海洋钻机质量重心控制的重要性及方法

王安义王维旭张 鹏胡 楠杨秀菊

（1.宝鸡石油机械有限责任公司 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心 宝鸡721002）

船舶安全与技术管理

海洋钻机质量重心控制的重要性及方法

王安义1,2王维旭1,2张 鹏1,2胡 楠1,2杨秀菊1,2

（1.宝鸡石油机械有限责任公司 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心 宝鸡721002）

海洋平台钻机质量重心控制对于钻井平台设计、建造有着重要的意义，钻机质量重心控制的好坏直接决定着项目的成功与否。从海洋平台钻机质量重心控制的重要性、原则、方法、管理流程等方面进行系统的分析研究，并给出其在半潜式钻井平台和辅助钻井平台上钻机设计建造的应用实例。为后续海洋钻机设计建造提供指导和参考。

海洋钻机；质量重心；控制；方法

引 言

随着石油勘探开发由浅海走向深海，对海洋钻井平台的设计提出了更高的要求［1］，而钻机又是海洋钻井平台的核心组成部分。钻机质量重心控制是钻井平台设计及建造的重要内容之一。钻机从基本设计、详细设计、生产制造再到船厂组装完成，各个阶段都要对钻机质量重心进行详细统计和严格控制并及时报告，从而在钻机组装前提前发现并消除可能出现的有关质量重心的重大问题。目前，国内在海洋平台钻机系统设计中对质量重心的控制尚无系统研究［2］，因此总结一套用于海洋钻井平台钻机系统设计的质量重心控制方法及流程具有重要意义。

1 质量重心控制的重要性

钻机质量重心控制的好坏直接影响钻井平台的甲板可变载荷及平台的稳性，甚至会影响到项目的成功与否。通过选择较轻设备和优化钻机结构控制钻机系统总质量可以增加平台的可变载荷，减少补给成本，提高持续钻井能力［3］；通过系统优化设计降低钻机系统的重心可以提高平台的抗风载能力以及平台的稳性。同时，质量重心的控制也决定着海洋钻机模块的吊装设计，一个依据质量重心控制而进行的吊装设计能明显提高海洋模块钻机安装作业效率和安全性。

为了更好的进行海洋平台钻机质量重心控制，以半潜式钻井平台钻机为例，将其主要系统构成及质量分布如表1。

表1 海洋钻机主要系统构成及质量t

2 质量重心控制的原则

海洋平台钻机质量重心控制可依据下述原则：

（1）合理估算钻机总质量，并在各系统、专业之间进行合理分配。在各系统、各专业质量统计中，要进行充分的系统调研，准确掌握同样水深和钻深能力的钻井系统质量资料，保证基本设计阶段对质量的合理估算，避免出现较大偏差。

（2）在满足强度、刚度、稳定性的前提下，减轻主结构的质量。在材料订货阶段，应尽可能选择规范及国标许可范围内负公差的板材、型材和管材；在设计阶段，采用不同的计算方法，合理设计，减少构件尺寸。

（3）在钻机系统流程设计过程中，要简化流程设计，参考相应的标准满足基本的功能即可。如果没有相应的参考标准，则尽可能采用最简单的流程以满足用户的要求即可。管路连接方式在满足系统要求情况下，选择质量较轻的连接方式。尽可能减少管路接头，以减少质量。

（4）在满足基本功能的前提下，通过专业协调，优化管线和电缆走向设计，使管线和电缆走向布置更合理，尽量缩短管线和电缆的布置长度，从而达到质量控制的目的。

（5）在满足使用要求的前提下，在铺板、踏板、走道设计时采用玻璃钢格栅代替钢板，在允许的管路上采用玻璃钢管或者其他较轻材质的材料代替钢管［4］；各种设备支座也尽可能简洁。

（6）对钻机系统中大型结构的质量进行重点控制，如井架、钻台钢结构等；同时对大型设备的质量进行重点控制，如钻井绞车、钻井泵、顶驱等。

（7）对于钻机配套的外购设备，在满足基本功能的前提下，除了可靠的质量外，应尽量选用较轻的设备。同时，在外购协议中把设备质量作为一个重要的技术指标，并规定在超出合同约定质量时的处罚措施，避免设备供应商为提高竞争力而有意低估设备质量。在设备配套方面，尽量把功能相同的设备集成设计为整体撬块型式，既节约空间又减轻质量，如液压系统、高低压空气系统等。

