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深水半潜式钻井平台钻机系统选型与布局优化研究

作　者: 岳吉祥
导　师: 綦耀光
学　校: 中国石油大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 半潜式钻井平台钻机选型布局设计人机工程复杂大系统
分类号: TE951
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文结合国家高技术研究发展(863)计划海洋技术领域重大项目“深水半潜式钻井船设计与建造关键技术(课题编号:2006AA09A104)”,在大量运用和处理国外深水半潜式平台和海洋钻机各种数据基础上,运用复杂系统设计理论、数值分析和计算机仿真等技术,以提高深水钻井效率为主要目标,系统开展了平台钻机系统选型和布局优化设计等方面的研究。主要取得了如下研究成果:1.深水钻井作业工艺关键路径优化研究提高钻井作业效率是第六代半潜式钻井平台最重要设计目标,应用双井架钻机是提高(超)深水钻井作业效率的有效技术。本文采用并行工程理论和甘特图探讨双井架钻机并行作业和协作作业机理,突破钻井工艺顺序作业限制,将同一工序(过程)的部分辅助工作离线作业,优化了钻井作业关键路径;并进一步优化了配置双井架钻机钻井平台的单井和多井钻井作业工艺流程,显著缩短深水建井周期。在此基础上,初步建立了采用双井架钻机系统的钻井平台所需基本设备配置。2.钻机系统选型优化研究钻机系统决定平台钻井作业的效率,选择、配置深水半潜平台钻机系统是设计第六代半潜式钻井平台的关键。本文采用复杂大系统优化分解—协调理论,将深水钻机系统分解成钻机、材料输送系统、动力系统、控制系统和后勤服务系统等5个子系统,建立优化模型,重点对钻机和材料输送系统进行优化选型研究。研究了钻机结构配置与离线作业能力及作业效率关系,离线钻机配置越完整全面,作业效率提升越大,双井架钻机最大化发挥了并行与协作作业能力。双井架钻机相对离线钻机显著提高作业效率,但增加可变载荷和建造成本,受专利影响增加作业成本,采用投资回收模型和净现值模型综合分析表明:双井架钻机总体优于离线钻机。钻井材料的不同物化状态决定输送系统输送方式和配置,分别对钻井管具、专用设备和钻井液三类材料进行了输送方式和装备配置优化。从占用甲板面积、重心、总体布局和作业效率等因素对隔水管存储形式比分析可知,存储模式对总体布局影响大,立放模式有利于总体布局设计。分析影响隔水管作业的因素,提出了提高作业效率措施,尤其隔水管接头形式的选型应引起重视。3.钻机系统布局优化研究针对钻井系统布局兼有生产布局和复杂三维大系统布局特点,本文提出基于作业流程层次分解布局法,建立了布局理论、算法和布局流程。该方法以作业流程为基础,按材料输送系统输送模式划分子空间,子空间内进一步模块化,以模块为布局基本单位,对不同空间采用相应优化算法,完成布局初步方案。然后根据重心对平台布局进行调整,以提高稳性,最后进行安全规划,完成布局详细设计。该方案综合考虑作业效率、安全性、稳性和人因工程学多方面因素,具有工程操作可行性和优化性,在具有性能约束大系统三维布局设计方面具有独创性。以在建某863项目平台钻井系统为实例,设计布局方案,完成布局设计。采用三维软件对平台及钻井系统进行三维建模、装配仿真和作业流程动态仿真,进一步验证布局合理性。4.钻台自动化装备优化布局和基于人因工程学钻井控制室设计研究针对钻台自动化作业程度高的特点,基于三类不同管具作业流程和设备设施作业衔接关系,完成钻台自动化装备布局设计,有效协调各类管具的输送、暂存、交换和处理等自动化作业活动。综合运用数值计算和CAE仿真方法对双钻井中心在平台定位进行优化,确定了主辅钻井中心定位布局优化方案。本文运用人因工程学原理和标准对目标平台钻机控制室进行设计,实现信息通信协调机制,信息过载处理和作业群体之间相互协调。设计中具体设计采用三级控制、显示方式,实现基于流程自动控制和手动控制有机结合的控制方式,改变控制室设计基于设备集成的理念,提高了作业功效。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-19
第1章绪论  19-38
  1.1 课题背景  19-20
  1.2 研究的目的、内容及意义  20-22
  1.3 国内外相关研究进展  22-36
    1.3.1 半潜式钻井平台发展历程及相关研究进展  22-26
    1.3.2 深水海洋钻机系统特点、组成及发展  26-32
    1.3.3 复杂大系统理论相关研究  32-33
