济南金力液压机械有限公司

摘要: 挖掘圆柱桩腿自升式平台的潜力，扩大其适应范围，提高其作业性能对于我国边际油田的开发具有重要意义。介绍了50m圆柱桩腿自升式钻井平台的总体设计和关键技术，包括船型优化、总体布置和主要设备配置，其关键技术为桩腿长度设计和布置优化、悬臂梁尺度优化及桩靴型式优化。该平台采用了多型平台结合的船型优化技术、水深与气隙组合的桩腿长度设计技术及分层喷冲技术，具有大插深、大气隙和多井组钻井等特点，与L －780MODⅡ型平台桁架桩腿相比具有较大的价格优势。实际使用结果表明，该平台入泥深度 20 m 并能顺利拔桩，作业气隙20m，完全适合我国浅海边际油田的勘探开发。

引言

圆柱桩腿自升式钻井平台具有吃水浅、造价低和建造工艺简单等特点，在我国浅海边际油田勘探开发中得到了广泛应用。但随着海上油田开发海域水深的增加及开发模式的变化，这些平台已不能适应发展要求，主要表现在: ①平台设计作业水深在35m以内，适应水深较浅; ②平台一次性就位钻井数量少，钻井效率低; ③主甲板的可利用面积有限; ④平台配置5 000 ～6 000m钻机，钻机能力较弱。同时，国外设计公司主要集中于深水平台的研究，圆柱腿自升式钻井平台的研究基本处于停滞状态。此外，根据国内外建造平台统计，桁架腿自升式平台造价比圆柱腿平台高出15% ～ 30%，日费用也高于圆柱腿平台。因此，挖掘圆柱桩腿自升式平台的潜力，扩大其适应范围，提升其作业性能对于我国边际油田的开发具有重要意义。

50m圆柱桩腿自升式钻井平台为国内自行设计建造，是同类型平台中作业水深深、综合性能强的平台,为我国浅海边际油田的勘探开发提供了装备保障。

1 平台总体设计

1.1

船型优化

L－780MODⅡ型平台形长 57.20 m，形宽 53.34m，形深7.62 m，设计作业水深 60.9 m，属于小型桁架腿钻井平台，其配置和性能与50m自升式平台基本相同，适合作为母型平台。经过分析，由于其桁架桩腿占用了平台主体较多的空间 (围阱区约占15%)，所以舱室可用空间及平台水线面积大为减小，在形长和形宽不变的情况下采用较大的形深。笔者所述平台采用圆柱桩腿，占用平台空间小 (约占1%)，平台水线面积损失也小，因此可以充分利用桁架桩腿预留出的空间，在满足设备布置、压载舱容量、平台稳性及干舷要求等前提下适当减台形深，终确定的平台主尺度为: 形长54.00 m，形宽52.00 m，形深5.50m。在作业水深方面，我国渤海区域油田大部分水深为2 ～35 m，少数水深为40 ～ 50m，而目前渤海湾圆柱桩腿自升式平台作业水深均在 35 m 以下，不满足渤海湾较大插桩深度和大气隙作业要求，本平台选取50m的设计水深，可以满足胜利海上油田勘探开发要求，同时填补了圆柱桩腿平台与桁架腿平台 (一般设计水深在60m以上之间的作业水深空白。

1.2

总体布置

50m自升式钻井平台立面图如图1所示。该型平台主要包括井架及钻台、悬臂梁、桩腿、桩靴、平台主体、升降系统、起重机、生活区及飞机平台等结构，采用独立三桩腿结构形式，有利于降低平台造价。独立桩腿提高了平台插、拔桩的灵活性，从而增强了平台对渤海湾复杂地质条件的适应力。平台桩靴能够完全收回至平台体内，从而减少拖航吃水，兼顾到浅水区域作业。

1.2.1

主甲板布置

主甲板分为3个功能区进行布置，分别是: ①尾部钻井设备区，主要设有悬臂梁、钻井液固控设备、固井泵橇和燃烧臂等; ②中部散料堆放区，设有散料场地、钻杆堆场及水泥灰和重晶石罐; ③生活区，设有生活区和直升机甲板。图2为主甲板布置图。与早期圆柱桩腿钻井平台相比，该平台主甲板增加了2个钻杆堆场，提高了平台钻具的存储能力。平台左、右舷分别设有1台35t起重机，左舷起重机靠台尾部，在悬臂梁大外伸时还能抵达钻台位置，为钻台设备维修提供便利。

1.2.2

舱室布置

图3为平台的腔室布置图。采用目前主流桁架腿平台设备入舱和双底结构的理念，平台主体四周为压载舱，中间为机械舱室区，机械舱室区均设有双层底，双层底空间用作压载舱。该种布局可以有效保护舱室设备，充分利用平台空间，使主甲板存有较大的作业面积。

