自升式多功能平臺5000m海洋鉆機設計

鄭凱 張磊

【摘要】為了優化自升式多功能海洋鉆機的功能，提升工作效率，在復雜海洋環境下進行獨立鉆進或修井等作業，必須根據操作經驗，借助理論知識設計及有限元的測試法構造出應力測試法，設計具有多功能的5000m海洋鉆機。經過反復研究和不斷探索，終于在現場實驗和場內測試等的作用下完成了5000m海洋鉆機，可以實現設計、制造、安裝和多項操作規范，具有很高的適應性。

【關鍵詞】自升式平臺；海洋鉆機；結構設計；型式實驗；海洋鉆機

隨著全球經濟的變化，海上油氣勘探越來越活躍，為了促進自升式平臺的發展，必須及時提升其使用功能和作業能力。HYSY281是國內比較先進的多功能自升式平臺，主要由船殼、升降系統、輪機、樁腿等組成。為了提升國內外海洋鉆井的競爭力，必須讓新型5000m海洋鉆機滿足HYSY281的使用要求。

一、海洋鉆機主要技術參數

固定井匯的定工作壓力為70MPa，鉆深范圍控制在5000米，節流壓井管匯額定工作壓力是70MPa，最大鉤載是3150kN，立管匯額定壓工作壓力為35MPa，絞車額定功率是1100kW，鉆臺橫向范圍控制在3.5米之間，游動系統繩數為12，鉆臺橫導軌中心距離控制在9.144米，最大快繩拉力是350kN，井架高度是46.6米，轉盤開口直徑是952.5毫米。

二、海洋鉆機設計主要結構

（一）總體設計

為了提升海洋鉆井平臺作業效率，縮短井下中心到船艉的距離，可以將鉆機設計為側開門結構。為了給日后檢修和操作工作帶來便捷，可以將轉盤驅動設置在船艉，鉆桿坡道右側布置司鉆房。鉆臺主要布置如下圖1所示。

（二）鉆臺底座

5000海洋鉆機鉆臺尺寸可以控制在16米×14米，為了減少碼頭或平臺的焊接，可以對底座模塊設計進行優化，將焊接和現場制作等控制在陸地或場內完成。經過對臺面內部設備的分析發現，可以將鉆臺底座劃分為船艉邊橇、船艏邊橇、轉盤驅動裝置安裝座、立根盒橇、絞車安裝橇、轉盤大梁、鉆桿滑道、節流壓井管匯安裝橇、空氣罐安裝橇等橇如下圖2所示。

（三）井架

將井架設計成瓶式塔形結構，以二層臺立體為節點，立根以下設置為直段，以上為斜段，各桿件交互交錯，實現抗風、承載等功能；可以將井架結構劃分為天車和井架段進行組裝。井架向平臺安裝時，可以將二層臺作為分解，分為兩大段，實施2次浮吊動復員，在現有結構的基礎上，利用組合和變異等對井架所需附件進行設計，提高井架設計質量。

（四）絞車

使用交流變頻電驅動絞車，2檔減速、雙面盤剎結構，此種結構具有轎車特性寬、剎車穩定等特點，絞車輔助剎車采用能耗制動，絞車主剎車為盤剎，利用定量計算、定位控制等提升絞車的安全性。配置獨立的送鉆裝，并采用計算機自動送鉆技術實施制動送鉆并對井下鉆進狀況進行控制，保證電動機發生故障后，依然可以活動鉆具。

三、海洋鉆機計算和型式試驗

（一）有限元計算

按照API Spec4F的第三版要求，采用有限元分析軟件對海洋鉆作業和吊裝等有限元進行計算和分析，同時計算出穩定性判別值UCR大于0.92小于1，井架結構桿件細比LRRT最大是84，小于受壓構件細比的15，符合規范要求。

（二）型式試驗

海洋鉆機試驗主要進行出廠試驗和海洋現場聯合試驗。各個鉆機的主要部件分別進臺架跑和試驗和拉力試驗，同時對高壓管匯和低壓管匯等進行耐力試驗，調整整機的靜載應力，并進行其他系統試驗。

進行出廠試驗時，為了提升井架和底座的安裝性能，可以給鉆機主結構設計進行組裝并模擬碼頭現場安裝過程。進行場內整機組裝時，必須合理設計組裝程序，控制好吊機使用資源，提高鉆機生產力度，減少鉆機安裝成本，保證作業安全。

利用大鉤拉地錨進行荷載試驗。完成每級加載后，再進行下一級試驗，保證鉆機試驗的靈活、方便和操作快捷。進行實際應力測試值計算時，可以按照下式計算

其中表示儀器靈敏系數， 表示電阻應變靈敏系數，表示屏蔽導線電阻值，表示電阻應變片電阻值，E表示彈性模量；表示應變測試量。測試結果顯示各個鉤載下的結構應力符合API相關規范要求。

結束語

海洋鉆機的設計、制作和焊接等都通過了CCS審核，同時對鉆機全過程進行監造，在渤海灣等完成了修井作業。海洋裝機符合HSE規范，而且有較強的防爆、防潮、耐高溫和承載能力強等特點，具有較高適應性。

參考文獻

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