深水半潜式钻井平台BOP/采油树处理系统研究

王爱民，白兰昌，严金林，唐 文，范 松，付 俊，邓 荣

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

BOP/采油树处理系统是深水及超深水半潜式钻井平台的主要配套设备之一，负责存储、起升、平移BOP(防喷器)及采油树等大型水下器具。目前，BOP/采油树处理系统整体设计与制造技术掌握在少数几个国外相关公司手中，例如NOV、MH、TSC、Cameron等，他们的设计制造经验丰富，产品质量可靠，技术革新不断，占世界90%以上市场。因为平台总体布局的多样性，系统的配套形式及单元设备结构各异。

国内在这方面发展速度缓慢，处于研发起步阶段，仅有四川宏华自主设计制造的BOP/采油树处理系统应用在Tiger钻井船上[1]，还没有可用于半潜式平台上的产品。本着提高我国在石油钻井装备的竞争能力和配套能力，缩短与国外发达国家海洋钻井技术差距的目的，笔者对半潜式钻井平台BOP/采油树处理系统进行了技术研究，以期完成制造，并应用于平台，提高国产石油装备的整体实力。

1 系统配套形式及优缺点

BOP/采油树处理系统主要根据BOP与采油树的组装、拆卸、检修、吊运以及钻井工艺的要求进行设计和系统配套，目前普遍采用的配套形式主要有两侧下放与同侧下放2种。采用两侧下放时，BOP和采油树分置于月池两侧，需要在月池的两侧布置不同的设备，分别处理BOP和采油树；采用同侧下放时，BOP和采油树布置在月池的同一侧，共用同一套设备来完成吊运、下放等作业[2-4]。

表1给出了2种下放形式的优、缺点。对于平台的探井作业，只在一个区域钻一口井，采油树只需要下放一次，下放BOP组和采油树作业时间没有冲突，采用同侧下放不仅设备和空间使用率相对较高，效率影响也较小；但对于钻井，采油树作业次数多，两侧下放的效率优势就比较突出，作业水域越深，钻井的效率优势就越明显。另一方面，两侧下放要求月池的长度超出钻台两侧各8 m左右，占用平台面积较大，而在平台总体布局设计时，经常由于隔水管的存储，钻杆、钻铤、套管等管子堆放占用较多的面积，无法满足两侧下放的空间要求[5]。

表1 两种下放形式的优缺点对比

由于目标平台使用双联井架作业工艺，设有两套钻井系统，钻台和月池的设计尺寸以及甲板面的作业面积可满足两侧下放的空间要求。因此选取两侧下放的配套形式(如图1)，在提高平台的钻井作业效率的同时，还能保证平台的先进性。

图1 目标平台布局示意

2 系统设备组成及工艺流程

结合双联井架的主、辅起升系统布置及作业工艺，一套起升系统用于载荷相对较小的正常钻井的起下钻，另一套起升系统用于速度相对较慢的起升和下放隔水管、BOP。采油树经由辅起升系统通过钻杆下放，BOP经由主起升系统通过隔水管下放。因此，将采油树处理系统与BOP处理系统分别布置在平台的左、右舷。

采油树处理系统主要包括采油树吊机、采油树台车、采油树滑橇等，如图2。整套系统可对采油树进行提升/下放、X/Y平移以及存储等作业，覆盖范围广、空间布置灵活可变。其作业工艺流程为：采油树(多个)存放在平台甲板的采油树滑橇之上，滑橇可以沿导轨滑移，将采油树运送至采油树吊机的正下方，采油树吊机将采油树起吊，沿导轨平移向台车正上方，下放采油树至台车上；台车沿着月池两侧的轨道将采油树输送至井口位置[6]。回收采油树的作业流程相反。

BOP/采油树处理系统主要包括BOP吊机、BOP台车、基座、导向支架等，如图3。整套系统可对BOP组进行提升/下放、X/Y平移以及拆装、存储、试压等作业。其作业工艺流程为：首先，在存储区布置了3个基座，用来存放BOP组，以及BOP组拆卸后的LMRP或BOP Stack；其次，BOP吊机平移至BOP组正上方并起吊，沿导轨平移到台车正上方，下放BOP至台车上；导向支架设置在BOP吊机的一侧支腿上，用来约束BOP组，防止其晃动；最后，台车沿着月池两侧的轨道将BOP组输送至主井口位置，连接隔水管下放。以相反工艺流程便可以回收BOP组。

1—采油树吊机；2—采油树滑橇；3—采油树台车。图2 采油树处理系统

1—BOP吊机；2—导向支架；3—基座；4—BOP台车。

3 单元设备特点及设计要点

3.1 单元设备的结构及功能特点

两套处理系统的布置紧紧围绕钻台面、月池及BOP组/采油树来开展。钻台面、月池尺寸及BOP组/采油树的外形尺寸决定了各单元设备的结构、功能设计。结构及功能特点如表2。

