超深水海洋钻机管柱处理系统配置和布局研究

王安义 胡 楠 杨秀菊 刘远波 赵 鹏

（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）

超深水海洋钻机管柱处理系统配置和布局研究

王安义1,2胡 楠1,2杨秀菊1,2刘远波1,2赵 鹏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）

管柱处理系统设计是海洋平台钻机设计的重要部分，对提高钻井效率、降低操作人员劳动强度、节约钻井成本具有很大意义。该文针对第七代半潜式钻井平台目标任务按管柱类型不同将管柱处理系统分为钻杆/套管、隔水管处理系统，并根据各自的作业特点，结合作业工艺进行设备配置和布局研究，分析布置方案对平台钻井作业的影响，提出一种双井架海洋钻机管柱处理系统设备配置和布局方案，可为双井口海洋钻机及其管柱自动化处理系统工程设计提供参考。

双井架；钻机；钻杆；套管；隔水管

引 言

深水半潜式钻井平台已发展到第七代，典型指标为最大作业水深3660m，钻深15250m。第七代半潜式钻井平台系统配置方面重要特征是配置双井架钻机，钻机自动化程度高，而管柱处理系统的机械化、自动化水平直接决定了钻机自动化水平，影响着平台钻井作业效率。近几年，国内针对浮式平台钻机管柱处理系统的设备进行过一些研究［1-5］，包括抓管吊机、柱式排管机、猫道机等并键设备以及单井架钻机管柱处理系统等，但是对双井架钻机管柱自动化/机械化处理流程及设备配套和布局研究甚少。因此，开展第七代半潜式钻井平台双井架钻机进行管柱自动化/机械化处理系统配置和布局研究对提高海洋钻井作业效率、节约钻井成本以及降低工人劳动强度具有重要意义。

双井架钻机作业工艺的特殊性对管柱处理系统配置及布局提出更高的要求。双井架钻机可以并行组装和拆卸井下组件、钻具和管子立根，还可以在钻表层时下放套管、隔水管及水下防喷器等［6］，其中一个井口在钻柱下放、回收工具时，另一井口可进行组装、拆卸钻杆；或者一个井口在钻表层时，另外一个井口可下放隔水管及水下防喷器等。

1 管柱处理系统概述

结合钻井所需管柱的类型，可将管柱处理系统分为钻柱处理系统（又称“钻杆/套管处理系统”）和隔水管处理系统。钻柱处理系统可进行钻杆/套管由管子堆场至钻台面的传递，组装立根及立根传送、上卸扣操作，从而实现钻柱的机械化、自动化操作。隔水管处理系统可进行隔水管由甲板至井口的传送，完成组装隔水管立根以及隔水管柱下放、回收作业。不同管柱处理系统配置不同设备，在双井架钻机布局中充分考虑处理设备的特点进行统筹规划。

2 管柱处理系统设备配置

2.1 钻柱处理系统

钻柱处理系统的处理工艺为：抓管吊机将钻杆/套管从管子堆场抓放至水平猫道机，水平猫道机将钻杆/套管输送至钻台面，井架内侧的钻杆提升机完成单根钻柱的水平到垂直状态提升，低位导向臂配合，将单根钻柱放入井口；然后液压卡瓦夹持住钻柱，提升机夹持头松开并回位进行第2根钻柱处理，通过低位导向臂、液压卡瓦、井口铁钻工、顶驱与第1根钻柱进行连接；同样动作处理第3根钻柱，完成一个立根的建立，然后通过钻杆滑道、低位导向臂、柱式排管机将连接好的立根排放至立根盒和气动指梁内。该过程中另一个井口的柱式排管机、低位导向臂、钻杆滑道可将已排放在指梁内的立根送入井口。

这种双井口钻柱并行作业模式减少了钻井系统进行钻杆/套管处理作业的时间，提高了作业效率。

两个井口配置的管柱处理设备相同，可进行互换。接立根并将立根送至另一井口的流程见图1。

钻柱处理系统设备配置及其主要参数见下页表1。

2.2 隔水管处理系统

隔水管的处理系统工艺取决于隔水管的存放形式。目前，隔水管的存放形式主要有三种：平放、立放、立放加平放。目标平台隔水管采用全部立放形式。为了满足作业水深3660m的要求，立放隔水管立根92根，立根长度为130 ft（1 ft=30.48 cm ）。按照立根长度为130 ft计算，单立根隔水管采用单根长度为65 ft隔水管进行组合，共需要65 ft隔水管184根。隔水管加附体材料外径为1574.8mm（62 in），单根质量超过25 t，立根质量超50 t。

