钻井设备包(drilling equipment set, DES)包括钻井架、提升设备、防喷器以及一些泥浆清洗设备，将这些设备转移到辅助钻井船上，可以减少生产平台上的设计重量、增大空间需求。其他钻井所需设施设备如泥浆池、泥浆泵、发电机、钻杆及套管存储、粉状物料、人员住宿、燃料及钻井用水等也都可以放置在辅助钻井平台上。

20世纪50年代至60年代初，辅助钻井在墨西哥湾开始时是用作勘探方式，后来才逐渐发展为一种开发模式用于固定式平台，目前这种钻井方式已不普遍。辅助钻井平台的最早形式为驳船，为了提高机动性，才出现了常规船型的辅助钻井平台[1]。

驳船或常规船型的辅助钻井平台容易在恶劣海况下发生锚缆断裂事故，船身漂至远处。因此，目前辅助钻井方法只是较多地应用在一些海况比较平和的区域，如西非和东南亚的海域。

20世纪80年代以来，出现了半潜式辅助钻井平台，使辅助钻井这种方式发展到一个新的水平，具备在深水和恶劣海况下应用的能力。1993年，经过改装成为半潜式辅助钻井平台的Seahawk TAD投入使用，该平台具有更加高效和可靠的特点，并显示出优越的定位性能和运动性能，且适用于深水海域[2]。

辅助钻井方式和生产平台上的专门钻井方式相比，主要有如下优点：

(1) 钻井设备包和标准平台钻井设备系统相比，体积更小、重量更轻。

(2) 辅助钻井时，不需要额外的工作船或者浮吊船。

(3) 减小了生产平台上部组块的重量。由于支持设备和钻井液可以安全地布置在辅助平台上，因此生产平台上的载荷大幅减少，特别是当钻长井或深井需要大量的钻井液以及套管时，可以将其放置在辅助平台上。如果放置在生产平台上，则可能使平台的结构设计发生重大变化。

(4) 可以在辅助平台上放置更多的钻井消耗品。

(5) 转移至辅助钻井平台上的钻井人员和其他工作人员远离危险区域，可以更安全。

(6) 出现紧急情况时，辅助钻井平台可以通过松开吊桥(personnel transfer bridge, PTB)和生产平台分离，然后控制系泊缆远离工作平台。

此外，当一些老旧平台需要钻新井时，其结构往往难以再承受标准钻井设备，此时可以应用辅助钻井方式。图1和图2为半潜式辅助钻井平台和浮式与固定式平台。

图1 半潜式辅助钻井平台与浮式平台[3]Fig.1 Semi-submersible drilling tender vessel and floating platform

图2 半潜式辅助钻井平台与固定式平台[4]Fig.2 Semi-submersible drilling tender vessel and fixed platform

1 辅助钻井典型工况

辅助钻井作业根据操作程序一般可以分为四种工况： 辅助平台待机工况、设备转移工况、正常钻井工况以及吊桥脱开工况。

1.1 辅助平台待机工况

这种工况可以作为辅助平台系泊系统的设计工况，一般辅助平台距生产平台200 m以外。辅助平台系泊系统的设计条件可以取为十年重现期海况或者更高。此时，辅助平台为钻井设备转移做准备，等待作业时间窗口。

1.2 设备转移工况

此时操作绞车拉紧连接缆(lashing line)使辅助平台尽量靠近生产平台，以方便各种钻井所需设备及物品从辅助平台向生产平台转移。需要转移的主要设备以模块的形式打包放置在辅助平台上，这些设备包括井架、提升设备、防喷器以及一些泥浆清洗设备等。这个阶段的海况应该比较平和，以确保吊装作业能顺利进行。

1.3 正常钻井工况

设备转移完毕后，操作绞车使两平台间距达到一定要求，此间距应比设备转移时大。辅助平台和生产平台之间用连接缆相连并保持适当距离，生产平台由系泊缆或回拉缆(holdback line)控制水平运动，辅助平台依靠自身的系泊系统保持位置。正常钻井时的海况一般可定义为一年重现期的海况，并且考虑海况的方向性。此海况的定义受辅助平台吊桥行程的限制，因此在风浪比较平和的海域，可能适用更高的海况；反之，则可适当降低海况条件。

1.4 吊桥脱开工况[5]

吊桥脱开一般有三种可能情况：

(1) 按计划脱开。为了对吊桥进行检查和维护，需要脱开吊桥，这种情况一般提前计划，时间的安排也应尽量避免对钻井工作产生影响。

(2) 恶劣环境。当环境逐渐恶劣以致影响操作时，为了保证井口及平台的安全，需要启动吊桥脱开操作。

(3) 突发事件。这种情况是指由于出现不可预见性的情况而必须脱开吊桥，如系泊缆的突然断裂或者环境突然变得恶劣。

根据实际情况的程度，须判断是否在脱开吊桥后断开平台之间的连接缆。如果需要，则辅助平台应转移至离开生产平台较远的位置。吊桥脱开时的海况一般可设计为十年重现期海况，具体须根据吊桥的行程范围及当地海况来决定。吊桥准备脱开前，应预留足够的时间来保证井口的安全以及有关人员能从生产平台上撤离。为了保证钻井作业的可控性和安全性，辅助钻井平台上设置有预警系统，可根据不同的颜色区别情况的严重程度。

