崖城13-1PFA小撬块组合式模块钻机结构设计

高建新，张 霖，张金磊

（中海油能源发展股份有限公司油田建设工程分公司，天津 300452）

崖城13-1PFA小撬块组合式模块钻机结构设计

高建新，张 霖，张金磊

（中海油能源发展股份有限公司油田建设工程分公司，天津 300452）

崖城13-1PFA模块钻机是“小撬块、组合式”海洋模块钻机，其各功能模块由许多小撬块组成，各小模块之间通过销轴或螺栓连接。对崖城模块钻机的DES模块、PM模块和DSM模块进行有限元分析，重点对该钻机与常规模块钻机进行对比，总结了小撬块、组合式钻机的结构型式与特点。该模块钻机每个撬块可以利用平台上新增的吊机进行海上安装，极大地降低了海上施工费用，避免了对大型浮吊的依赖。

海洋钻机；模块化组装；小撬块；结构

崖城PFA气田位于南海莺歌海海域内，已开发的生产设施包括APD处理平台、AWA井口平台和SRP生活平台。该气田所处水深约90 m。

为了提高油田的生产能力，拟在AWA井口平台甲板上安装1台ZJ70／4500型模块钻机，利用模块钻机在剩余的3个井槽内钻3口生产井，同时在原生产井内钻1口侧钻井，其设计年限为25 a。

鉴于海上施工资源的限制，大型浮吊协调难度较大。为尽早实现油田增产，将油田储量变为产量，需尽快实现模块钻机就位。因此，在没有大型浮吊进行海上施工的前提下，如何将模块钻机吊装至崖城AWA井口平台成为项目难点。为了实现模块钻机就位，结合近几年积累的常规钻机设计经验，通过反复对比分析，最终选择将钻机各功能模块“化整为零”［1-4］，即将各模块划分为质量较小的撬块，利用平台现有吊机对新增的2台40 t撬块式吊机进行预安装，然后利用新增吊机将模块钻机上的各个小撬块吊装就位。平台全景和井口位置如图1～2所示。

图1 平台全景

图2 井口位置

1 项目概况

崖城13-1PFA模块钻机是中国海洋石油总公司自主研发设计的第1个“小撬块、组合式”海洋模块钻机项目。该钻机的主要特点是各功能模块由许多小撬块组成，各小模块之间通过销轴或螺栓进行连接，可利用预安装到平台上的40 t吊机对其进行安装。

该钻机将完成以下作业：

1） 沿井口区横向和纵向移动，覆盖所有井槽。

2） 在平台上的预留井槽钻调整井并完井。

3） 后期生产井的大修和各种小修作业。

4） 满足后期油藏开发需求，在老井眼里进行侧钻及其完井作业。

5） 考虑可以搬迁到Y13-1B平台上进行钻完井作业。

崖城13-1PFA模块钻机的主要功能模块与常规钻机相同，由DES模块（Drilling Equipment set）、DSM模块（Drilling Support Module）、PM模块（Power Module）和P-TANK模块组成，其立面布置如图3所示。

图3 崖城模块钻机立面布置

该模块钻机的主要技术参数如表1。

表1 平台钻机主要设备及参数

2 结构设计

2.1 DES模块

DES模块由下滑移底座、可移动的钻台面及井架组成。下滑移底座通过8个支点坐落在平台顶层甲板的滑轨上方，钻台面通过8个支点坐落在下滑移底座的4条滑道梁上。整个DES模块沿平台的南北方向移动，钻台面沿平台的东西方向移动，可实现对平台上每一口井的钻修井作业。

应用SACS软件分别对井架、钻台面和下移动底座建立有限元模型，根据不同的设计井位，选用分模型进行组合，对在位和地震2种工况进行整体分析［5］。该钻机采用小撬块式的设计思路，故需应用SACS软件对各小撬块进行吊装分析，确保每个小撬块的结构强度满足要求。DES模块的三维模型如图4。

图4 DES模块三维结构模型

DES模块结构构件最大名义应力比如表2～3。

表2 下滑移结构构件最大名义应力比

表3 可移动钻台结构构件最大名义应力比

2.2 PM模块

PM模块位于平台顶层甲板西侧，共3层，底层设有2个钻井水箱，中间设有发电机房、空气压缩机房及日用柴油罐房等，顶层设有VFD房，变压器间及办公室等，另外，柴油罐及应急发电机房直接坐落于甲板上方。

PM模块结构设计应用SACS软件建立整体有限元模型，对在位和地震2种工况进行整体分析［5］。PM模块的三维模型模型如图5。

图5 PM模块三维结构模型

PM模块结构构件最大名义应力比如表4。

表4 PM模块结构构件最大名义应力比

2.3 DSM模块

DSM模块位于平台甲板东侧，共3层，底层设有泥浆泵房、泥浆罐、机油罐等，中层设有散料堆场、机修间、工具间等，顶层设为管子堆场。

DSM模块结构设计应用SACS软件建立整体有限元模型，对在位和地震2种工况进行整体分析［5］。DSM模块的三维模型如图6。DSM模块结构构件最大名义应力比如表5。

图6 DSM模块三维结构模型

表5 DSM模块结构构件最大名义应力比

3 结构特点

崖城小撬块、组合式模块钻机的结构设计符合API、AISC、CCS和ABS规范，同时借鉴PL19-3组合型钻机的结构型式，其主要特点如下。

1） 钻机采用撬块化设计。

由于钻机采用平台吊机的吊装安装形式，根据平台现有吊机和新增吊机的实际起重能力，需将钻机各功能模块划分为若干个小撬块，每个小撬块的质量不宜超过40 t，以满足吊装要求。为保证撬块的质量不超过吊机的最大吊重，撬块的分块方案尤为重要。

