杜 仲，劉永剛，畢鐵滿，李 偉，王金光

（1. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116000；2. Technip MHB Hull Engineering，吉隆坡 50400）

0 引 言

20世紀(jì)60年代初，鉆井支持平臺(tái)主要應(yīng)用于墨西哥灣水域水深150m以下的固定式平臺(tái)中；從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，鉆井支持平臺(tái)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，至今已在7000多口油井中得到應(yīng)用。隨著海洋工程技術(shù)的不斷發(fā)展，這種平臺(tái)逐步在深水干式采油樹(shù)平臺(tái)中得到應(yīng)用，并衍生出一種可靠、高效、成熟的油田開(kāi)發(fā)策略。鉆井支持平臺(tái)主要應(yīng)用于邊際油田和深水油田的開(kāi)發(fā)中，同時(shí)因具有一定的靈活性而能輔助完成老舊平臺(tái)的鉆井作業(yè)和其他一些特殊作業(yè)。

1 鉆井支持平臺(tái)輔助鉆井作業(yè)分析

采用鉆井支持平臺(tái)輔助鉆井最顯著的優(yōu)勢(shì)之一是能減輕鉆井包的質(zhì)量。典型鉆井負(fù)荷對(duì)比見(jiàn)表1。鉆機(jī)平臺(tái)上的鉆井設(shè)備單元只需包含井架、井架底座、吊運(yùn)設(shè)備和部分固相控制設(shè)備，而泥漿泵、動(dòng)力裝置、物資存儲(chǔ)裝置、生活單元、長(zhǎng)井或深井作業(yè)需要的大量泥漿（特別是多種泥漿的情況）和套管等都可布置在支持平臺(tái)上。鉆井支持平臺(tái)上的鉆井設(shè)備單元相對(duì)較輕，只有平臺(tái)鉆機(jī)的20%～25%，可利用支持平臺(tái)自身的吊裝設(shè)備將其安裝到鉆機(jī)平臺(tái)上，不需要額外租用工作船或起吊船。深水平臺(tái)和超深水平臺(tái)的建造費(fèi)用和安裝費(fèi)用都很高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每減小1kg工作載荷，可節(jié)省5～35美元的成本。

表1 典型鉆井負(fù)荷對(duì)比 單位：t

與采用獨(dú)立的鉆機(jī)平臺(tái)的方式相比，采用鉆井支持平臺(tái)輔助鉆井作業(yè)的方式可提升10%～25%的工作效率。輔助鉆井的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

1) 鉆井設(shè)備單元區(qū)域更小。在同等作業(yè)能力下，鉆井設(shè)備單元水平和懸垂所占據(jù)的空間大概是平臺(tái)鉆機(jī)的1/3。

2) 能快速立井。對(duì)于大型鉆機(jī)平臺(tái)的立井過(guò)程而言，不管是利用自身吊機(jī)還是借助起重駁船，通常都需耗費(fèi)20～30d的時(shí)間，而采用鉆井支持平臺(tái)可在2～3d內(nèi)完成。

3) 具有額外的居住和建造功能。鉆井設(shè)備單元移出之后，臨時(shí)生活單元可布置在甲板上。平臺(tái)的甲板空間和配備的大型吊機(jī)可滿足建造工作的需求。

4) 具有額外的存儲(chǔ)空間。在鉆井作業(yè)開(kāi)始之前，工作船運(yùn)輸?shù)膯尉@探物資都可裝載在輔助平臺(tái)上，這可使工作船因海況限制而引起的停工期縮短。

5) 試井效率更高。高速率試井需要高負(fù)載、大尺寸的設(shè)備：用于存儲(chǔ)洗井液的大體積水槽、試井油氣火炬臂架和大量的冷卻水，這些因鉆機(jī)平臺(tái)甲板空間有限而無(wú)法布置的設(shè)備都可存放在輔助鉆井平臺(tái)上。

6) 具有輔助功能。在輔助鉆井的同時(shí)，支持平臺(tái)能提供充足的甲板空間、生活單元和存儲(chǔ)能力及分離焊接區(qū)域，可用于線纜和軟管等設(shè)備的檢查及生產(chǎn)設(shè)備的安裝和維護(hù)。