图3和图4是两种典型工况的示意图，图中的生产平台以TLP平台为例，显示了两平台间的连接缆以及生产平台的回拉缆工作形式。

图3 辅助钻井状态Fig.3 Tender assisted drilling condition

图4 辅助钻井吊桥及连接缆脱开状态Fig.4 PTB and lashing lines disconnected condition

2 辅助钻井工作界面[5]

辅助平台与生产平台间的工作界面是指两者在辅助钻井过程中材料、人员、通信和电力等的联系方式。

2.1 吊桥

吊桥是联系生产平台与辅助平台之间的临时性桥形结构，它的基座位于辅助平台上。低压泥浆回流、钻井时气体供应以及信号线的连接都要通过吊桥，送至生产平台的高压泥浆和水泥则一般通过悬链式软管来传递。吊桥也是相关工作人员在两个平台间来往和撤离的主要通道。

2.2 连接缆

生产平台和辅助钻井平台之间宜用一套连接缆进行约束，它们处于拉紧状态时可以使两平台间保持一定的安全距离。其主要组成为高强度的软绳材料，良好的弹性可以提供足够的伸缩性并能吸收突然出现的绷紧载荷。连接缆和绞车相接的部分采用钢缆或锚链。连接缆的载荷——伸长特性曲线一般具有非线性的特点，如图5所示。

图5 连接缆的非线性特性Fig.5 Non-linear characteristics of lashing lines

2.3 泥浆和水泥输送

生产平台和辅助平台之间输送泥浆和水泥的高压软管有两种： 水下悬链式软管和水上悬链式软管。水下悬链式软管出入两平台时几乎垂直，穿过波溅区，长度较长，因此在设计时应考虑全天候的环境条件，包括辅助平台脱开时的风暴条件。水上软管则在水面之上通过，在任何情况下都不触水，长度较短，但这类软管须在两平台脱开时先于辅助平台断开。图6所示为水下悬链式软管。

图6 水下悬链式软管Fig.6 Underwater hose in catenary shape

2.4 泥浆回流

泥浆从生产平台回到辅助平台有三种途径，除了上述的两种软管形式外，还有一种是通过布置在吊桥上的管路来输送。对于这三种途径，可以通过泵的抽吸作用来克服泥浆的重力。

水下悬链式软管在输运回流泥浆时虽然可以在所有海况下工作，但是由于泥浆太沉因此很容易在软管内发生沉淀滞塞的现象。如采用水上悬链式软管，则需要设置一个臂架来支持软管，这样就可以提供充分的运动补偿，在需要吊桥脱开的海况下，泥浆回流至软管时还能保持连接，以及重新连接。如果泥浆回流管道布置在吊桥上，则势必会加重吊桥的负重。但泥浆管线可随着吊桥一起脱开，当吊桥重新搭接后，泥浆回流管道也易于重新连接。

2.5 钻杆传送

大量的钻杆堆放在辅助平台，为生产平台节省了大量空间，也减轻了设计时的有效载荷。钻杆可以通过高线传送系统(Hi-line system)(见图7)从辅助平台转移至生产平台，这种方式可以降低用甲板吊机转运钻杆这样长尺寸的重物所带来的风险。

图7 高线传送系统Fig.7 Hi-line system for transfering pipes

2.6 防喷器远程控制

在辅助平台上也配备了与生产平台上完全相同的防喷器/分流器(BOP/diverter)控制面板，这样可以在远程对钻井和压井进行控制操作。辅助平台的控制包括两种方式： 当两个平台连接时，采用有线电通信系统；当两个平台脱开时，采用无线通信系统。

2.7 其他界面

生产平台与辅助平台之间还存在轻质钻井液、通信、电力、应急以及人员监控系统等工作界面。这些输运材料或控制信号的管缆可以通过吊桥来保持两平台间的联系，但仍须配备一套无线通信系统，以保证重要信号的有效传递。

3 辅助钻井平台的主要性能

以BT-3500型半潜式辅助钻井平台为例[6]，表1列举了该型平台的一些建造信息以及主要性能数据，从该型平台的3D图可以看出，有吊桥、吊机和钻杆堆场等装置。

表1 BT-3500型辅助钻井平台建造信息及主要性能

(续表)

4 辅助钻井总体运动性能基本要求

当生产平台为固定式平台时，辅助钻井作业比较简单，在此不做讨论。当生产平台为浮式平台时，辅助钻井作业的关键是在一定的环境条件下控制两平台之间的相对运动，保证两者之间具有适当的间距。如果间距过大，则可能超出吊桥的伸缩范围或造成连接缆的断裂；如果间距过小，则可能超出吊桥伸缩范围或发生碰撞[7-8]。因此，辅助钻井作业运动性能设计主要在于定义适当的环境条件，合理设计辅助平台的系泊系统、两平台间的连接缆以及生产平台的回拉缆(以TLP平台为例)，并根据计算分析结果或水池试验结果进行验证。

