大跨距海洋模块钻机结构设计

刘静辰，刘永勤，祖　巍，李彦丽，杨肖龙

(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.天津中海油工程设计有限公司，天津 300452)①



大跨距海洋模块钻机结构设计

刘静辰1，刘永勤1，祖巍2，李彦丽2，杨肖龙2

(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.天津中海油工程设计有限公司，天津 300452)①

摘要：垦利10-1 WHPA/WHPB模块钻机是中国海洋石油有限公司有史以来结构最大的海洋模块钻机，同时也是目前最大跨距、覆盖井槽最多的海洋模块钻机。概述了海洋模块钻机的构成、不同结构形式钻井设备模块的特点。重点介绍了采用分体式结构形式的垦利10-1 WHPB钻井设备模块的改进：滑道梁增加侧向支撑杆件，用于增强滑道梁结构刚度，提高稳定性；对于DES下层甲板梁，增大跨距间主梁，用于改善大跨距门式框架结构整体强度和刚度；滑轨由T形结构改为Π形结构，用于增强滑轨结构强度，提高承载能力。计算结果表明：改进后的DES结构完全满足使用要求。

关键词：海洋模块钻机；钻井设备模块；大跨距结构；门式框架结构

海洋平台模块钻机的DES钻井模块通常是由下底座和钻台面两部分构成，可通过双向滑移来覆盖整个平台井口区，以完成钻修井作业[1]。海洋模块钻机依托钻采平台，因此模块钻机的设计也受平台布局的影响。常见的海洋模块钻机由钻井设备模块(DES)、钻井支持模块(DSM)和灰罐模块(P-tank)组成[2-4](如图1)。

图1　崖城13-1模块钻机

DES模块上布置了井架、顶驱、转盘、绞车、BOP防喷器、固控系统等主要钻井设备。DSM模块有时也会拆分成泥浆模块和动力模块。主要包含泥浆罐、散料间、高压泥浆泵等泥浆系统的设施，发电机、柴油罐、主配电间、变压器间、应急配电间、电池间等动力系统的设施，还有空压机、干燥器、空气罐等气动设备。灰罐模块为泥浆系统提供散料输送，有时P-tank模块也会集成到DSM模块之中。海洋模块钻机有多种结构形式。

垦利10-1油田开发项目中，WHPA和WHPB 2个井口平台井槽数量众多、主轴间距大。平台配备模块钻机比使用钻井船钻井成本更低，经济评价更好。为此，满足平台钻井需求的大跨距模块钻机成为油田开发钻井的重要设施。

1模块钻机的不同结构形式

1.1模块钻机的不同结构形式

DSM模块不论是整体还是分成多个小模块，都属于较常规的海洋平台上部模块范畴，差异都不大。而DES模块较常规模块有所不同，设计比较特殊。目前，DES模块主要有3种结构形式[2]：

1)单体式。模块集成度较高，设备主要布置在模块主框架内部，结构较为紧凑；该模块配合设置在平台顶甲板上的独立滑移底座(Skid Base)，能够完成模块沿滑移底座横向滑移、滑移底座和模块共同在顶甲板滑轨上纵向滑移，以覆盖所有井位。此类钻机中，番禺30-1气田模块钻机(如图2)最具代表性。

2)分体式。分钻台面与下底座2个子模块，设备主要分布在这2个子模块上，子模块之间通过服务臂或拖链链接。钻台面可沿滑道梁横向滑移，下底座通过基座在平台顶甲板滑轨上纵向滑移，以覆盖全部井位。此类钻机中，西江23-1 模块钻机(如图3)和番禺4-2模块钻机(如图4)具有代表性。

3)小撬块、组合式。模块主要由若干小撬块组装而成，各小撬块之间通过销轴和螺栓等进行连接。该形式钻机可根据平台吊机的起重能力进行设计，各子模块质量较轻，可利用平台吊机进行海上安装。由于该钻机由小撬块通过销轴和螺栓进行连接，可满足搬迁作业要求。此类钻机中，蓬莱19-3模块钻机、崖城13-1模块钻机(如图1)最具代表性。