7) 具有獨(dú)立的安全港。一旦鉆機(jī)平臺(tái)出現(xiàn)緊急狀況，鉆井支持平臺(tái)可作為營(yíng)救和指揮中心，并可節(jié)省守備船使用過(guò)程中產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用。鉆井支持船在固定式平臺(tái)上的應(yīng)用見(jiàn)圖1。

圖1 鉆井支持船在固定式平臺(tái)上的應(yīng)用

2 半潛式鉆井支持平臺(tái)的發(fā)展歷程和適用條件

目前全球范圍內(nèi)有約25個(gè)輔助鉆井平臺(tái)，其中有4臺(tái)為半潛型。自20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，一些鉆井承包商和運(yùn)營(yíng)商嘗試臨時(shí)改裝已有的半潛式鉆井平臺(tái)，以輔助鉆井平臺(tái)的模式運(yùn)作，取得很大的成功。半潛式鉆井支持平臺(tái)的出現(xiàn)使得輔助鉆井的模式發(fā)展到一個(gè)新的階段。半潛式鉆井支持平臺(tái)優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)性能使得其能在相對(duì)惡劣的海況下作業(yè)。半潛式輔助鉆井平臺(tái)逐步成為深水油田區(qū)域和超深水油田區(qū)域開(kāi)發(fā)中的一種可靠選擇，其性能比以往的單體平臺(tái)更優(yōu)，主要表現(xiàn)在：

1) 更好的運(yùn)動(dòng)性能。特別是在安裝和卸載鉆井設(shè)備單元及傳遞較大的模塊或結(jié)構(gòu)的工程中。

2) 更高的空間利用率。主要是新的設(shè)備布局允許在以往的起吊區(qū)域存儲(chǔ)和放置消耗品。

3) 井架起升作業(yè)更便利。與半潛式輔助鉆井平臺(tái)相比，單體船或駁船通常需將船舷調(diào)整到靠近平臺(tái)的位置進(jìn)行井架起升作業(yè)，然后再將船尾調(diào)整到靠近平臺(tái)的位置進(jìn)行其他作業(yè)。

4) 自身更高的甲板高度使得其起重設(shè)備更容易延伸到40m高度的生產(chǎn)平臺(tái)的位置。

5) 更好的定位可靠性。單體船對(duì)橫向載荷和系泊破斷很敏感，在靠近平臺(tái)時(shí)不允許隨海況的變化而改變方位。

6) 能縮短因作業(yè)海況限制而引起的停工期。

在一定的水深范圍內(nèi)和一定的海底地質(zhì)條件下，自升式平臺(tái)是完成鉆井作業(yè)的首選；而在相同的作業(yè)區(qū)域和規(guī)格要求下，鉆井平臺(tái)的造價(jià)通常低于鉆井支持平臺(tái)。因此，鉆井支持平臺(tái)具有特定的應(yīng)用條件。在實(shí)際項(xiàng)目中，鉆井支持平臺(tái)的應(yīng)用對(duì)象主要包括：

1) 工作水深相對(duì)較深并且承載能力和空間有限的固定式平臺(tái)。

2) 自身性能下降或因安裝其他設(shè)備導(dǎo)致空間或承載能力受限的老舊平臺(tái)。

3) 覆蓋特定井口數(shù)量的Spar或張力腿平臺(tái)（Tension Leg Platform, TLP）。

生產(chǎn)平臺(tái)的工作性能會(huì)隨著工作年限的增加而下降，生產(chǎn)設(shè)備的安裝會(huì)減少甲板的使用空間和降低平臺(tái)的承載能力，在開(kāi)發(fā)新井時(shí)可能已失去原有的獨(dú)立鉆井能力。鉆井支持平臺(tái)對(duì)這類(lèi)老舊平臺(tái)具有獨(dú)特的吸引力。

對(duì)于需優(yōu)先考慮質(zhì)量和空間問(wèn)題的深水Spars和TLP：若井口數(shù)量為9～24個(gè)，則適合選用鉆井支持平臺(tái)；若井口數(shù)量少于9個(gè)，則對(duì)應(yīng)平臺(tái)的尺寸較小，無(wú)法承受任何形式的井架或鉆井設(shè)備單元，因此鉆井作業(yè)需由其他平臺(tái)來(lái)完成；若井口數(shù)量超過(guò) 24個(gè)，則對(duì)應(yīng)平臺(tái)體積龐大，足以承受模塊化鉆機(jī)的作業(yè)載荷并滿足鉆井作業(yè)對(duì)甲板面積的需求，因此不需要鉆井支持平臺(tái)的輔助。