（8）钻机配套的外购设备入厂检验时需进行称重［5］，重新确认设备的质量重心。对理论质量超过500 kg的设备进行逐件称重，对理论质量小于500 kg的批量设备按照30%的比例进行选择性称重，但是最少称重件数不能少于两件。

（9）项目执行的整个周期定期编制质量控制报告，随时跟踪设计、制造阶段质量的变化。编制质量控制报告需要有详细的钻机系统配套的设备清单、钻机的结构形式和总布置图。一般情况下，质量控制报告需要分系统（或分模块）和专业分别统计质量和重心，并在每一版的质量控制报告中说明质量变化情况和整个质量的变化趋势。

（10）及时采取减重措施。当质量控制报告显示钻机整个质量明显超出合同规定的质量时，应及时采取整改措施，确保质量控制在允许的范围内。

3 质量重心控制的方法

（1）钻机总质量可分子系统或者子模块（海洋模块钻机）进行详细统计，以便建造方在设计、建造阶段对子系统或者子模块进行有效的质量重心控制。

（2）同时各子系统或者子模块又按照主结构、舾装、设备、管系、电气（电缆和电气设备及仪表）、空调通风等专业分别进行详细统计，以便建造方在设计、建造阶段对各专业进行有效的质量重心控制。

（3）舾装专业质量包括除主结构外的附属结构以及梯子、平台、栏杆、铺台、设备支座等。

（4）设备质量包括设备本身、连接螺栓或销轴等。

（5）管系专业质量包括各系统和设备间的管路、管夹、管支架、跨接软管、安装螺栓等。

（6）电气专业质量包括电缆、电缆卡、电缆托架、电气设备、仪表、灯具、安装螺栓等。

（7）采用三维设计软件，对主结构、设备进行精确模拟，为其他专业搭建平台；加强专业间协调，同步开展管系、电气、空调通风专业三维设计，并通过软件计算质量重心。

（8）将各子系统或者子模块（海洋模块钻机）质量重心分专业汇总到Excel表格中，基于力和力矩平衡原理，计算出钻机总的质量重心。

4 质量重心控制的管理流程

质量重心控制工作贯穿于钻机设计建造的整个过程，涉及到项目管理、设计、采购、建造、组装调试各个方面，一般分为设计阶段、制造阶段和现场调试阶段。由于涉及的专业领域众多，影响质量变化因素也多，因此，钻机的质量控制是一个动态的过程。质量控制管理流程如下页图1所示。

对于质量控制管理流程中是否符合合同要求或者是否在可控范围内，与合同书规定的指标要求或者用户的要求有很大关系。不同平台对钻机质量控制的要求不同，浮式钻井平台钻机质量控制的范围一般不超出钻机总重的5%；固定式钻井平台或者对于需要安装模块钻机进行钻修井的生产平台而言，对质量控制要求更加严格，其钻机质量控制的范围一般控制在3%以内。

5 质量重心控制的应用

（1）在半潜式钻井平台上的应用。钻机系统作为半潜式钻井平台的核心组成部分，严格按照海洋平台钻机质量重心控制的原则、方法、管理流程编制详细的质量重心控制报告，最终把钻机总质量控制在目标范围内。目标平台配置双井架钻机。在钻机基本设计阶段，为了降低钻机的重心，可通过将立根盒布置从钻台面移到井架外部，底部布置在平台的下甲板上，其立根的重心可降低15 m以上；同时可采用隔水管立放布置的方式，其底部布置在下甲板上，达到降低隔水管存放区域重心的目的。在进行钻机底座在平台上的承载基础设计时，通过严格质量重心计算以及分析软件的模拟，计算出各个承载基础的支反力大小，用于指导承载基础设计。

图1 质量控制管理流程图

（2）在辅助钻井平台上的应用。辅助钻井平台由支持平台和模块钻机组成。模块钻机质量重心控制是整个辅助钻井平台设计建造的重要内容。在钻机模块方案划分设计时，按照支持平台主吊机的起吊能力，来确定单个模块的最大质量，从而确定模块钻机子模块数量，最终把模块钻机分为17个子模块，单个模块最大质量不超过170 t。在吊装设计时，根据质量控制报告，提取每个模块的质量重心，并结合海洋吊装作业环境，设计子模块吊装方案，确定每根钢丝绳受力大小，选取合适的吊索具。在钻机滑移系统设计时，根据质量控制报告，提取相应模块的质量重心，根据力和力矩平衡原理，准确计算滑移操作工况下滑移部分的质量重心，确定顶升油缸支脚处的支反力，从而选取合适的顶升滑移油缸和推移油缸。

