自安装式钻机结构模块化技术研究

陈 实 邓 欣 陈田辉 李清明

（湛江南海西部石油勘察设计有限公司 湛江524057）

自安装式钻机结构模块化技术研究

陈 实 邓 欣 陈田辉 李清明

（湛江南海西部石油勘察设计有限公司 湛江524057）

在大型海上浮吊资源紧张的情况下，研究、设计出一种独特的钻机结构型式，使整台钻机仅借助于小吨位平台吊机就能顺利完成其海上自安装的过程。基于整体吊装的大模块钻机的结构型式，根据工艺流程、设备布置等原则对大模块进行“化整为零”式的拆分设计，拆分后的每一个模块都要满足结构强度、吊装能力限制以及小模块之间的连接强度的要求。崖城PFA钻机就采用这种小模块化的设计方法，规避了因浮吊资源紧张带来的项目实施风险，顺利完成了该钻机的海上自安装。

小模块化结构设计；GAP单元；连接强度设计；吊耳设计

引 言

崖城PFA项目7 000 m模块化钻机的自主设计及建造属国内首次。为减少对紧缺大型海上安装船舶的依赖，该模块钻机的所有海上安装工作依靠新增的两台吊机完成。通过项目各方的共同努力，本项目的模块钻机按计划顺利地安装在崖城13-1气田AWA平台上，并投入到后期的钻井作业中。

为实现模块钻机的快速自安装，该项目在总体规划、结构连接设计、海上运输及海上安装等方面应用和采取了大量的技术创新。这些技术创新为整个项目的顺利实施提供了保障，使整个项目顺利完成。该项目的创新对今后模块钻机的发展具有指导意义，使钻机模块的安装不依赖于大型海上安装船舶，同时为模块钻机的搬迁和再利用创造了良好条件。

1 模块钻机需求背景

崖城13-1气田位于南中国海莺歌海盆地，距海南省三亚市约100 km。该气田于1996年正式投产，早期仅有6口生产井。在中方接替英国石油公司（BP）在崖城13-1气田的作业后，特成立了中海石油（中国）有限公司崖城作业公司（以下简称“YOC”）对崖城13-1气田进行管理。香港中华电力公司是崖城13-1气田的最大用户，该公司在2007年初向YOC提出，要求崖城13-1气田向其下游电厂增加供气量，即所谓的加速提气，但条件是YOC必须通过钻井证实崖城13-1气田的地质储量足以保证按双方约定的最低供气量连接供气至2015年底。至2007年底，香港中华电力公司与YOC已原则上达成了加速提气协议。

根据国际、国内钻井船特别紧张的实际情况，YOC决定建造一座由小模块组装而成的平台钻机（以下简称“模块钻机”）取代常规的钻井船或钻井模块在AWA平台进行钻、完井。该模块钻机将采用自安装方法安装至崖城13-1气田AWA平台顶层甲板上用于该平台上4口生产井的钻、完井作业和数口现有生产井的修井作业。该模块钻机具有7000米钻井能力的典型平台钻机，设计、制造成基本自持、基本不依赖AWA平台或崖城13-1气田生产设施上的公用系统，则设计、制造成由较多模块组装而成的钻机模块。

2 崖城PFA模块钻机结构布局设计

崖城PFA模块钻机安装在崖城13-1气田AWA井口平台顶层甲板上，依据钻井工艺流程、设备布置方案、海上运输的外型尺寸与吊装能力限制等原则,自西向东，分别布置动力模块、散料储存橇、钻井设备模块、钻井支持模块为主的大小共136个分模块［1］（图1）。

动力模块主要包括发电机、应急发电机、柴油罐、钻井水罐、空压机橇、VFD房以及配电室等，保障作业期间的电力供应。

钻井设备模块主要包括滑动基座、固控设备、泥浆储存池、钻台和井架等。滑动基座由平台上甲板的两条滑轨支撑，使整个钻井设备模块能作南北方向移动。钻台和井架由滑动基座支撑，使其能在滑动基座上作东西方向移动。这样钻机就能覆盖南北向的5排和东西向的3排，共计15口井。

钻井支持模块主要包括高压泥浆泵、泥浆储存、混合及相关系统、管子堆场等，它与钻井设备模块之间采用拖链连接，为管线、电缆提供通道。新增的两台吊机的最终位置也位于该模块。

散料储存罐为钻井过程提供重晶石粉、膨润土粉和水泥灰。

图1 崖城PFA模块钻机总体布置方案

3 小模块化结构设计

结构设计是该项目的重点和难点，由于国内海洋工程界尚无此先例，因此结构设计者们立足于经典的力学理论，开拓思维、自主创新，高质量地完成了结构设计工作，并创造了架空设计、GAP单元虚拟连接技术、刚性连接设计等关键设计技术，保证了项目的顺利实施。