3 TLP選用鉆井支持平臺(tái)的主要特點(diǎn)

TLP可應(yīng)用干式采油構(gòu)架，在深水作業(yè)或超深水作業(yè)中具有良好的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。TLP對(duì)工作載荷和甲板面積有特定的限制，其鉆井作業(yè)主要采用以下3種方案：

1) 使用自身配置的鉆井設(shè)備鉆井。包括鉆井塔、電力供應(yīng)裝置和立管在內(nèi)的整個(gè)鉆井包及泥漿等鉆井消耗品全部安置在平臺(tái)上。

2) 完全依賴(lài)其他平臺(tái)鉆井。當(dāng)獨(dú)立的鉆井平臺(tái)被定位到井口上方進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，TLP被暫時(shí)移出原來(lái)的工作區(qū)域。

3) 依托鉆井支持平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合鉆井。當(dāng)需要進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，將鉆井塔安裝在TLP上；鉆井過(guò)程中用到的消耗品、發(fā)電設(shè)備及鉆井人員的起居場(chǎng)所都可安置到鉆井支持平臺(tái)上。

鉆井作業(yè)周期取決于井槽的數(shù)量和油井的深度。對(duì)于TLP來(lái)說(shuō)，其鉆井作業(yè)周期相對(duì)于使用壽命較短。然而，鉆井配套設(shè)施對(duì)平臺(tái)的浮體尺寸和張力腿強(qiáng)度（甚至是總體結(jié)構(gòu)）有很大的負(fù)面影響。因此，合理地減小鉆井工作載荷非常必要。相對(duì)于配置完整的鉆井設(shè)備，使用鉆井支持平臺(tái)的TLP可減小約75%的鉆井工作載荷，相應(yīng)地降低約75%的甲板面積要求，這可有效降低船體和張力腿的造價(jià)。這源于移除，移除的主要部分包括鉆井生活模塊、鉆井電力供應(yīng)設(shè)備、泥漿和水泥的存儲(chǔ)、泥漿的處理和清理設(shè)備、管架存儲(chǔ)、立管存放、完井液的儲(chǔ)備、鉆井水存儲(chǔ)及燃油存儲(chǔ)。TLP使用鉆井支持平臺(tái)的一個(gè)天然優(yōu)勢(shì)是其定位由自身跨度很小的張力腿來(lái)實(shí)現(xiàn)，這有利于控制兩浮體定位系統(tǒng)之間的干涉。2000年以后建造的TLP匯總見(jiàn)表2，鉆井支持平臺(tái)輔助鉆井的模式已在墨西哥灣、西非、巴西和東南亞海域得到應(yīng)用。

表2 2000年以后建造的TLP匯總

4 TLP與鉆井支持平臺(tái)聯(lián)合作業(yè)的設(shè)計(jì)工況和考慮因素

TLP與鉆井支持平臺(tái)聯(lián)合作業(yè)的設(shè)計(jì)工況包括：

1) 鉆井設(shè)備轉(zhuǎn)移和安裝。部分設(shè)備的轉(zhuǎn)移對(duì)兩浮體之間的距離和方位有嚴(yán)格限制。

2) 輔助鉆井作業(yè)。柔性軟管一方面向干樹(shù)井傳送高壓泥漿，另一方面保障鉆井氣體供應(yīng)和低壓泥漿回流；臍帶纜用于信號(hào)控制和電力供應(yīng)；伸縮式舷梯為工作人員提供往返的通道，保持連接狀態(tài)。

3) 等待和避離。

鉆井支持平臺(tái)與TLP聯(lián)合作業(yè)實(shí)況見(jiàn)圖2，其典型的作業(yè)工況見(jiàn)圖3～圖5。

圖2 鉆井支持平臺(tái)與TLP聯(lián)合作業(yè)實(shí)況

圖3 輔助鉆井作業(yè)