表2 主要单元设备结构及功能特点

3.2 设计要点

3.2.1 主体结构力学设计

区别于陆地及固定式平台，半潜式平台在海浪的作用下存在横、纵向振荡及周期性的上下升沉运动，设备在作业时存在平台运动产生的惯性力；除此之外，在进行结构设计计算时还需考虑船体的倾斜及风力作用等不利条件下产生的附加载荷。并且要全面分析设备在平台正常作业、航行及风暴自存等不同工况下的载荷情况，最终还要验证设计的合理性[8-11]。例如，对于BOP吊机在正常作业工况时的受力情况，通过有限元仿真，施加各种载荷进行了强度、刚度校核，如图4。

图4 BOP吊机强度及刚度校核云图

3.2.2 行走驱动机构

轨道式单元设备(BOP/采油树吊机、BOP/采油树台车)的行走作业执行机构通常采用液压马达驱动，齿轮齿条副传动，滚轮沿导轨行走。齿轮齿条副传动机构的加工、安装精度要求较高，如果齿轮齿条在啮合过程中存在传动间隙，则会产生较大的振动、冲击、噪声，并产生动载荷；传动齿的磨损也会加快。BOP、采油树吊机的行程都超过了15 m，齿条的安装精度很难得到保证。因此，在本设计中采用了铰接式驱动机构，如图5所示。行走驱动机构与结构主体之间采用销轴铰接，在固定齿条时，使齿条分度线通过销轴中心线，这样可确保啮合切向力完全转换成设备运动方向上的驱动力。并在减速器壳体上伸出一个导向轮沿齿条背面行走[12-13]。

铰接式驱动机构的结构特点：

1) 装配自由度较大，拆卸方便，易于维护。

2) 齿间距的调整可依靠调节导向轮的大小来实现。

3) 有效减小了齿条的横向承载力。

4) 降低了齿条的安装精度。

1—减速器；2—销筒；3—导向轮；4—齿条；5—齿轮；6—壳体。

3.2.3 电液控制系统设计

BOP/采油树吊机的行走、起升/下放，导向支架的夹持、行走等执行动作均采用液压驱动及电液控制。选用负载敏感多路阀对各个执行元件进行控制；电控系统采用电液复合专用核心控制器，成本较低，抗振动、冲击、电磁干扰能力强，系统响应速度快。操作面板采用远程无线通讯遥控技术，通过操作面板上的按钮和操纵杆控制设备所有的功能，并在各执行动作之间设计了联动、互锁等保护机制[14]。操作方便、灵活，安全可靠。

3.2.4 滚轮的选取

BOP/采油树吊机、BOP/采油树台车行走机构设计有沿导轨行走的滚轮，其中滚轮的选用已经在工程领域有丰富运行经验的HILMAN滚轮小车，如图6。作为履带式承载滚轮，HILMAN滚轮小车依靠一排承载滚轮沿导轨转动，很好地实现了与导轨之间的面接触，而且可以在导轨两侧面增设导向轮，以防设备偏斜运行。该滚轮小车可靠性较高，使用寿命较长；承载能力大[15](最大可达10 000 kN)，与导轨之间基本实现零摩擦，起动摩擦因数低至0.05，但是要求运行速度很慢。

图6 HILMAN滚轮小车

3.2.5 拖链的选取

往复运动的轨道行走设备一般都会使用拖链来束缚、保护随之运动的液压胶管或电缆。拖链的选型要严格依据管线的数量和规格选定，其最小弯曲半径不得小于最大管径的弯曲半径；当拖链内的管线管径差异较大时，必须安装分隔片，且布置时尽量避免重叠铺设。此外，管线必须固定得当，避免设备带动管线行走时拉断或严重挤压管线。必要时，在拖链的行走轨迹上布置导向槽，起到保护拖链及内部管线的作用。

4 结论

1) 结合双联井架的主、辅起升系统布置及作业工艺，确定BOP/采油树处理系统采用分布钻台两侧的布置形式。用主、辅起升系统分别下放BOP与采油树，可大幅提高平台的作业效率。利于平台后期升级扩展，保证平台的优越性、先进性。确立了BOP/采油树处理系统的作业工艺流程，实现对BOP/采油树的提升/下放、X/Y平移以及拆装、存储等操作。

2) 围绕钻台面、月池及BOP组/采油树来开展单元设备的结构及功能设计，设计载荷应考虑平台在不同工况下、各种不利因素下的载荷组合，关系到平台的总体布局尺寸及平台承受的可变载荷；吊机、台车等单元设备结构设计应结构紧凑、轻量化。

3) 主要单元设备的行走驱动机构与结构主体之间采用销轴铰接，具有拆卸方便，易于维护的特点，并有效降低了齿条的安装精度，减小了齿条的横向承载力。两套吊机的控制系统采用电液控制，在各动作之间设计了联动、互锁等电、液双重保护机制，保证操作的安全可靠性。