3.1 模块间的连接模拟［2］

崖城PFA模块钻机的结构设计与常规的海洋平台模块钻机不同，崖城PFA模块钻机由数个结构小模块堆叠而成，模块之间用销轴连接。要应用海洋平台结构设计软件SACS来计算，每个模块之间要模拟成铰接，需在模块之间建立虚拟杆件，释放其端头弯矩，使这些虚拟杆件只传递模块之间的力，而不传递弯矩，这样才符合销轴连接的实际情况。

如果垂直叠放的两个模块之间没有焊接，仅采用螺栓或销轴连接，那么要在适当的位置建立虚拟传力杆，一般设置在立柱和主梁端点之间。如果该位置没有真实的销轴存在，则该位置的虚拟构件应模拟成只承受压力的GAP单元（见图2）。

图2 结构GAP单元原理图

采用单元荷载与荷载因子的相互联系来假定非线性GAP单元。对于任何一个输出工况，GAP单元中的总力可分为初始单元力以及单元之间的荷载/荷载因子的相互关系，如式（1）所示：

假设GAP单元中的总力为0，以抵消子单元之间的相互作用。因此，对于单个子单元有：

上式以矩阵形式表示为：

即：｛P｝=-［A］-1｛Fo｝

采用GAP单元来模拟叠放结构之间的传力，能较准确地模拟模块钻机的整体结构受力情况。

3.2 框架式吊机底座的设计［3］

普通的海洋平台吊机通常采用立柱式底座，与平台一起整体建造。由于本项目需要添加两台分块式吊机，以满足海上安装的吊重限制，又因为安装顺序的需要，因此，吊机在临时位置采用了两条高2 m的组合梁作为支撑底座，而在永久位置采用两条高2.2 m的组合梁作为支撑底座。吊机的上下底座均采用框架式底座的设计。

采用ANSYS有限元分析软件，对吊机各方向操作荷载与风力荷载进行分析，确保吊机框架式底座的结构强度。底座模块与平台顶层甲板采用M42高强度螺栓连接设计，螺栓的强度满足其设计轴向荷载的要求。该设计可有效提高底座的强度和刚度，最大限度解决吊机底座在较大集中荷载作用下的强度和吊机顶部的水平位移问题。根据结构的受力特点，使用拼接组合梁，以达到合理利用材料、减重的目的；同时通过大量的整体与局部计算，以保障吊机操作的结构安全性。

图3 框架式吊机底座结构设计方案

3.3 模块刚性连接设计［4］

为方便海上安装，崖城PFA模块钻机各分块结构之间采用高强度螺栓或销轴的连接，并确保这些连接构件具有足够的强度，以维持整个模块的刚度与结构可靠性。

3.3.1 钻井水罐模块刚性连接设计

由于崖城原AWA平台顶层甲板西侧是整片铺板，并由小梁搭接在主梁上来支撑，为使该处动力模块的荷载都合理传递至平台大梁，因此，采用了刚度较大的型高2 m的工字梁作为动力模块的底座。利用其刚度较大且不易变形的特点，使荷载传递到平台主梁而不易造成小梁弯曲破坏。此外，该型高2 m的工字梁也作钻井水罐的罐壁，使模块布置更加紧凑、合理。

南北各有一个钻井水罐，之间的大梁采用螺栓刚性连接，从而保证型高2 m的工字梁刚度的连续性。同时两个水罐直接放置在平台甲板上，最大限度减少平台改造的工作。钻井水罐间的连接如图4所示。