2） 钻机采用框架式的结构型式。

钻机主要采用热轧H型钢及空心方管作为主体结构。由于质量的限制，在结构设计过程中需优化结构的选材，同时要保证钻机具有足够的强度，以满足作业期间的需求。采用框架结构型式可以有效地降低结构质量。

3） 钻机各撬块的连接形式多样。

钻机采用模块化的设计要求，撬块之间的连接节点设计区别于常规钻机，即每个小撬块之间主要采用销轴和螺栓2种连接方式。采用这2种连接方式可以快捷、高效地完成现场组装。

4） 钻机海上安装费用低。

钻机在海上安装过程中采用平台吊机的安装形式，故不需动用大型的浮吊及驳船，仅需要利用较大型的拖轮负责运输各撬块，这样可以有效地降低海上安装费用。

4 减轻结构质量措施

模块质量控制是崖城小撬块、组合式模块钻机结构设计的主要控制因素。由于崖城13-1AWA井口平台为老平台，模块钻机的质量受限于平台的承载能力，同时钻机采用平台吊机的安装方式，故对每个撬块的质量需要严格地进行控制。在设计初始阶段，根据提供的平台吊机及新增吊机的实际起重能力，对钻机各功能模块开展分块方案，以确保项目顺利实施。

崖城钻机结构设计采用的轻量化措施主要包括：

1） 根据模块钻机的总体布置要求，对各撬块的结构型式进行合理的优化。尽可能使杆件在各种受力状态下都能发挥较大的作用，结构尽量对称。

2） 对主体结构的选材，为减轻结构质量应尽量少选用单重较大的宽翼缘H型钢，在适当的位置应尽量减小构件的规格。但关键部位（如吊耳，基座，大型设备及主要节点等部位）应保证具备足够的强度。

3） 利用X-STEEL三维软件对模块钻机建立精确的结构模型，模型尽量做到准确、完整，以准确地控制结构质量。

4） 在设计过程中，各专业应互相协作，提供较为准确的设备质量。如果撬块的质量超出预期的数值，将导致项目无法顺利实施。

5 与常规钻机进行对比

截至目前，海洋石油模块钻机设计水平已经有了很大的提高，从已经服役的各种钻机中分析，不难得出，钻机主要分为以下2种：

1） 常规钻机。

常规钻机是目前中海油所有海洋模块钻机项目中使用最广泛的类型。常规钻机各功能模块部分的划分非常明确，结构型式独立，模块之间通过拖链、软管连接，整体性较好。常规钻机往往采用海上整体吊装，可以减少海上安装的周期，但因模块的整体质量较大，需动用大型浮吊和众多支持船来完成海上吊装作业，海上安装费用较高。如果需要利用大型浮吊，需要提前锁定船舶资源。

在这类钻机中，以番禺30-1模块钻机、西江23-1模块钻机、旅大5-2模块钻机、渤中28-2南模块钻机、陆丰13-2模块钻机最具代表性。如图7～10所示。

图7 旅大5-2模块钻机

图8 番禺30-1模块钻机

图9 西江23-1模块钻机

图10 渤中28-2南模块钻机

2） 小撬块式、组合型钻机。

该钻机的主要特点是由多个小撬块组装而成，各小模块之间通过销轴和螺栓等进行连接，组成DES、DSM和PM等几大功能模块，其结构型式比较紧凑，空间利用率较高。海上安装时可利用平台吊机和海上支持船完成海上安装作业，无需动用大型浮吊，大幅降低了海上安装费用，但此类钻机的安装周期较长。此类钻机以崖城13-1MPDR模块钻机和蓬莱19-3修井机最具代表性。如图11～12。

图11 崖城13-1模块钻机

图12 蓬莱19-3修井机

6 结语

小撬块式、组合型钻机虽然在建造和安装阶段存在精度控制问题，但相对于常规钻机，它具有独特的优势，例如：缩短了模块建造周期，各撬块可同时施工；避免动用大型的浮吊，不受船舶资源短缺的影响，进而节省了现场建造时间并降低了施工成本。此外，该型式钻机还可以实现平台间的搬迁，满足重复利用要求，可以作为今后钻机研究的新方向。

［1］冯定，杨志远，周魁．轻型可搬迁海洋钻机模块划分方案研究［J］．石油矿场机械，2010，39（2）：46-47．

［2］王洪芳，姚志义，冯少明．组合型钻修井模块建造技术［J］．中国海上油气，2010．22（6）：409-412．

［3］王长军．崖城PFA小撬块式模块钻机总体方案设计［J］．石油矿场机械，2011，40（1）：61-62．

［4］张建勇，王宁，胡泽刚，等．7000m海洋模块钻机滑轨结构优化设计［J］．石油矿场机械，2012，41（6）：30-33．

［5］关德，刘孔忠．某海洋钻井井架振动测试及有限元分析［J］．石油矿场机械，2012，41（8）：50-54．

Structure Design of Compact Rig Module in Yacheng 13-1PFA

GAO Jian-xin，ZHANG Lin，ZHANG Jin-lei
（Energy Technology&Services-Oilfield Construction Engineering Co．，CNOOC，Tianjin 300452，China）

marine drilling rig；modular assembling；compact module；structure

TE922

A

1001-3482（2014）01-0029-05

2013-07-01

高建新（1982-），男，天津人，工程师，主要从事海洋工程结构设计工作，E-mail：gaojx＠cnooc．com．cn。

Abstract：The compact offshore rig module in Yancheng 13-1PFA features for its small size modules combined compact with pins and bolts connection．An infinite element analysis was carried out for its DES module，PM module and DSM module．The comparison between the new and conventional ones and conclusion of its structure and feature were carried out as well．The module features for its compact size to be installed with existing lifter to save installation cost and avoiding the dependent of floating lifter．