4.1 辅助平台系泊系统

辅助平台一般自身配备缆索式系泊系统，但其适用的水深有限，如果目标海域超过限制水深，则必须根据实际情况进行改装或重新设计系泊系统，如可以采用半张紧式的系泊缆。如果辅助平台有动力定位系统，则其定位能力需要根据实际情况进行校核，这种情况不在本文的讨论范围内。辅助平台系泊系统的控制工况为待机工况，进行辅助钻井作业时，首先通过调整系泊缆的长度来移动辅助平台，使其从200多米外的待机位置至辅助作业位置，然后重新设定各系泊缆的预张力及方位角，最后通过连接缆和生产平台相接，并通过多个绞车的配合来保证两个平台连接后处于设定的平衡位置。

4.2 双体耦合总体运动

对辅助钻井作业进行总体设计时，必须进行两平台间相对运动的计算分析。这是一个涉及双浮体且互相耦合的非线性系统，具有多缆索约束的特点，加之计算工况多，因此比较烦琐和耗时。以TLP生产平台为例，需要考虑的约束有TLP平台的张力腿、张紧立管(top tensioned riser, TTR)及回拉缆、两平台间的连接缆、辅助平台的系泊缆等。几种约束的物理特性差异也较大，特别是张力腿和TTR的计算模拟。

在进行辅助钻井作业状态运动分析时，应主要考察如下指标：

(1) 两平台间距，无环境力时的静态间距一般可设置为20～30 m。在设计环境载荷的作用下，运动时两平台间的最小间距一般应不小于10 m。

(2) 各缆索上的最大张力应满足相关规范的安全系数。各缆索包括辅助钻井平台的系泊缆、两平台间的连接缆、TLP平台的回拉缆等。TLP平台的张力腿及TTR上的张力不作为主要的考察指标，但应正常输出和检查。

(3) 对于连接缆，应尽量避免出现松弛的现象。

(4) 两平台间吊桥的运动不超过设备自身的伸缩能力范围。

(5) 各缆索之间以及缆索与浮体之间有一定的安全距离，不致于发生碰撞。

辅助钻井运动分析包含各种非线性因素，因此应在时域中进行，该分析与带系泊系统的单浮体时域计算分析情况类似，但也有其特点，在具体分析时应重点考虑如下方面：

(1) 计算工况的确定。定义计算工况时应在尽量减少计算负担的同时涵盖所有可能出现恶劣后果的情况，计算工况考虑环境方向的特点以及缆索完整和断裂的情形。

(2) 水动力模型。辅助钻井涉及两个浮体，面元划分应注意数目与精度的统一，各种缆索的非线性特征应输入模型，立柱及浮筒产生的水动力黏性效应考虑在内。

(3) 风载及流载算。包括辅助平台和TLP平台水面以上部分的风载荷的估算以及水下浮体的流载的估算。流载荷也可以通过Morison单元引入，但最可靠的应是模型试验数据，如有则可直接引用。

(4) 平衡位置。合理设置各缆索的预张力，使两平台在无环境力作用时处于设计预定位置，且六自由度上无静态位移。其中TLP平台的平衡位置即为其在位时的位置，回拉缆和连接缆提供水平力使其保持平衡。此刻，TLP平台的张力腿并不提供水平力；辅助平台在连接缆和其系泊系统的作用下保持平衡，并处于设定位置。

(5) 时历结果的后处理。计算后的数据量比较大，对数据结果的处理宜编制后处理程序以节省工作量。此外，对时域的极值结果应采用合适的极值预报方法来得到最终结果，作为工程应用的设计基础。

4.3 模型试验设计

为了验证和校核计算分析的结果，在工程项目中一般应进行辅助钻井设计的水池模型试验。

试验应在对目标海域特定的风浪流条件能进行准确模拟的海洋工程水池中进行。对于TLP这类生产平台，由于所在水域较深，因此宜采用有深水井的水池进行试验。对于无可升降底或即使有但水深仍明显不足的水池，需要对系泊系统进行截断和等效处理。

除对平台的加工制造进行要求外，辅助钻井时还涉及数量较多的多种缆索，这也给模型试验增加了一定难度。在模型试验中可以考虑对一些成组的缆索进行数量上的简化和等效处理。

此外，吊桥的行程是辅助钻井作业的重要参数之一，在水池模型试验中应进行测量。直接模拟和测量连接桥的行程(即连接桥部件之间的相对运动)存在较大难度，因此可以采用测量连接桥两端的相对运动来间接得到这一数据。

5 结 语

以半潜式平台作为辅助平台的辅助钻井作业模式是一种较新型的钻井技术，当生产平台为浮式平台时，此钻井作业过程中会出现双浮体互相耦合的运动，在各种缆索的共同约束下，其辅助钻井作业总体性能设计存在一定的难度。本文对辅助钻井这一钻井方式的总体技术进行了简要介绍，以TLP生产平台为例分析了辅助钻井总体性能设计时的一些关键性技术及基本要求。目前国内在这方面的设计尚属空白，希望本文能增加国内同行对辅助钻井领域工程应用及设计的了解。