3.3.2 转盘模块销轴连接设计

钻台的转盘分模块是直接承受钻井荷载的结构，它与钻台基座模块之间采用销轴连接，如图5所示。销轴连接虚拟杆件的受力情况见表1。

图4 钻井水罐刚性连接设计图

图5 转盘模块销轴连接设计图

表1 销轴连接虚拟杆件极端受力情况

销轴直径100 mm，材料 42 CrMo、σs≥930 MPa、σb≥ 1 080 MPa，简要计算过程如下：

● 步骤1

销轴截面面积Ap=πR2=3.14×52=78.5 cm2承受的剪应力

规范容许的剪应力

Fp=2×0.4σsAp=2×0.4×93×78.5=5 480 kN

因 fp＜Fp，故满足规范要求。

● 步骤2

连接钢板强度校核：

剪应力校核：fh1= fh2= fp=1 326 kN

弯曲应力校核：ph1= ph2= fp=1 326 kN

双连接板侧容许剪应力：双连接板侧容许弯曲应力：

Ph1=2×0.9σsAp1=2×0.9×35.5×10×5=3 195 kN

因fh1＜Fh1，ph1＜Ph1，故满足规范要求。

● 步骤3

单连接板侧容许剪应力：

单连接板侧容许弯曲应力：

因fh2＜Fh2，ph2＜Ph2，故满足规范要求。

● 步骤4

连接板截面强度设计要求：

面积A=693 cm2

平面内抗弯惯性矩Iyy=1 109 375 cm4

平面外抗弯惯性矩Izz=1 444 cm4

轴向压应力：

fa=511.4 / 693=0.74 kN/cm2

fa/0.6Fy+fby/0.66Fy=1.21/21.3 +0.74/23.43 = 0.53＜1.0，故组合应力校核满足规范要求。

剪应力校核：

V=sqrt(Fy2+Fz2)=237.08 kN

τ=237.08/67.50=3.51 kN/cm2＜0.4×35.5 =14.2 kN/cm2，满足规范要求。

3.4 钻井支持模块的架空设计

钻井支持模块下方与原平台的连接采用架空设计，模块下方两条高2.2 m的大梁和两条高2 m的大梁通过支墩连接到原平台的大梁上。使整个模块的受力合理传递到大梁上，保证了平台东侧的小梁安全及整体结构安全。

图6 钻井支持模块架空设计方案

钻井支撑模块上的设备荷载、堆管场荷载等等，均简化为点荷载或均布荷载施加在大梁上，并校核大梁端部截面在拉弯或压弯状态下的应力应变情况。并保证大梁的截面强度能够满足美国钢结构设计规范AISC所规定的抵抗翼缘失稳、腹板失稳、扭转失稳等各种校核条件。

对于原平台甲板大梁的理论计算，同样采用简支梁来模拟，在组块立柱的位置设置绞支座，假设甲板小梁承受了部分弯矩，根据钻井支撑模块实际产生的荷载进行组块大梁的校核。

3.5 小模块吊耳设计［5-6］

除了保证大梁与立柱的结构安全之外，还存在许多精心的细节设计。由于每个模块都必须在海上完成吊装作业，模块吊耳的设计尤为重要。由于每个模块的重心位置不一，使吊耳主板方向不能平行于吊绳。另外，模块之间的销轴的存在，以及模块上表面无法安置吊耳这个限制条件，给吊耳的合理布置造成一定难度。经过详细计算，较重模块（＞30 t）的吊耳都布置在模块的外侧，在其内侧特别设计了承力梁来抵御吊装时产生的扭矩。在吊耳布置受限的狭小空间特别设置了活动盖板，方便吊装时卸扣的拆装。

同时，为了保证吊装的平稳，对各模块的重心进行精确统计，结合各模块上的吊耳位置确定4根吊绳每一根的长度。通过精确控制和计算，最终保证了吊装的安全顺利进行。

4 结 论

崖城PFA自安装式模块钻机的成功实践，是国内第一个不依靠海上大型安装船舶成功实现海上安装的模块钻机项目。本项目的结构设计技术创新是项目成功的保障，也是贯穿整个项目的思路。

本项目创造性完成国内第一次小模块钻机结构设计，并成功通过劳氏船级社的第三方审查，也取得了一系列的结构设计成果与技术创新；在成为海洋工程界典范的同时，也为小模块钻机的健康发展铺平道路。

［1］《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程平台结构设计［M］.北京：石油工业出版社，2007．

［2］ ENGINEERING DYNAMIC INC. SACS Manual［M］. USA［s.n.］, 2002．

［3］ API SPEC 2C 6th edition. Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes ［S］. American Petroleum Institute, 2004.

［4］ API RP 2A 21st edition. Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress design ［S］. American Petroleum Institute, 2005.

［5］ Manual of STEEL CONSTRUCTION Allowable Stress Design ［S］. American Institute of Steel Construction, 1989.

［6］ 陈绍蕃.钢结构设计原理［M］.北京：科学出版社，2005．

Research of structural modular design for self-installed drilling rig

CHEN Shi DENG Xin CHEN Tian-hui LI Qing-ming
(NHWOC Zhanjiang Survey and Design Co., Ltd., Zhanjiang 524057, China)

Owing to a lack of floating crane resource, a special structural configuration of drilling rigs has been researched and designed to complete the successful self-installation of the whole drilling rig with platform crane of small tonnage. Based on the structural configuration of the modular drilling rig which can be lifted entirely, the whole modular is decomposed into parts according to the principle of process flow, equipment layout, etc. Each part should meet the structural strength requirement, limitation of lifting capacity and connecting the strength among small modular. YOC PFA drilling rig adopts this small modular design method to avoid the risk of project execution due to a lack of floating crane resource, and is successfully self-installed on the sea.

small modular structural design; GAP element; connector strength design; lifting padeye design

TE922

A

1001-9855（2014）02-0039-06

2013-06-27；

2013-08-06

陈 实（1982-），男，工程师，从事海洋工程结构物设计与评估。邓 欣（1975-），男，高级工程师，从事海洋工程设计与评估。陈田辉（1980-），男，工程师，从事海洋工程设计与评估。李清明（1983-），男，工程师，从事海洋工程设计与评估。