图2　番禺30-1模块钻机DES模块

图3　西江23-1模块钻机DES模块

图4　番禺4-2模块钻机DES模块

1.2分体式DES模块结构设计的演变

目前，分体式DES模块设计采用较多。其中的结构设计(如图5～8)也有了以下变化：

图5　渤中28-2南模块钻机DES模块立面结构图1

图6　渤中28-2南模块钻机DES模块立面结构图2

图7　番禺34-1模块钻机DES模块立面结构图1

图8　番禺34-1模块钻机DES模块立面结构图2

1)主立柱和斜撑，由H型组合梁或者Box方形梁演变成圆管。

2)滑道梁由箱型梁演变成H型组合梁与T形滑轨组合结构；如图5和图7中梁剖面详图的差异。

3)由大量小截面立柱和撑杆支撑的结构，演变成大截面立柱和斜撑的组合，杆件数量减少，整个门式框架的结构设计更加简洁，传力路径短，设计更加合理。

从表1中能够看出第1、2条的演变，图5～8是第3条的明显对比。

部分模块钻机的跨距、最大钩载、滑道梁和立柱斜撑规格等主要参数如表1所示。

表1　海洋模块钻机主要参数

2垦利10-1 WHPA/WHPB钻机模块结构设计

垦利10-1 WHPA/WHPB钻机模块的设计同样采用分体式设计：采用大截面圆管做立柱和斜撑的简洁模式，下底座设计成门式框架。滑道梁也采用H型组合梁形式。垦利10-1钻机又因为其平台的特点与其他钻机不同。

2.1垦利10-1 WHPA和WHPB平台的特点

垦利10-1 WHPA和WHPB平台与以前平台有如下不同：

1)井口众多，两平台都分南北2个井口区，布置在A、B轴内侧；(以前项目中平台A、B轴间多为一个井口区，井槽一般为4列或者5列)。如图9～10。

2)A、B轴间距分别为22 m和32 m，间距较大(以前项目中常见平台A、B轴间距是18 m、20 m)。

图9　垦利10-1 WHPA平台井口布置

图10　垦利10-1 WHPB平台井口布置

3)1、2轴间距分别为18 m、20 m，间距较大(以前项目中常见平台1、2轴间距是12 m、14 m)。

2.2垦利10-1 钻机DES模块的设计

垦利钻机DES模块的总体布置要根据平台特点做相应的设计。以前钻机项目中，番禺4-2/5-1钻机同样采用分体式设计，而且也是垦利10-1之前最大跨距的450型钻机。将两个项目的钻机设计进行对比，能明显地反应出结构设计的变化。

两钻机主要参数对比详见表2。

垦利10-1钻机与番禺4-2/5-1模块钻机DES模块的相似之处：同样是分体式DES模块，下底座同样采用门式框架设计；均采用H型组合梁做滑道梁；主立柱斜撑均采用圆管；两个钻台面的总体布局和结构设计相似；两个下底座的总体布局基本相似，甲板结构设计也比较相近。

表2　垦利10-1与番禺4-2/5-1模块钻机参数对比

两个钻机的DES模块也有不同之处，垦利10-1 DES模块结构设计有如下变化：

1)滑道梁平面内，在1、2轴之间增加了斜撑，增加对跨距长度范围内的H1800大梁水平面内支撑(如图11～12)，增强滑道梁结构刚度、提高稳定性。

图11　番禺4-2 DES模块滑道梁及

图12　垦利10-1 WHPB DES模块滑道

2)立面结构支撑形式做了调整，取消了2根ø406×13小支撑，两个大斜撑在中点相交的结构变成斜撑支点分开的设计(如图13～14)。

3)主立柱、斜撑和滑道梁均增大了截面尺寸，详见表2。该构件组合保证了整个下底座的刚度足够，滑道梁挠度小，满足钻台面滑移的要求。番禺4-2和垦利10-1 DES模块滑道梁挠度计算结果详见表3和表4。

图13　番禺4-2 DES模块下底座立面结构

图14　垦利10-1 WHPB DES模块下底座立面结构

4)将DES模块下层甲板1、2轴之间的主梁由H440×300的H型钢改为H900×350的H型组合梁(如图13～14)。主要考虑加强XA和XB轴两个立面框架的刚度，保证下底座刚度足够，减小滑道梁挠度。同时番禺4-2/5-1钻机项目中在拖拉装船、拖航和吊装3个临时工况时需要在下底座底部增加H588梁做临时撑杆；由于H900对结构整体强度的贡献，垦利10-1钻机的临时工况中省去了临时撑杆。

