3000m水深半潛式鉆井平臺關鍵技術綜述

千里之行，始于足下。第2頁/共2頁精品文檔推薦3000m水深半潛式鉆井平臺關鍵技術綜述3000m水深半潛式鉆井平臺關鍵技術綜述

謝彬王世圣馮瑋付英軍

（中海石油研究中心）

摘要：深水半潛式鉆井平臺是深水油氣田開辟的要緊裝備之一，它的研制涉及到多項關鍵技術，要緊包括：總體設計技術、系統(tǒng)集成技術、平臺定位技術、總體性能分析技術、結構強度與疲勞壽命分析技術、以及平臺建筑技術、深水模型試驗技術等，本文概述了深半潛式鉆井平臺關鍵技術與相關的關鍵技術難點，可以幫助有關技術人員對深水半潛式鉆井平臺關鍵技術有一具全面的了解。

關鍵詞：深水半潛式鉆井平臺；關鍵技術；總體設計；系統(tǒng)集成；計算分析

SummariesonKeyTechnologyofthe3000mDeepwater

Semi-submersibleDrillingRig

XIEBin，WANGShisheng，F(xiàn)ENGWei，F(xiàn)UYingjun

（CNOOCResearchCenter）

Abstract:Deepwatersemi-submersibledrillingrigoneofkindsofmainequipmentsinexploitationofdeepwateroilandgasfield.Itsdevelopmentwilldealwithmanyofkeytechnologies.Theymainlyincludethemacrodesignsystemintegration,locationkeeping,calculationandanalysisofmacrocharacteristic,analysisofstructureandfatiguestrengthandmanufacturing,modeltest.Thispapersummarizeskeytechnologiesandpointsfordeepwatersemi-submersibledrillingrig,andcanassistrelationaltechnicianbyunderstandingintheroundthekeytechnologyofdeepwatersemisubmersibledrillingrig.

KeyWords:Deepwatersemi-submersibledrillingrig,Keytechnology,Macrodesign,Systemintegration,Calculationandanalysis

1前言

海上深水油氣田的開辟依靠深水海洋工程裝備，3000m深水半潛式鉆井平臺是實施海上深水油氣田開辟必備裝備之一。我國南海蘊藏著豐富的油氣資源，目前在我國南海深水已有了重大的油氣發(fā)覺。為提高我國深水油氣的開辟能力，開展深水半潛式鉆井平臺的研究和開辟是很有必要的。

幾十年來，世界上海洋工程技術裝備向來在進展，隨著向深海進軍，海洋工程技術裝備更是趨向大型化，更注重其安全性與經(jīng)濟性。一些造船大國在建筑高技術、高性能船舶的并且，同步開辟并建筑海洋工程技術裝備，多種類型的深海鉆井平臺，擁有量越來越多，設計與建筑水平也越來越高。目前，國外海洋油氣鉆探與開采裝置已由原先10～25m水深的座底式鉆井平臺進展到當今的水深3000m的深水半潛式鉆井

作者簡介：謝彬，中海油石油研究中心深水工程重點實驗室副主任。

平臺。

半潛式鉆井平臺作為一種可重復使用的挪移式鉆井裝置，以其性能優(yōu)良、抗風浪能力強、甲板面積和裝載量大、習慣水深范圍大等優(yōu)點成為國外研究的熱點之一，它將是今后數(shù)十年海上石油勘探鉆井最具有進展前途的設備。隨著水深越大，離岸越遠，該型平臺更能充分顯示其優(yōu)越性。所以，半潛式鉆井平臺被稱譽為21世紀海洋開辟最關鍵的設備，其在浮式海洋石油鉆井裝置中所占的比率也越來越高。相關的統(tǒng)計還表明：世界上目前正在使用的鉆井平臺約為580座，其中自升式鉆井平臺380座，半潛式鉆井平臺160座，鉆井船40艘。這些平臺大部分是20世紀80年代建筑。目前最新型的第六代深水半潛式鉆井平臺工作水深已超過3000m，鉆井深度為9000～12000m，甲板可變載荷為7000～10000t，而且作業(yè)自動化、智能化程度高，同時配備動力定位、雙井架系統(tǒng)等先進設備，可以勝任在惡劣的海洋環(huán)境條件下別間斷的鉆探工作。