    1.3.4 生产系统布局相关研究  33-34
    1.3.5 三维带性能约束优化布局相关研究  34-35
    1.3.6 布局理论在工程实用中缺陷及措施  35-36
  1.4 本文研究内容  36-38
    1.4.1 论文主要工作  36-37
    1.4.2 论文组织结构  37-38
第2章深水半潜式钻井平台作业工艺研究  38-51
  2.1 深水钻井工艺特点与难点分析  38-39
  2.2 深水钻井工艺过程  39-40
  2.3 双井架钻机对钻井工艺关键路径影响  40-45
    2.3.1 基于并行工程的钻井工艺关键路径优化  40-42
    2.3.2 甘特图分析双井架钻机并行作业流程  42-44
    2.3.3 多井作业工艺  44-45
  2.4 目标平台配置设计  45-47
    2.4.1 平台的移位、转位、定位和水下安全检测能力  45-46
    2.4.2 自动化管具处理装备  46
    2.4.3 目标平台配置设计  46-47
  2.5 隔水管及海底工具作业工艺  47-49
    2.5.1 隔水管作业工艺  47-48
    2.5.2 大型海底工具作业工艺及特点  48-49
  2.6 本章小结  49-51
第3章深水半潜式钻井平台钻机选型研究  51-71
  3.1 深水钻机系统组成  51-53
    3.1.1 系统的分解－协调理论、方法  51-52
    3.1.2 深水海洋钻机系统组成  52-53
  3.2 钻机结构特点与作业效率关系  53-57
    3.2.1 深水海洋钻机结构特点  54
    3.2.2 离线作业与离线作业钻机  54-57
  3.4 钻机作业效率对比分析  57-63
    3.4.1 单井钻井作业效率对比  57-59
    3.4.2 多井钻井作业效率对比  59-63
    3.4.3 完井作业效率对比  63
  3.5 半潜式钻井平台钻机选择对可变载荷影响  63-64
  3.6 专利问题对钻机选型影响  64-65
  3.7 经济性评价  65-69
    3.7.1 投资回收期模型评价钻机选型方案  65-66
    3.7.2 增量净现值模型评价钻机选型方案  66-69
  3.8 本章小结  69-71
第4章深水半潜式钻井平台材料输送系统规划研究  71-86
  4.1 材料输送系统总体规划设计  71
  4.2 钻井管具处理系统规划  71-73
    4.2.1 管具处理系统模式  71-72
    4.2.2 管具处理系统作业流程及配置  72-73
  4.3 隔水管存储及输送方式选择研究  73-79
    4.3.1 深水半潜式平台隔水管存储形式  73
    4.3.2 隔水管存储面积及对稳性影响分析  73-75
    4.3.3 隔水管存储形式对结构强度及总体布局影响分析  75
    4.3.4 隔水管作业流程及作业效率分析  75-77
    4.3.5 提高隔水管作业效率工艺措施  77-79
  4.4 大型海底工具输送方式规划  79
    4.4.1 大型海底工具输送模式  79
    4.4.2 大型海底工具输送系统作业流程及配置  79
  4.5 钻井液类材料存储及输送方式规划设计  79-82
    4.5.1 泥浆系统输送方式设计  80-82
    4.5.2 固井系统输送方式设计  82
  4.6 深水钻井平台及钻井装备信息管理系统  82-84
    4.6.1 管理信息系统设计  82-83
    4.6.2 关键技术实现  83-84
  4.7 本章小结  84-86
第5章钻井系统总体布局设计理论、算法及原则研究  86-107
  5.1 钻机系统总体布局分解—协调理论  86-90
    5.1.1 钻井系统布局特点及影响因素分析  86-87
    5.1.2 钻机系统布局目标及原则  87
    5.1.3 复杂大系统分解—协调理论及算法  87-88
    5.1.4 总体布局算法与流程  88-90
  5.2 平台作业流程设计  90-91
  5.3 输送方式规划  91-92
    5.3.1 输送方式规划  91-92
    5.3.2 输送方式差异性分析  92
  5.4 基于分解—协调的两级分解  92-97
    5.4.1 平台子空间划分  92-93
    5.4.2 模块及模块化  93-94
    5.4.3 模块化方法  94-97
