海洋平台钻井系统的特殊性设计

韩明良，滕瑶，王海冰，邵会良，丁晓冬

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264000）

0 引言

随着陆上油气资源的日益枯竭，我国将加强深海水域的开发力度。在中央制定的“深海”战略下，“装备先行”成为中国开发南海的必然选择。目前，我国的海洋工程装备制造业产业规模约为300亿元人民币，约占世界市场份额的7%[1]，虽在环渤海地区、长三角地区及珠三角地区初步形成了具有一定聚集度的海工装备产业区，但是在深海方面，中国海工装备企业的研发、设计水平与欧美国家相比还有较大差距，即使在最为擅长的制造环节，与韩国、新加坡等亚洲制造强国相比也处于弱势。因此，我国急需突破深水关键技术，大力发展以海上油气为代表的海上矿产资源开发关键装备（如海洋钻井平台等）。

海洋工程的关键设备是海洋钻井平台，海洋钻井平台是海洋工程的最尖端技术设备。海洋钻井平台实质上包括三部分：船舶部分、定位部分和钻井部分。由于造船工程师对钻井部分还相对陌生，本文从最初的陆地钻井设备开始，逐步介绍海洋钻井与陆地钻井的差异并以实例分析海洋钻井平台的特殊性设计。

1 陆地钻井[2]

目前，常规的陆地钻井（图1）主要采用旋转钻井方法，其主要工作原理是：利用钻头旋转破碎岩石，形成井身；利用钻柱将钻头送到井底；利用起升设备起下钻柱；利用转盘或井下动力钻具带动钻柱和钻头旋转；利用泥浆泵循环钻井液带出井底岩屑。陆地钻井与海洋钻井的相同点如表1所示。

表1 陆地钻井与海洋钻井的比较

2 海上钻井和相关D90参数

虽然常规的海上钻井设备与陆地钻井设备在原理上有共同之处，但海上钻井也有其特殊性。本文选用以D90为参考船型，该船是烟台中集来福士海洋工程有限公司交付的第二艘海洋钻井平台，基本参数如表2所示。

表2 D90基本参数

本文以该船型为例来介绍相关设备的设计原理。

1）顶部驱动钻井。顶部驱动钻井多为海洋钻井平台采用，这套设备被称为顶驱系统，不再使用陆地用的方钻杆，而都采用相同钻杆。海上钻井亦设有转盘，该平台既可顺时针也可逆时针旋转，旋转平台由两台液压泵驱动，每台扭矩为46kNm，转速为0r/min～20r/min。该平台也可提供导向，在更换钻杆时起支撑作用。一般设置高防爆的司钻房实现人员就地控制；D90上的顶驱系统选用液压驱动，型号为DDM1000 HY-RR。

2）海上钻井平台由于需要隔离海水所以管路比陆地多了riser隔水管等，钻杆和泥浆系统都通过riser管以达到与海水的分离，海水越深隔水管越多也就越重，为减轻重量通常隔水管外面包上厚厚的泡沫塑料以增大水中的浮力；由于平台空间有限所以管路储放采取了平放和立放多种形式，为减轻操作工人的劳动强度，操作系统一般都采用自动和半自动系统；D90采用两套管路操作用桥式起重机，起重能力11吨，配合其他机械手等组成半自动操作系统。

3）海上的防井喷装置BOP和采油树一般都设计在海底这与陆地不同，BOP的控制系统一般采用液压控制，但与陆地不同是液压流体不是液压油，而是乙二醇水溶液，一来防止海洋污染二来有很好的抗冻性，因为越往海底温度越低；另外因为BOP和采油树比较庞大所以另外还有一套为他们设计的操作吊车系统；D90采用的BOP吊车2X140吨。

4）平台上空间狭小，防爆要求高，所以一般安装两套燃烧臂系统；D90上的燃烧臂长84ft，带燃烧头和相关管路系统，通过交联链接分布艉部左右；

5）为了防止平台的上下移动导致钻动力量不均可能引起的过载和空载，平台特采用了一套钻杆补偿系统，为保持大的动态补偿一般采用气动控制，主汽缸中的气体压缩或膨胀相当于一个大的弹簧，而天车和大钩基本保持不动来实现平台的升降补偿；

6）为了防止隔水管RISER垂直方向移动导致的断裂，平台一般设计有一套RISER隔水管张紧系统，这套系统根据采集的平台运动状态和预期补偿使隔水管的偏移在一个允许的范围内；D90上采用6套张紧器，每套额定张紧力242吨，气动控制。

图1 陆地钻井

图2 JBF14000钻井平台

7）海洋的环境与陆地是不一样的，半潜式的钻井平台是浮在水面不是站在海底。海上的工况复杂，大风大浪的，由于水深太深也无法用锚泊定位，即我们没法把它固定在一个地点；既然不能绝对固定只好考虑相对固定，所以为了防止平台的水平面在一定范围内移位一般平台都采用DP2到3的自动定位系统；D90采用DP3控制系统，关于这方面的内容请参考我在《造船技术》杂志2010年第1期上的文章“钻井平台最高级定位设计和应用——DPS3”。

8）水下机器人系统主要作用是水下观察和水下操纵，一般是有缆遥控的。作用：如观察钻管、套管是否准确插入。观察BOP是否正常工作，BOP控制系统中的yellow line 和blue line就是为了让ROV清楚分辨才涂的颜色，因为关上BOP和打开BOP对安全至关重要，所以要观察操作是否正确，BOP的开关是用同一个控制开关操作的，以防误操作。

3 海上钻井平台的最新动向

1）双塔钻井设备。海上钻井和陆地钻井一样，也是越快越好，效率就是金钱，效率就是生命。因此，如何提高效率是海洋工程最重要的课题。目前已有双塔钻井设备设计建造，工作效率可提高40%。

2）新型双塔钻井设备。现今的双塔钻井设备具有体积庞大、占空间巨大等缺点，故减少这些弊病又是一个新的课题。荷兰Huisman设计的新型钻塔在JBF14000钻井平台应用已解决了这个问题，它的模型图如图2所示。

4 结论

在了解了平台钻井的基本原理后，设计和生产就相对游刃有余，因为平台的其他特殊点如DP问题都可在工程船上找到踪影，全船管理系统在工程船上亦能找到影子。此外，防爆要求在油船上也能找到踪迹，直升机飞机系统更是司空见惯。知道了钻井这套系统，对海上钻井平台就有了总体概念，进一步的研究还需在以后的工作不断完成。

〔1〕王小聪.海洋工程装备中长期规划年底出台(N).财新网, 2011-10.

〔2〕王建学. 钻井工程〔M〕.北京:石油工业出版社,2008.