由于深水半潛式鉆井平臺設計、建筑的技術和資金的密集，目前世界上僅少數(shù)國家，如美國、瑞典、荷蘭和挪威等國，具有設計、建筑深水半潛式鉆井平臺的能力。我國目前尚沒有深海平臺的應用，其中導管架平臺的應用僅限于200m水深以內(nèi)，設計建筑過300m水深以內(nèi)的第二代的半潛式鉆井平臺。大連造船新廠建筑了Bingo9000半潛式鉆井平臺主體結構，但要緊技術與圖紙是從國外引進的。

我國深水油氣田開辟的處于前期勘探階段，受深水鉆井裝備的限制進展速度較慢。要加速進展我國深水油氣田的開辟，就必須充分汲取和消化國外深水半潛式鉆井平臺關鍵技術，借鑒深水半潛式鉆井平臺設計、創(chuàng)造等方面國外成功的經(jīng)驗，在此基礎上研制習慣我國深水油氣田環(huán)境的半潛式鉆井平臺。為此，中海油聯(lián)合國內(nèi)知名高校和院、所，首先研究了目前在國外比較流行的幾種深水半潛式鉆井平臺，對深水半潛式鉆井平臺設計和建筑的關鍵技術和難點舉行了研究和探討，為申請和開展國家863項目“深水半潛式鉆井平臺關鍵技術”打下一具良好的基礎。由中海石油研究中心牽頭的國家863項目組集合了國內(nèi)知名高校和院、所的優(yōu)勢研究資源，基于前期的研究成果，分專題對深水半潛式鉆井平臺關鍵技術舉行了研究和攻關。通過一年多的研究實踐獲得了許多有價值的成果，也對深水半潛式鉆井平臺設計和建筑的要解決關鍵技術咨詢題和技術難點有了更加深入的認識。依照深水半潛式鉆井平臺設計和建筑的要求，深水半潛式鉆井平臺關鍵技術要緊涉及到以下幾個方面：總體設計技術；系統(tǒng)集成技術；平臺定位技術；總體性能分析技術；結構強度與疲勞壽命分析技術；以及平臺建筑技術、模型試驗技術等。

2總體設計技術

總體設計是對深水半潛式鉆井平臺的綜合性規(guī)劃，是一具很重要的時期，該時期的工作基本確定了平臺的各項性能指標、要緊功能和總費用。所涉及到的關鍵技術要緊有：設計標準的選用；海洋環(huán)境條件和海洋工程地質條件的分析和研究，以確立平臺自存、操作和連接工況的設計環(huán)境條件；平臺要緊功能、要緊性能指標和要緊設備參數(shù)的論證和確定；平臺遠離基岸作業(yè)需要更大甲板空間和可變載荷，最大的可變載荷的論證確定；平臺定位和錨泊形式的挑選與研究確定；要緊設備配置方案的擬定等。

平臺總體方案設計在總體設計中占有較大的重量，是深水半潛式鉆井平臺設計必須解決關鍵技術之一，在總體方案設計中要確定平臺的船型與主尺度、結構形式和總布置，其中平臺的總布置涉及到平臺各系統(tǒng)設計的方方面面，是一具工藝流程確立、功能區(qū)塊劃分、系統(tǒng)布置規(guī)劃、設備參數(shù)降實、結構設計協(xié)調(diào)等綜合設計過程。平臺的總布置作為深水半潛式鉆井平臺要解決的關鍵技術涵蓋多個關鍵技術點，如可變載荷的分類與布置、雙井架系統(tǒng)、隔水管存放方式、機艙數(shù)目與布置等。

總體設計確立了深水半潛式鉆井平臺的諸項設計目標，各項目標的實現(xiàn)要經(jīng)過深入的研究，采納計算分析、模型實驗和對照研究等技術手段，去解決各個相關的關鍵技術咨詢題，以達到總體設計的最后要求。