  5.5 平台不同子空间布局算法  97-98
    5.5.1 主甲板及钻台区布局算法  97
    5.5.2 下甲板布局算法  97-98
  5.6 存储规划  98-102
    5.6.1 可变载荷与自持力规划  98-102
    5.6.2 存储规划原则  102
    5.6.3 存储规划设计  102
  5.7 布局调整  102-103
    5.7.1 平台重心计算及调整原则  103
    5.7.2 提高平台稳性进一步讨论  103
  5.8 平台钻井系统安全规划  103-106
    5.8.1 危险区划分  103-105
    5.8.2 逃生通道规划  105
    5.8.3 通风设计  105-106
  5.9 本章小结  106-107
第6章钻台自动化装备布局规划研究  107-119
  6.1 钻台总体布局设计  107-110
    6.1.1 钻台自动化布局重要性  107-108
    6.1.2 钻台在平台定位分析  108-110
    6.1.3 钻台结构形式  110
  6.2 主辅钻井中心定位分析  110-115
    6.2.1 主辅钻井中心定位方案分析  110-111
    6.2.2 主辅钻井中心定位影响因素分析  111-115
  6.3 钻台自动化设备布局  115-118
    6.3.1 钻台设计原则  115
    6.3.2 钻台作业工艺流程  115-116
    6.3.3 自动管具处理与排管系统布置  116-118
  6.4 本章小结  118-119
第7章基于人因工程学的钻井控制室设计  119-129
  7.1 钻井控制室设计现状与目标  119-120
    7.1.1 海洋平台钻井控制室设计现状分析及发展趋势  119-120
    7.1.2 半潜式钻井平台控制室设计目标  120
  7.2 半潜式钻井平台控制室设计的任务需求分析  120-122
    7.2.1 控制室任务分析及控制方式选择  120-121
    7.2.2 人员编制与功能分配  121
    7.2.3 视野及视线分析  121-122
    7.2.4 信息与通信  122
  7.3 半潜式钻井平台控制室基本设计  122-126
    7.3.1 钻井控制室在钻台定位研究  123
    7.3.2 钻井控制室总体布局  123-124
    7.3.3 控制台及工作空间设计  124-125
    7.3.4 控制台显示设计  125
    7.3.5 司钻控制椅设计  125-126
  7.4 环境设计  126
  7.5 钻井控制室三维造型设计与仿真分析  126-128
  7.6 本章小结  128-129
第8章平台钻井系统布局实例及三维造型实现  129-140
  8.1 布局实例总体方案  129
  8.2 布局实例——钻机中心布局和隔水管立放模式  129-134
    8.2.1 目标平台输送方式具体设计及子空间划分  130
    8.2.2 钻机系统模块划分  130-131
    8.2.3 钻台与主甲板子空间布局规划  131-132
    8.2.4 下甲板布子空间局规划  132-133
    8.2.5 存储规划  133
    8.2.6 重心调整与安全规划  133-134
  8.3 布局实例二——钻机中心布局和隔水管平放  134-136
    8.3.1 钻台及主甲板布局  134-135
    8.3.2 下甲板布局  135-136
    8.3.3 两方案对比分析  136
  8.4 平台及钻井系统三维建模与仿真  136-139
    8.4.1 软件选择及系统设计  136-137
    8.4.2 平台三维建模及装配仿真  137-138
    8.4.2 钻井系统三维建模及装配仿真  138
    8.4.3 钻机系统运动仿真分析  138-139
  8.5 本章小结  139-140
第9章结论与展望  140-143
  9.1 主要研究结论  140-141
  9.2 建议今后开展的研究  141-143
参考文献  143-153
附录  153-162
攻读博士学位期间取得的研究成果  162-164
作者简介  164-165
致谢  165

深水半潜式钻井平台钻机系统选型与布局优化研究

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