自升式多功能平台5000m海洋钻机设计

郑凯 张磊

【摘要】为了优化自升式多功能海洋钻机的功能，提升工作效率，在复杂海洋环境下进行独立钻进或修井等作业，必须根据操作经验，借助理论知识设计及有限元的测试法构造出应力测试法，设计具有多功能的5000m海洋钻机。经过反复研究和不断探索，终于在现场实验和场内测试等的作用下完成了5000m海洋钻机，可以实现设计、制造、安装和多项操作规范，具有很高的适应性。

【关键词】自升式平台；海洋钻机；结构设计；型式实验；海洋钻机

随着全球经济的变化，海上油气勘探越来越活跃，为了促进自升式平台的发展，必须及时提升其使用功能和作业能力。HYSY281是国内比较先进的多功能自升式平台，主要由船壳、升降系统、轮机、桩腿等组成。为了提升国内外海洋钻井的竞争力，必须让新型5000m海洋钻机满足HYSY281的使用要求。

一、海洋钻机主要技术参数

固定井汇的定工作压力为70MPa，钻深范围控制在5000米，节流压井管汇额定工作压力是70MPa，最大鉤载是3150kN，立管汇额定压工作压力为35MPa，绞车额定功率是1100kW，钻台横向范围控制在3.5米之间，游动系统绳数为12，钻台横导轨中心距离控制在9.144米，最大快绳拉力是350kN，井架高度是46.6米，转盘开口直径是952.5毫米。

二、海洋钻机设计主要结构

（一）总体设计

为了提升海洋钻井平台作业效率，缩短井下中心到船艉的距离，可以将钻机设计为侧开门结构。为了给日后检修和操作工作带来便捷，可以将转盘驱动设置在船艉，钻杆坡道右侧布置司钻房。钻台主要布置如下图1所示。

（二）钻台底座

5000海洋钻机钻台尺寸可以控制在16米×14米，为了减少码头或平台的焊接，可以对底座模块设计进行优化，将焊接和现场制作等控制在陆地或场内完成。经过对台面内部设备的分析发现，可以将钻台底座划分为船艉边橇、船艏边橇、转盘驱动装置安装座、立根盒橇、绞车安装橇、转盘大梁、钻杆滑道、节流压井管汇安装橇、空气罐安装橇等橇如下图2所示。

（三）井架

将井架设计成瓶式塔形结构，以二层台立体为节点，立根以下设置为直段，以上为斜段，各杆件交互交错，实现抗风、承载等功能；可以将井架结构划分为天车和井架段进行组装。井架向平台安装时，可以将二层台作为分解，分为两大段，实施2次浮吊动复员，在现有结构的基础上，利用组合和变异等对井架所需附件进行设计，提高井架设计质量。

（四）绞车

使用交流变频电驱动绞车，2档减速、双面盘刹结构，此种结构具有轿车特性宽、刹车稳定等特点，绞车辅助刹车采用能耗制动，绞车主刹车为盘刹，利用定量计算、定位控制等提升绞车的安全性。配置独立的送钻装，并采用计算机自动送钻技术实施制动送钻并对井下钻进状况进行控制，保证电动机发生故障后，依然可以活动钻具。

三、海洋钻机计算和型式试验

（一）有限元计算

按照API Spec4F的第三版要求，采用有限元分析软件对海洋钻作业和吊装等有限元进行计算和分析，同时计算出稳定性判别值UCR大于0.92小于1，井架结构杆件细比LRRT最大是84，小于受压构件细比的15，符合规范要求。

（二）型式试验

海洋钻机试验主要进行出厂试验和海洋现场联合试验。各个钻机的主要部件分别进台架跑和试验和拉力试验，同时对高压管汇和低压管汇等进行耐力试验，调整整机的静载应力，并进行其他系统试验。

进行出厂试验时，为了提升井架和底座的安装性能，可以给钻机主结构设计进行组装并模拟码头现场安装过程。进行场内整机组装时，必须合理设计组装程序，控制好吊机使用资源，提高钻机生产力度，减少钻机安装成本，保证作业安全。

利用大钩拉地锚进行荷载试验。完成每级加载后，再进行下一级试验，保证钻机试验的灵活、方便和操作快捷。进行实际应力测试值计算时，可以按照下式计算

其中表示仪器灵敏系数， 表示电阻应变灵敏系数，表示屏蔽导线电阻值，表示电阻应变片电阻值，E表示弹性模量；表示应变测试量。测试结果显示各个钩载下的结构应力符合API相关规范要求。

结束语

海洋钻机的设计、制作和焊接等都通过了CCS审核，同时对钻机全过程进行监造，在渤海湾等完成了修井作业。海洋装机符合HSE规范，而且有较强的防爆、防潮、耐高温和承载能力强等特点，具有较高适应性。

参考文献

[1]迟愚，刘照伟，史海东.全球海洋钻井平台市场现状及发展趋势[J].国际石油经济，2011，（12）.

[2]涂孝军.7000m海洋钻机模块化设计研究[J].中国石油大学，2014，（03）.