3系統(tǒng)集成技術

系統(tǒng)集成技術是將深水半潛式鉆井平臺的各個獨立的系統(tǒng)集成到相互關聯(lián)，統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，成為一具整體，使它們可以精確、高效的發(fā)揮作用，并且也便于統(tǒng)一的操縱與治理。按照系統(tǒng)的功能整個深水半潛式鉆井平臺系統(tǒng)能夠劃分為五大系統(tǒng)：鉆井系統(tǒng)、公用電力和電站系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)、壓載系

統(tǒng)、安全和防護系統(tǒng)，其中各大系統(tǒng)又有多個子系統(tǒng)構成。系統(tǒng)集成需要解決各系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)與互操作，各類設備、子系統(tǒng)間的接口，以及多廠商、多協(xié)議和面向各種應用的體系結構等咨詢題。系統(tǒng)集成技術所涉及到的關鍵技術要緊有：鉆井系統(tǒng)集成技術、公用電力和電站系統(tǒng)集成技術、動力定位系統(tǒng)集成技術、壓載系統(tǒng)集成技術、安全和防護系統(tǒng)集成技術。

鉆井系統(tǒng)集成是對8個關鍵子系統(tǒng)舉行集成設計并優(yōu)化，以滿腳深水半潛式鉆井作業(yè)流程的需求。八個關鍵子系統(tǒng)包括：鉆井模塊系統(tǒng)、管材處理系統(tǒng)、BOP與采油樹處理系統(tǒng)、升沉運動補償系統(tǒng)、水下器具系統(tǒng)、高低壓泥漿系統(tǒng)、泥漿配置及凈化系統(tǒng)、泥漿材料存儲及輸送系統(tǒng)。鉆井系統(tǒng)集成要求在有限的甲板面積和空間內(nèi)，按照鉆井工藝流程完成所有設備的優(yōu)化布置，并實現(xiàn)自動高效的鉆井作業(yè)。所包含的關鍵技術要緊有：作業(yè)流程優(yōu)化技術、鉆井系統(tǒng)設備和水下設備優(yōu)化配置技術、管匯系統(tǒng)優(yōu)化布置技術、管材處理自動化技術、高效、安全的BOP與采油樹處理技術、鉆井管柱的升沉運動補償技術、水下器具設計與BOP操縱技術、高低壓泥漿系統(tǒng)設備配置與泥漿存儲、輸送、分配技術、泥漿配置與凈化系統(tǒng)的集成設計技術、泥漿材料存儲及輸送系統(tǒng)集成技術。其中鉆井管柱的升沉運動補償技術是一具技術難點，要經(jīng)過計算分析來挑選合適補償裝置，以保證鉆井作業(yè)的安全。

公用電力和電站系統(tǒng)集成是對半潛式鉆井平臺公用電力和電站系統(tǒng)的設備舉行合理配置，以及系統(tǒng)的布置優(yōu)化，并舉行相關輔助系統(tǒng)的集成設計。要緊關鍵技術有：半潛式鉆井平臺電站配置技術，該技術能保證在最惡劣的事情使用六臺發(fā)電機滿腳DP3的要求；動力裝置、配電板設備選型技術、電站系統(tǒng)的布置技術。經(jīng)過對公用電力和電站系統(tǒng)集成技術的研究，實現(xiàn)半潛式鉆井平臺公用電力和電站系統(tǒng)的一體化集成設計和優(yōu)化。