为保证平台纵向强度和支撑悬臂梁，平台主体对称设有 2 道连续纵向舱壁，形成了较为宽敞的规整空间，适合于布置大型设备舱室。考虑到舱室间的关联性，该空间依次布置有钻井液舱、钻井泵舱、主机舱 (内设空压机组) 和配电舱。为了防止钻井液舱的可燃有毒气体扩散到钻井泵舱，同时又便于人员进出，两舱采用内部正压通风的空气闸联通。与主流桁架腿平台相比，本平台钻井液舱位于平台尾部而不是平台中部，从而优化了整个钻井液流程，防止了危险区扩散，便于其他设备布置。其不利之处是: 平台钻井作业期间钻井液舱会加大尾桩载荷，由于本平台悬臂梁外伸量仅 12 m，加之主甲板首部水泥灰罐和重晶石罐的调载作用，3根桩腿垂向受力基本均匀，综合考虑，尾部钻井液舱对于浅水圆柱桩腿自升式钻井平台是一种优化的布局方式。平台设置了独立的左、右泵舱，便于设备集中管理及流程管线的布置，有利于减台重力。

机械舱室外的其他舱室均用作液舱，尾部对称设有2个淡水舱，首部对称设有2个燃油舱，淡水舱与燃油舱之间可分别通过调拨泵进行调拨，这样平台拖航时通过调节淡水舱和燃油舱的装载量即可实现纵向及横向调载，免去压载水调载。此外，平台还特别设有生活污水舱和钻井污液舱，以适应渤海湾零排放的环保要求。

1.2.3

总体布置特点

(1)平台设备分类集中布置的原则，同类设备尽量集中布置，如钻井类设备、动力类设备、供配电类设备及泵类设备等。

(2)充分利用可变载荷进行平台调载的原则，如淡水舱和燃油舱，钻井载荷和水泥灰罐、重晶石罐等。

(3)危险区集中控制原则。如将钻井用的设备、管线集中布置，尽量避免危险区的扩大，有利于平台的防火、防爆安全。

(4) 水密舱壁的设置满足舱室功能和破舱稳性的要求，如液舱和机械舱室之间、不同类型的液舱之间均设有水密舱壁，平台任意舱室破损保持不沉等。

1.3

主要设备配置

1.3.1

电站

依据平台用电负荷设置电站，该型平台大用电工况为钻井作业，总负荷约为4300kW，配置4台1600kW的主发电机组，三用一备(发电机负荷率为89.6%)，4台可以长期并联使用，该种配置便于设备维修和延长主发电机组寿命。平台在停泊工况下用电负荷为520kW，设有1台600kW应急发电机组，同时兼做停泊发电机组。在停泊状态时，仅启动该发电机组向停泊设备供电，这样可以节省燃油，降低平台日费用，而在应急状态时只需切断停泊设备转为应急设备供电即可。主发电机组和应急发电机组之间设有互锁电路，以确保供电安全。

1.3.2

升降系统

自升式钻井平台需要经常移位，升降频繁，而电动齿轮齿条升降系统具有升降速度快及维修方便等优点，因此本平台配置该种升降系统。平台设计举升总质量6099t，由于平台偏心的影响，计算单桩大举升质量2300t。全平台共设18个升降能力为450t的升降单元，每根桩腿设有6个升降单元，单根桩腿正常升降能力为2700t，平台升降能力为8100t，升降速度0.4m/s。在实际使用中，考虑到桩腿与平台之间的摩擦，升降能力通常选取10%的折减系数，则单根桩腿正常升降能力2430t，平台升降能力7290t，满足平台正常使用要求。

1.3.3

钻井设备

根据胜利海上油田的油藏分布和多年的勘探开发经验，7000m钻机能够满足海上油田钻探需求，因此本平台钻井系统按照海上标准7000m钻机配置，顶驱可以显著提高钻井作业效率，并已成为石油钻井行业的标准产品，此外还包括3台F－1600钻井泵，五级钻井液净化设备，开式和闭式2套钻井液加重系统以及重晶石密闭输送系统。钻井系统采用全数字化交流变频电传动系统，绞车、转盘和钻井泵可实现无级调速。

2 关键技术

2.1

桩腿

2.1.1

桩腿长度

桩腿长度直接关系到平台适应水深的能力和作业气隙高度。海上平台钻井作业主要有探井作业和开发井作业，探井作业时采用隔水套管，气隙高度满足规范要求即可。开发井则是在导管架平台上方钻井作业，气隙高度除了满足规范要求外，还要根据导管架平台实际布置确定。目前，大型导管架平台设有多层油气处理设施，新设计的采修一体化导管架平台气隙可达到 27 m，因此，本平台桩腿长度根据不同的水深和气隙高度进行组合，共分为4种基本作业工况，其中大作业水深50m，大作业气隙28m。表1为桩腿长度计算结果。