表1 钻杆/套管处理系统设备配置表

处理工艺：利用平台吊机将隔水管单根吊运至水平猫道机，水平猫道机将隔水管单根运送至井口，顶驱下降，提升隔水管单根坐放在井口隔水管卡盘上，按上述步骤提升第二根隔水管单根进行立根连接，将连接好的隔水管立根，利用顶驱和扶正臂将隔水管立根吊运至滑槽，然后利用隔水管吊机和底部托车将隔水管立根排放至隔水管指梁。这样就完成了130 ft隔水管立根的连接和排放。其隔水管由65 ft预接成130 ft立根流程如图2所示。

进行隔水管和BOP下放时，操作工艺如下：隔水管吊机从指梁吊起隔水管立根置于底部托车上，吊机和托车同步直线移动将隔水管立根运送至隔水管滑槽上，隔水管滑槽将隔水管立根倾斜送至钻台并松开，顶驱定位到隔水管立根上端，将隔水管立根吊起，在隔水管立根下端脱离滑槽时采用钻台面隔水管扶正臂扶正送至井口。此时，BOP台车已经将BOP运送至井口处并与隔水管下部连接，然后坐放在隔水管卡盘上；依此步骤处理第二根隔水管立根，依次连接下放。

隔水管处理系统设备配置及其主要参数见表2。

表2 隔水管处理系统设备配置表

3 管柱处理系统布局研究

目标平台采用双井架钻机系统，在管柱处理工艺及设备配置研究的基础上，以双井口为中心进行管柱处理系统的布局研究。

3.1 布局原则

结合双井架钻机布局，确定管柱处理系统布局原则如下：

（1）满足双井口作业工艺要求；

（2）作业安全、高效；

（3）优先满足操作频率高的设备；

（4）降低系统重心。

3.2 钻柱处理系统布局研究

钻杆/套管立根盒的布置是钻柱处理系统设备布局和配置设计的并键。就钻井平台而言，钻杆/套管立根布置重心越低越有利于平台的钻井作业。因此，为了降低钻机重心，将立根盒底部布置在平台下层甲板上。

结合双井架钻机钻柱处理系统工艺要求，将钻柱处理系统的设备配置按照堆场区域、立根盒区域和钻台区域分别进行布局研究。

3.2.1 堆场区域

结合目标平台钻井系统设计要求，管柱堆场的设置主要考虑平台可变载荷、自持力和作业能力。由于可变载荷大，平台自持力强，按15250m钻深能力配置管柱，对平台配置钻杆、套管提出高要求，设置2个套管堆场和2个钻杆堆场。

该区域布置的设备有抓管吊机、猫道机。管子堆场的布置应充分考虑抓管吊机工作半径及操作视线，通常将使用频率较高的钻杆应优先布置在靠近猫道机两侧，以提高作业效率。猫道机分别正对两个井口的V大门，导轨与钻台面平齐，用于输送钻杆、套管等；抓管吊机分别布置在平台尾部猫道机旁，并呈对称布置，用于将管子堆场的钻杆、套管抓放至猫道机上。

3.2.2 立根盒区域

立根盒位于井架外部，该区域布置的设备有柱式排管机、钻杆滑道、气动指梁。柱式排管机布置在立根盒中间，最大限度的利用柱式排管机工作半径，同时将立根区一分为二，靠近井口中心侧摆放钻杆，远离井口中心侧摆放套管；气动指梁布置与钻杆、套管摆放盒对应，分别用于排放钻杆、套管立根；钻杆滑道分别对称布置在井架V大门下方，其下部放置在立根盒上，上部与钻台平齐。

3.2.3 钻台区域

该区域布置的设备有钻杆提升机、低位导向臂、液压卡瓦、铁钻工。钻杆提升机在每个井口V大门处各布置一套，用于钻杆、套管单根或立根的提升、下放；低位导向臂分别布置在钻台面V大门处，配合钻杆提升机、钻杆滑道、柱式排管机传递钻杆、套管单根或立根；液压卡瓦每个井口布置一个，用于钻杆和套管的坐放；铁钻工每个井口布置一个，用于钻杆和套管的上卸扣作业。

钻杆/套管处理系统设备的布置如图3所示。

3.3 隔水管处理系统布局研究

目标平台隔水管采用全部立放的存储方式，隔水管立放区布置在钻台一侧靠近平台艏部平台下层甲板上，与钻杆立根盒在同一层，上部为隔水管指梁，钻台预留开口以利于隔水管滑槽将隔水管送至钻台。