DP-3動力定位系統(tǒng)集成是對動力定位操縱系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)冗余和推進操縱器系統(tǒng)的一體化集成設計和優(yōu)化。動力定位操縱系統(tǒng)接收計算機依照平臺的數(shù)學模型和姿態(tài)操縱輸出操縱信號，進而操作全回轉推進器克服環(huán)境變化的力量，使平臺保持選定的航向和位置。依照IMODP-3的要求，動力定位系統(tǒng)冗余設計有冗余的主DP系統(tǒng)和非冗余的后備DP系統(tǒng)，并配有手動的單手柄操作系統(tǒng)。推進操縱器系統(tǒng)的設計可獨立手動操作每一臺全回轉推進器，也可同意來自DP的操縱信號實現(xiàn)對推進器的自動操縱。DP-3動力定位系統(tǒng)將三個子系統(tǒng)集成在一起完成平臺位置操縱，并具有動力定位系統(tǒng)冗余，使平臺的定位實現(xiàn)了高效、自動和安全。DP-3動力定位系統(tǒng)關鍵技術包括：動力定位操縱系統(tǒng)集成與設備配置技術、動力定位系統(tǒng)冗余集成與設備配置技術、推進操縱器系統(tǒng)集成與設備配置技術、動力定位能力分析技術。動力定位能力分析技術是DP-3動力定位系統(tǒng)集成的基礎。

壓載系統(tǒng)集成是經(jīng)過平臺壓載工況的壓載配置研究與計算分析，舉行壓載系統(tǒng)的配置，以及系統(tǒng)和布置的優(yōu)化設計和集成。壓載系統(tǒng)集成要解決的關鍵技術咨詢題包括：平臺各種工況的壓載配置、壓載水艙的優(yōu)化布置、壓載系統(tǒng)優(yōu)化、壓載系統(tǒng)的規(guī)范化設計、壓載泵及相關設備的配置選型、壓載泵艙的布置優(yōu)化、壓載系統(tǒng)計算分析技術。半潛式鉆井平臺的沉浮作業(yè)與壓載調(diào)平要經(jīng)過壓載系統(tǒng)來完成，它關系到平臺功能實現(xiàn)和平臺安全。所以，壓載系統(tǒng)的集成技術與其它集成技術同樣重要。

安全和防護系統(tǒng)由集成中央操縱系統(tǒng)、功率治理系統(tǒng)(PMS)、平臺監(jiān)控系統(tǒng)(VMS)、安全關斷系統(tǒng)包括：火氣探測系統(tǒng)(F&G)和應急關斷系統(tǒng)(ESD)、隔水管監(jiān)視系統(tǒng)、鉆井監(jiān)控系統(tǒng)構成。其中集成中央操縱系統(tǒng)是一具模塊化的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對平臺各要緊系統(tǒng)運行狀態(tài)的集中監(jiān)視，并依照需要實施必要的操縱。功率治理系統(tǒng)(PMS)用于實現(xiàn)對平臺主電站的自動操縱自動起動備用機組、自動并車、負荷分配、優(yōu)先卸載以及重載詢咨詢功能，并與動力定位系統(tǒng)緊密配合，既確保能提供腳夠的電力滿腳動力定位的需求，又操縱全船負荷以幸免主電站過載而導致電網(wǎng)失效、解列。平臺監(jiān)控系統(tǒng)(VMS)對平臺各要緊機械系統(tǒng)、平臺姿態(tài)、HVAC、電力系統(tǒng)等舉行監(jiān)控，在浮現(xiàn)各類非正常事情或故障時舉行報警，并依照需要對重要設備和閥門舉行遙控操作。安全關斷系統(tǒng)經(jīng)過火氣探測系統(tǒng)(F&G)對火災或氣體泄漏的報警和確認，并依照預設的邏輯執(zhí)行風閘、防火門的關閉，啟動消防系統(tǒng)等，應急關斷系統(tǒng)(ESD)可手動和自動執(zhí)行對平臺各級關斷，隔離和限制各類災難以愛護人員、維護平臺安全。隔水管監(jiān)視系統(tǒng)在鉆井時監(jiān)視隔水管的張力、相對平臺的夾角等參數(shù)，依照需要監(jiān)視隔水管在水下的形狀，給出超限報警以保障鉆井作業(yè)的安全將上述信息傳給DP系統(tǒng)，作為DP操縱的輸入?yún)?shù)。鉆井監(jiān)控系統(tǒng)對鉆井工藝系統(tǒng)各參數(shù)舉行監(jiān)視，

