杨鹏，刘超，李慧莹，蔡京儒

（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）

0 引 言

随着现代工业、科学技术和经济的不断进步发展，油气资源及其他能源的需求日益增加，而现有的陆地资源已无法满足持续增长的能源需求。因此对海洋领域特别是深水海域油气资源的勘探开发成为重中之重。

目前我国在深水海域油气资源开发方面取得了一定的成绩[1]，但是核心技术掌握不够，所采用的关键核心设备特别是钻井设备仍然为国外企业所垄断，国产化程度不高。为进一步发展我国海洋石油装备，逐步实现海洋石油装备的国产化，摆脱海洋高端装备依赖进口的不利局面，以“第七代半潜式钻井平台”项目为依托，对其钻井系统配套的钻台技术进行研究，成功设计了满足其工艺流程和作业需求的钻台，如图1所示。

1 设计原则

1.1 先进性原则

1）钻台的设计满足双井口作业的要求，满足双井架和先进钻井设备安装及运行的需要；

2）钻台的设计满足钻井载荷、BOP吊机载荷、隔水管载荷及风浪流力的共同作用；

3）钻台的设计符合最新标准规范、HSE要求。

1.2 轻量化原则

图1 第七代半潜式钻井平台示意图

钻台的主要作用是在作业过程中为井架、绞车、立根，以及相关钻井设备提供支撑及安装空间，为隔水管、立根、柱式排管机等提供输送通道，为操作人员提供充足的作业空间，是钻井载荷传力路径的载体。钻台质量过大将引起平台质心、浮心坐标位置的变化，造成平台作业时稳定性和安全性风险的增加。因此必须严格控制质量，在满足强度、稳定性和内部空间要求的前提下尽力做到轻量化设计。

1.3 经济性原则

钻台属于大型钢制结构件，在制作过程中需要耗费大量的人力和物力。设计时要本着经济性的原则[2]，一方面采用高强度材料来减轻构件质量，节约原材料采购成本；另一方面优化结构并提高产品装配及焊接等工艺性能，节约制造成本。

2 技术方案

2.1 总体结构

第七代半潜式钻井平台平台采用了双联井架作业工艺，双井架及钻台布置在月池正上方，采油树处理系统与BOP处理系统分列平台的左、右舷布置[3]。主钻井系统和辅助钻井系统并行、协同作业，可以大大提高钻井的作业效率。钻台[4]有效高度为9 m,净空高为7 m,整体上呈开口朝向船艏的“凹”字型，为大跨距门框式结构，同时采用分层布置，高低错落有致，最大限度地保证了设备安装空间和运行通道。钻台平面布置如图2所示，钻台主框架结构如图3所示。

图2 钻台平面布置图

图3 钻台主框架布置图

根据钻台部分承载情况，将钻台划分三大区域：主承载区、辅承载区和功能区（如图4）。

主承载区下方为张紧器滑移导轨和月池，上方为立根区域和双井架，井架载荷、转盘载荷、立根载荷、张紧器载荷等都通过该区域传递，同时在左舷侧还需承受BOP吊机导轨支架传递的载荷，在右弦侧需承受采油树导轨支架传递的载荷，为钻台的主要受力区域。主承载区下方设有8个主承载立柱，这些立柱与台面上井架支脚位置一一对应。主承载区安装的设备有液压转盘、轨道式铁钻工、旋转猫头和柱式排管机等。

辐承载区主要为隔水管围栏提供3面支撑（隔水管围栏靠船艏侧支腿坐落在主甲板上，其他3个面座落到钻台面上），同时在左舷侧还需承受BOP吊机导轨支架传递的载荷。

图4 钻台区域划分示意图

功能区除在左舷侧需承受BOP吊机导轨支架传递的载荷外，其余部位仅承受设备的自重。功能区钻台上方7.5 m以内的空间设有双层框架架构，安装有LIR房、DIR房、绞车和导绳机等设备。

钻台主大梁采用高强度板料组焊的大截面组焊H型钢制作，主承载立柱为采用高强度钢板制作而成的大截面箱型结构，整个钻台具有承载能力高、稳定性好的特点。

2.2 技术参数

钻台高度为9 m；钻盘梁底面至甲板面净空高为7 m；双井口间距为18 m；立根载荷为7500 kN；环境载荷：正常作业工况为36 m/s，风暴自存工况为56.5 m/s。

钻台质心处的动态加速度[5]值相加表如表1所示。

表1 波浪向下加速度最大值汇总表

3 关键技术

3.1 大跨距重承载的轻型钻台设计

第七代钻井平台井口间距为18 m,月池尺寸为42 m×8.8 m，钻台横跨了整个月池的大部分，钻台尺寸为28.4 m×38.2 m（左右向尺寸×艏艉向尺寸）；仅单个井口的载荷就可达到1150 t，这些参数均大于全球较为先进的海洋平台。表2统计了全球较为先进的几个钻井平台的主要技术参数[6]。

表2 钻井平台主参数对比

为解决大跨距和重载荷对双井架和钻台带来的不利影响，一方面对钻台的主承载构件材料采用优质高强度合金钢；另一方面在钻台下部根据各支点载荷的大小设置合理的支撑立柱，在有效地保证双井架和钻台的强度、稳定性及刚度的同时最大限度地降低了钻台的质量。

3.2 紧凑型双层框架结构的设计

海洋钻井平台对自动化作业程度要求较高，配套自动化设备种类齐全，而众多的设备在安装时需要充足的空间，这就要求必须在有效的空间内对各设备合理布局。第七代半潜式钻井平台在方案设计时为保证钻杆、隔水管、轨道式铁钻工等的运行通道，将大梁的辅助设备放在了功能区。而功能区除开钻杆和隔水管的运行通道以外，仅剩船艉侧两个井口之间的有限空间可以利用。为此，在功能区上方设计了紧凑的双层框架结构，解决了1个储物间、2台LIR房、2台DCR房、2台钻井绞车及2台导绳机的安装，利用有效的空间最大限度地保证了设备安装。

图5 紧凑型双层框架结构

3.3 复杂工况下大型钢结构件强度及稳定性分析

海洋钻井平台在风、浪、流的作用下会产生六自由度运动（ 横荡、 纵 荡、 垂 荡、 横 摇、 纵摇及艏摇），动边界[7]及承受海洋环境载荷是海洋钻机与陆地钻的一个重要区别。因此钻台在设计时不仅要承受结构自重、钻井载荷、BOP吊机载荷、采油树吊机载荷、张紧器载荷和隔水管围栏载荷，还需考虑风载荷和波浪载荷等的联合作用。根据API 4F（第4版）规范规定，应用有限元软件建立钻台的有限元模型，并按AISC 335-89规范对所有构件的强度和稳定性进行了校核，解决了大型钢结构件在复杂工况下的强度及稳定性分析的技术难点，在保证了钻台的强度及稳定性的基础上提高了平台建造的经济性[8-9]。

4 结 语

从全球海洋钻井平台的发展趋势来看，满足超深水作业、承受较大可变载荷、全自动化控制、作业效率更高的半潜式平台[10]依旧是今后发展的主流趋势。第七代半潜式钻井平台钻台主要设计参数的达到性能先进、安全可靠的标准要求，其设计处于国内领先、世界先进的水平，满足超深水钻井平台的需求。同时，这也是国内首次独立设计、自主研发的第七代钻井平台配套用的钻台，填补了国家在超深水钻井平台钻台设计方面的空白。

第七代半潜式钻井平台钻台的成功设计，积极响应了“中国制造2025”战略方针的要求，对推动海洋石油装备关键产品的国产化具有积极的意义。