结合隔水管处理工艺要求，将隔水管处理系统的设备配置按照隔水管堆场区域和钻台区域分别进行布局研究。

3.3.1 隔水管堆场区域

该区域布置的设备有隔水管吊机、托车、指梁、隔水管滑槽、检修装置。隔水管吊机完成隔水管从存储指梁到滑槽的吊运；托车在专有的轨道上移动，用以辅助支持隔水管吊机对垂直隔水管从指梁到滑槽的吊运，避免垂直隔水管在吊运过程中出现摆动；指梁用来存放隔水管立根；滑槽用于垂直隔水管处理过程中，将隔水管倾斜、起升，便于隔水管存储、移运等操作；检修装置用于对隔水管连接处、辅助管线、局部裂纹等进行维修处理。

3.3.2 钻台区域

该区域布置的设备有隔水管扶正臂、隔水管卡盘、万向节。扶正臂安装在钻台面配合顶驱完成隔水管从滑槽到井口的扶正操作；隔水管卡盘用于支撑隔水管与BOP组，辅助实现快速连接和拆卸隔水管；万向节放在转盘和卡盘之间，能够支持卡盘、整个隔水管柱和BOP组，可以补充由于海流产生的隔水管偏移，便于隔水管连接。

隔水管处理系统设备的布置参见上页图3。

4 结 论

本文针对工信部第七代半潜式钻井平台船型并结合其管柱处理工艺要求开发了一种适用于半潜式钻井平台的管柱处理系统，通过合理优化布局降低了管柱堆放及相并设备的重心，有助于提高平台的抗风载能力以及平台的稳性，同时有效降低了井架V大门开口，提高了井架的结构稳定性。

该管柱处理系统所涉及自动化处理设备众多，对设备的可靠性要求高，部分设备还需要进口。从操作的独立性、集成控制及协调性方面考虑，钻杆/套管处理设备如抓管吊机、猫道机、铁钻工、低位导向臂、液压卡瓦等设备以及隔水管处理系统设备均能实现国产化，而钻杆/套管处理设备中的柱式排管机和钻杆提升机仍需进口。

该管柱处理系统配置及布局方案对于双井口海洋钻机及其管柱处理系统设计有一定参考价值，在工程实践时，还可以根据不同的船型并综合考虑多种因素及平台整体设备设施布局进行调整。

［1］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等. 半潜式平台钻井材料输送系统配置与布局研究［J］.船海工程，2008（4）：58-61.

［2］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等.深水半潜式钻井平台隔水管存储形式及作业功效研究［J］.船舶工程，2009（5）：47-51.

［3］ 王定亚，忽宝民，惠晓英，等.海洋钻井平台折臂式抓管机设计与试验研究［J］.石油机械，2016（8）：42-46.

［4］ 崔学政，刘文庆，肖文生，等.海洋钻井平台立柱式排管机设计［J］.石油矿场机械，2010（1）：45-49.

［5］ 崔学政，刘平全，肖文生，等. 海洋钻井平台自动化猫道设计［J］.石油矿场机械，2011（2）：20-23.

［6］ 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等. 半潜式钻井平台双井架钻机作业工艺初步研究［J］.石油钻探技术，2009（2）：14-17.

Con figuration and layout of string processing system for ultra-deep water rig

WANG An-yi1,2HU Nan1,2YANG Xiu-ju1,2LIU Yuan-bo1,2ZHAO Peng1,2
(1. Baoji Oil field machinery Co., Ltd., Baoji 721002, China; 2. National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center, Baoji 721002, China)

The design of the string processing system is an important part of the design of the offshore platform drilling rig. It is of great significance for drilling efficiency improvement, labor intensity reduction and drilling cost decrease. Aiming at the objectives of the seventh generation of the semi-submersible drilling platform, the string processing system has been divided into drilling pipe, casing and riser system according to different string types. It carries out the equipment configuration, layout study and the analysis of the influence of the layout plan on the platform drilling operation based on the operation characteristics together with the operation technology. Finally, it proposes the equipment configuration and the layout plan of the string processing system for the dual derrick offshore rig, which can provide reference for the engineering design of the offshore drilling rig and its string automation processing system.

dual derrick; rig; drilling pipe; casing; riser

TE923

A

1001-9855（2017）05-0087-05

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

2017-03-17；

2017-05-02

王安义（1983-），男，硕士，工程师。研究方向：海洋油气钻机设计开发。胡 楠（1982-），男，硕士，工程师。研究方向：海洋油气钻机设计开发。杨秀菊（1983-），女，硕士，工程师。研究方向：石油钻机设计开发。刘远波（1982-），男，硕士，工程师。研究方向：石油钻机设计开发。赵 鹏（1978-），男，工程师。研究方向：石油钻机设计开发。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.087