5)平台滑轨由T形单腹板结构改为Π形双腹板结构(如图15～16)。双腹板结构增加滑轨强度，提高承载能力。

图15　番禺4-2模块钻机平台滑轨结构

图16　垦利10-1 WHPB模块钻机平台滑轨结构

杆件编号位置跨距L/m许用变形a/cm最大变形b/cma/b4322-4001斜撑ø508与1轴之间4.5L/500=0.9-0.7840.874005-40101轴与2轴内侧7.5L/500=1.5-0.7950.534006-40031轴与2轴内侧7.5L/500=1.5-0.8790.594007-40222轴右侧悬臂梁2.6L/250=1.04-0.7020.68

表4　垦利10-1 WHPB DES模块滑道梁计算结果

6)垦利10-1 WHPB DES模块主要杆件UC值计算如表5。

表5垦利10-1 WHPB DES模块主要杆件UC值

杆件型号最大UC值控制工况备注T300×610&H1800×6500.71吊装滑道梁H1650×4500.72操作H1508×5000.82操作H957×3600.47操作H1200×4000.51地震H800×3000.91拖拉装船H900×3500.56操作B300×3000.52操作H300A封BOXB900×3500.30拖航H900封BOX,悬臂梁生根处H700×3000.52极端风暴H588×3000.90拖拉装船H450×2000.90地震H440×3000.89操作H300×3000.80操作ø1067×38/450.45吊装ø1067×380.46吊装ø1067×450.74地震ø762×250.83操作ø610×13/250.46拖航ø610×130.65拖航ø508×190.97吊装2.0倍动力系数BG600×9500.56地震钻台面基座

表5的结果表明，DES模块主要构件的UC值满足规范要求，且具有足够的余量。其中，杆件ø610×13/25的设计受节点冲剪校核影响，UC值裕度较大[5]。

4结语

本文依托垦利10-1 WHPA和垦利10-1 WHPB模块钻机实际工程项目，主要论述了采用分体式结构形式的大跨距模块钻机的设计和改进。2015-04-23中国海洋石油有限公司宣布垦利10-1油田已投产，这标志着两套模块钻机均达到可使用的良好状态。垦利10-1模块钻机的设计成果也为今后的大跨距模块钻机设计提供参考。

参考文献：

[1]张建勇，王宁，胡泽刚，等.7 000 m海洋模块钻机滑轨结构分析[J].石油矿场机械，2012，41(6)：30-33.

[2]李挺前，高建新，孙凯，等.浅析海洋分体式钻井设备模块结构形式[J].广东化工，2012，39(8)：121-123.

[3]GB/T 29549—2013，海上石油固定平台模块钻机[S].2013.

[4]API SPC 4F，钻井和修井结构规范[S].2013.

[5]API RP 2A-WSD，海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法-工作应力法[S].2014.

Large Span Structure Design of Offshore Module Drilling Rig

LIU Jingchen1，LIU Yongqin1，ZU Wei2，LI Yanli2，YANG Xiaolong2

(1.CNOOCLtd.，Tianjin，Tianjin300452，China；2.CNOOCEngineeringDesignCo.，Ltd.，Tianjin，Tianjin300452，China)

Abstract：KL10-1 WHPA & WHPB modular drilling rig(MDR) is by far the largest MDR of CNOOC，meanwhile，its span is also the largest.In this paper，the composition of the offshore modular drilling rig and the characteristics of different structural drilling equipment set (DES) of MDR were introduced，moreover，the paper focuses on the improvements of KL10-1 WHPB DES which has a split type structure form.Detail improvements are as followed：lateral support beams are added in the skid girder to strengthen stiffness and improve stability of skid girder；the span of the main girders located in the lower deck of Des is increased，which aims at improving overall strength and stiffness of the large span portal frame structure；T-shaped structure of slipway beam is changed into Π-shaped structure to gain the strength and improve the bearing capability.The calculation results show that the improved DES structure can meet the requirements of application.

Keywords：offshore modular drilling rig；drilling equipment set；large span structure；portal frame structure

中图分类号：TE951

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.005

作者简介：刘静辰(1980-)，男，天津静海人，工程师，硕士，2007年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计制造专业，主要从事海洋工程及钻修井机设计工作，E-mail：liujch31@cnooc.com.cn。

收稿日期：①2015-08-26

文章编号：1001-3482(2016)02-0020-06