可對必要的設備舉行自動或手動操縱，以保障鉆井系統(tǒng)的正常運行。該系統(tǒng)通常相對獨立，由鉆井設備廠商成套提供。安全和防護系統(tǒng)是利用計算機網(wǎng)絡技術建立各系統(tǒng)之間的聯(lián)系，經(jīng)過信息搜集、邏輯推斷、指令輸出與接收實現(xiàn)對各系統(tǒng)的操縱與治理。安全和防護系統(tǒng)集成所涉及的要緊關鍵技術包括：信息處理技術、各執(zhí)行系統(tǒng)的監(jiān)控技術、系統(tǒng)軟硬件的配置技術等。

4平臺定位技術

深水半潛式鉆井平臺的定位方式包括錨泊定位、動力定位和組合定位三種方式。在別同的環(huán)境條件和水深下，合理挑選定位方式關于平臺的位移操縱和落低燃油消耗起決定性作用。平臺的定位方式的挑選是建立在平臺定位能力分析的基礎上，經(jīng)過定位能力分析，能夠確定錨泊與動力定位組合的適用水深及平衡點，錨泊定位與動力定位所需要的環(huán)境條件，以及錨泊定位與動力定位設備的選型與配置。平臺定位所涉及的關鍵技術包括：錨泊定位、動力定位和組合定位水深習慣性和經(jīng)濟性分析技術，三種定位方式所需系統(tǒng)的設計技術，以及平臺定位系統(tǒng)等效模擬技術。

5總體性能分析技術

總體性能分析是對深水半潛式鉆井平臺的水動力性能與運動性能舉行預報，采納數(shù)值模擬的辦法，計算平臺在別同裝載條件和海況條件下，平臺的固有運動周期、最大短期運動響應幅值、氣隙等，經(jīng)過對計算結果的分析對平臺總體性能是否能達到設計要求做出推斷。為獲得較為準確的計算結果，思考到平臺系統(tǒng)是一具系統(tǒng)，以及二階波紋力的妨礙，還要舉行平臺系統(tǒng)的非線性耦合分析。目前，某些船級社已開辟出舉行非線性耦合分析的軟件，如挪威船級社的DeepC，法國BV船級社的HydroSTAR，但由于妨礙參數(shù)的選取因素眾多，計算結果雖能達到一定精度，但仍然有許多沒有解決的咨詢題。深水半潛式鉆井平臺總體性能的分析要進一步獲得準確的結果還要解決以下難點：在風、浪、流聯(lián)合作用下，系泊、立管與浮體的耦合效應；二階波紋力的計算與低頻慢漂運動的預報；各種非線性因素對平臺運動與載荷響應貢獻的比較；非線性水動力計算數(shù)值的穩(wěn)定性分析、立管渦激振動特性與抑制等。

6結構強度與疲勞壽命分析技術

結構強度與疲勞壽命分析是應用數(shù)值分析的辦法，思考別同的載荷組合工況，對深水半潛式鉆井平臺舉行結構應力分析與疲勞壽命分析，并按照規(guī)范對平臺結構強度和疲勞壽命舉行校核。立管屬細長構件，它們的損傷機理與浮體結構有比較明顯的差異。所以，結構強度和疲勞壽命分析辦法也別同。

結構強度分析所涉及的要緊關鍵技術有：波紋載荷的傳遞技術、總體結構建模技術、子模型結構分析技術、強度評估的規(guī)范習慣性分析。平臺結構疲勞強度分析基于疲勞苦積損傷原理，在此基礎上產(chǎn)生了各種疲勞分析辦法，如全概率疲勞壽命計算辦法、譜疲勞分析辦法等。理論上采納別同的疲勞壽命分析辦法應當獲得相同的結果，然而往往所得到差異較大的計算結果，這也許與熱點的選取以及應力傳遞函數(shù)的計算精度關系非常大。所以，要獲得較為準確疲勞壽命計算結果必須要解