圖4 鉆井設(shè)備轉(zhuǎn)移與安裝

圖5 避離工況

鉆井支持平臺(tái)輔助鉆井作業(yè)過(guò)程中面臨的最大挑戰(zhàn)是控制兩浮體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[3-4]。實(shí)踐結(jié)果證明：布置于TLP與鉆井支持平臺(tái)之間的纜繩可有效同步兩浮體的運(yùn)動(dòng)，從而減弱彼此間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，作為一種從動(dòng)的定位系統(tǒng)，可提供安全高效的作業(yè)條件。整個(gè)系泊系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)為：兩浮體之間由2根或4根尼龍繩連接；在TLP遠(yuǎn)離鉆井支持平臺(tái)的一端布置多條系泊纜來(lái)提供反向的水平拉力，以保證兩浮體之間的纜繩保持張緊狀態(tài)；鉆井支持平臺(tái)自身的定位由散布的張緊式系泊纜實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在遠(yuǎn)離TLP一端的系泊纜上安裝浮筒來(lái)提供額外的水平拉力。這種相互聯(lián)動(dòng)的定位方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)調(diào)整各條系泊纜的長(zhǎng)度來(lái)確保TLP位于井口正上方。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮并能保證選取的纜繩既可有效限制兩浮體之間的低頻相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又有足夠的彈性減小浮體波頻運(yùn)動(dòng)引起的張力。

對(duì)于這種相對(duì)位置可調(diào)的多體運(yùn)動(dòng)而言，需根據(jù)作業(yè)要求規(guī)劃好2個(gè)平臺(tái)在不同條件下的名義距離，建立充分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表并進(jìn)行潛在碰撞分析。系泊系統(tǒng)的耦合作用和瞬態(tài)效應(yīng)通過(guò)時(shí)域分析來(lái)模擬，并在此基礎(chǔ)上評(píng)估浮體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[5-7]。

1) 在一年一遇的海況條件下，鉆井支持平臺(tái)開(kāi)展常規(guī)作業(yè)。這時(shí)應(yīng)保證纜繩斷裂后兩浮體間的瞬態(tài)最小距離不小于限定值；保持臍帶纜和泥漿軟管處于足夠松弛的狀態(tài)，不發(fā)生過(guò)載；分析系泊纜斷裂之后（破斷點(diǎn)包括導(dǎo)纜孔處、浮塊連接處、靠近錨連接處或錨連接處）各部分行進(jìn)的軌跡，確保浮塊、錨鏈和鋼絲繩既不會(huì)碰到TLP的船體和立管，也不會(huì)搭落于TLP系泊纜上。當(dāng)超過(guò)該海況條件時(shí)，需斷開(kāi)臍帶纜、泥漿軟管和通道的連接。

2) 在十年一遇的海況條件下，鉆井支持平臺(tái)進(jìn)入等待區(qū)域，仍通過(guò)纜繩與TLP連接。這時(shí)需考慮單根系泊纜斷裂的瞬態(tài)效應(yīng)并確保鉆井支持平臺(tái)與TLP不發(fā)生碰撞。

3) 在百年一遇的海況條件下，鉆井支持平臺(tái)斷開(kāi)與纜繩的連接，撤離到避離區(qū)域。這時(shí)需確保系泊系統(tǒng)在完整工況和破損工況下的完備性和冗余度，以避免與TLP發(fā)生碰撞。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了鉆井支持平臺(tái)輔助鉆井作業(yè)的發(fā)展歷程、主要優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用范圍及TLP對(duì)鉆井支持平臺(tái)的選用，主要闡述了鉆井支持平臺(tái)輔助TLP聯(lián)合作業(yè)的典型工況和前期設(shè)計(jì)過(guò)程中系泊設(shè)備的設(shè)計(jì)與選取及分析多體耦合系泊時(shí)需考慮的各種要求。鉆井支持平臺(tái)的應(yīng)用可降低油田區(qū)域開(kāi)發(fā)整體方案中浮體部分的功能性要求，減少浮體（特別是TLP）的前期資本投入。在浮體選型的概念設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)這種作業(yè)模式的經(jīng)濟(jì)性和適用性進(jìn)行綜合考量。