6 结 论

（1）海洋平台钻机质量重心控制对于海洋钻井平台设计、建造具有重要意义，项目的成功与否直接取决于钻机质量重心控制的好坏。

（2）钻机质量重心控制工作贯穿于钻机设计建造的整个过程涉及到项目管理、设计、采购、建造、组装调试等各个阶段，只有每个阶段都严格按照质量重心控制的原则、方法和管理流程实施，整个质量控制工作才能达到良好效果。

（3）不同平台对钻机质量控制的要求不同，钻机质量控制的范围最大不超过其总重的5%。钻机质量越接近目标质量，就越能增大平台的可变载荷，从而减少补给成本，提高持续钻井能力。

（4）钻机质量重心控制可用于指导不同海洋钻机的总体方案设计、承载基座设计、模块划分设计、吊装设计以及滑移系统选型设计等各个阶段。

［1］ 工信部. 海洋工程装备制造业中长期发展规划［R］. 2012.

［2］ 朱传超，李志垒. 海洋工程船舶建造过程中的重量重心控制［J］.中国造船，2013，54（增刊1）：280-283.

［3］ 安国亭，卢佩琼. 海洋石油开发工艺与设备［M］.天津：天津大学出版社，2001.

［4］ 黎理胜，徐文珊，陈万宏，等. 钛合金在铝合金舰船海水管路系统的应用［J］.船舶，2016（3）：27-33.

［5］ 姜伟，孙建军，何保生，等．GB/T29549.2—2013海上石油固定平台模块钻机 第2部分：建造［M］．中国标准出版社，2013：16．

信息 动态

金海重工与MARIC签订20.8万吨散货船设计合同

日前，金海重工股份有限公司与中国船舶及海洋设计研究院（MARIC）在上海签订了20.8万吨散货船设计合同，金海重工首席技术官金起熙和MARIC副院长沈伟平分别代表双方签约。金海重工相关领导和MARIC民船部相关同志参加了签约仪式。

金海重工20.8万吨散货船设计是MARIC在之前成功开发的该船船型基础上的进一步优化，满足了最新的规范规则要求，特别是最新的结构协调共同规范（H-CSR）要求。通过对全船布置、结构和系统上的优化升级，做到安全性与经济型兼顾，并积极响应相关环保要求，使MARIC在20.8万吨散货船设计上，继续保持与同类型船在舱容、载重量、油耗、航速等方面的优势。

该项目是继2016年30万吨VLCC项目设计合同后，金海重工与MARIC展开的又一重大项目合作，也是继MARIC的20.8万吨绿色节能散货船在五家船厂开花结果后，再一次获得船东、船厂的认可和青睐。

金海重工20.8万吨散货船设计合同的成功签约，将进一步巩固MARIC在大型散货船型设计领域的领先地位。

Signifi cance and method of control of center of mass for off shore rig

WANG An-yi1,2WANG Wei-xu1,2ZHANG Peng1,2HU Nan1,2YANG Xiu-ju1,2
(1. Baoji Oilfi eld Machinery Co., Ltd., Baoji 721002, China; 2. National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center, Baoji 721002, China)

It is important for the design and construction of the off shore platform drilling rig to control its center of mass, which directly determines the success or failure of the project. This paper carries out the systematic analysis in terms of the importance, principles, methods and management procedures of the control of the center of the mass for the off shore platform rig. It also presents the practical applications in the design and construction of the drilling rig on the semi-submersible drilling platform and the auxiliary drilling platform. It can provide guidance and reference for the design and construction of the off shore platform drilling rig.

off shore rig; center of mass; control; method

U674.38+1，TE951

A

1001-9855（2017）02-0085-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.085

工信部“第七代超深水钻井平台（船）创新专项”——“钻井包集成及部分关键设备应用研究”项目（工信部联装[2016]24号）。

2016-11-21；

2017-01-03

王安义（1983-），男，硕士，工程师。研究方向：海洋油气钻机开发设计工作。王维旭（1978-），男，硕士，高级工程师。研究方向：石油钻机开发设计工作。张 鹏（1980-），男，工程师。研究方向：石油钻机及流程设计开发设计工作。胡 楠（1982-），男，硕士，工程师。研究方向：海洋油气钻机开发设计工作。杨秀菊（1983-），女，硕士，工程师。研究方向：石油钻机开发设计工作。