2.1.2

桩腿布置优化

桩腿是平台的支撑结构，合理布置桩腿有利于桩腿受力和平台底座的稳定等。桩腿分布包括桩腿形心位置及桩腿间距。

(1)桩腿形心。本平台3根桩腿连线形成的三角形的形心就是桩腿形心位置，当平台的和桩腿形心重合时，3根桩腿受到的平台重力作用相同，对3根桩腿的结构及升降系统都有利，因此在确定桩腿形心时，以平台作为目标，达到桩腿的优化布置。

(2) 桩腿间距。增大桩腿间距能够减小环境载荷引起的垂向作用力，有利于桩腿的强度，并能够提高平台整体刚度和抗倾能力。因此本平台桩腿纵向间距43.0m，横向间距41.5m。经过桩腿的布置优化，平台重力引起的桩腿对地压力(见表2)基本接近，有利于桩腿的强度和稳定性，这对于50m水深的圆柱形桩腿非常重要。

2.2

悬臂梁尺度优化

悬臂梁尺度关系到平台一次性就位的钻井数量和平台设备布置，因此在确定悬臂梁长度时需综合考虑钻井数量、平台主体尺寸及设备布置等因素。依据目前海上油田开发方式，悬臂梁按照一次性就位 30 口井设计。悬臂梁长度 L 按下式计算:L = Le Lp Ld Δ 式中，Le为悬臂梁有效长度，即转盘中心至平台尾端的大距离，井口呈6 × 5 分布，间距取1.8m，安全作业空间取3.0m，则Le为12.0 m; Lp为平台尾端至锁紧机构的距离，较小的 Lp可以缩短悬臂梁长度，有利于甲板设备布置，但会造成锁紧机构及与其相连的船体、悬臂梁处的局部应力过大，不利于结构设计，较大的Lp则会产生相反的效果，综合总体布置和结构设计后取11.0 m; Ld为转盘中心至钻台主梁外缘的距离，取5.6m; Δ为悬臂梁预留长度，取1.0m。计算得悬臂梁小长度为29.6m。

2.3

桩靴

针对不同海域的地层特点，采用桩靴深插理念，优化桩靴型式，提高平台对复杂地层的适应能力，提高平台的拔桩性能和站立稳性。

2.3.1

进排水桩靴

平台桩靴平面为正八边形，对边尺寸为 11.5m × 11.5m，容积为105m3，设计对地压力320kPa，桩靴立面采用了纺锤形结构，有利于插桩和拔桩作业。桩靴设有进水和排水系统，在平台预压作业时，桩靴内注入海水以增大平台对地压力，而在拔桩作业时利用压缩空气将桩靴内的海水排掉，以减台的重力，增强平台的拔桩能力。

2.3.2

拔桩喷冲系统

拔桩阻力主要由桩靴底部吸附力、桩靴侧摩阻力、桩靴上部土重及上部土体剪切力等组成，针对拔桩阻力的构成优化喷冲系统。

(1)分层喷冲技术。桩靴上面板、下面板及侧立板均设有喷嘴，可对桩靴上部、下部及侧面泥土进行喷冲; 喷嘴射流方向与桩靴表面基本平行，保持较小的向上倾角，射流呈交叉网状分布，对泥土进行分层破坏，提高了喷冲效果。

(2)海水和压缩空气双介质喷冲。桩靴上部和侧面喷嘴接钻井泵，钻井泵压力高，可对上部和周边土体造成强烈破坏，减小侧摩阻力和上部土体的重力; 桩靴下部喷嘴接消防水泵，采用液气双向流快速填充桩底土层间隙，现场实施证明，此喷冲系统比传统的高压水喷冲方式能够更有效地克服真空吸附力。

3 建造与应用

该型钻井平台的首造平台 “胜利十号钻井平台”于2010年建成竣工，平台投产后即受到用户的青睐。美国能源公司(EDC)该平台为其进行钻井作业，平台入泥深度8m，作业气隙20m，运行状况良好。2011年9月，胜利十号钻井平台到达波斯湾钻井，平台入泥深度20m,并顺利拔桩，为平台用户外闯国际市场打下了基础。

该型平台的造价约5亿元，与其功能相近的L－780MODⅡ型平台造价约 7 亿元，两者造价相差2亿元，其造价差别主要来自平台的结构形式，即桁架桩腿和与其配套的升降系统、锁紧机构。由此可见，圆柱桩腿自升式平台仍不失为浅海边际油田的钻井装备。

4 结论

(1)50m自升式钻井平台针对渤海海域油田水深、地质结构和油田开发模式，采用了多型平台结合的船型优化技术、水深与气隙组合的桩腿长度设计技术及分层喷冲技术，从而形成了具有大插深、大气隙、多井组钻井作业特点的圆柱桩腿自升式钻井平台新模式，实际应用结果表明，该平台完全适合我国浅海边际油田的勘探开发。

(2)该型钻井平台采用了圆柱桩腿结构，与L－780MODⅡ型平台桁架桩腿相比具有较大的价格优势，提高了边际油田开发的经济性。

（来源：根据胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院崔希君文章整理） 次数用完API KEY 超过次数限制