半潜式平台钻井系统布置技术分析

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1、摘要深水半潜式钻井平台是勘探开发深海油气资源的关键装备，是制约我国石油公司进 军深海的主要瓶颈。恶劣的深海钻井作业条件要求平台配备先进、高效、可靠的深水钻 井装备，并在有限的平台空间内优化布置，保证有机地集成、运行。本文依托国家“十 一五”863重大项目课题“深水半潜式钻井船设计与建造关键技术，探讨半潜式平台 钻井系统布置技术研究，主要包括如下内容：结合典型深水井身结构，分别对钻单井和多井情况下，双联井架主辅井口作业工艺 进行了研究。对比了一个半井架和双井架两种基于工艺流程的井架种类的效率和经济 性。根据平台设计目标和结构型式，设计并细化了平台钻井系统布局的原则，提出了基 于钻井工艺流程的空间

2、向心布局方法，并对平台进行了总体规划设计，将平台划分为4 层，对每层空间内的设备根据完成钻井作业环节的不同划分功能模块。对钻台区的主要设备运用基于工程约束的层次递进法进行了优化布置，布置的工程 约束是钻井工艺流程、设备自身属性及工作范围的衔接关系；对钻井控制室进行了概念 设计，主要提出了集中控制的概念。给出了平台钻材携带量的计算和配置，对主井场区的钻杆、套管、钻铤等进行了优 化布置。对平台水下器具区作业工艺进行了分析，给出了单侧下放的布置方案。对泥浆 系统进行了布局规划，包括固控系统的具体流程和设备位置的详细布置。关键词：半潜式钻井平台，钻井系统，双联井架作业工艺，空间向心，工程约束，优化布置

3、Technology Research on Layout Design of Semi-submersible PlatformDrilling SystemYang Yipu(Mechanical Design and Theory) Directed by ProfXiao Wensheng AbstractThe drilling system is core of the deepwater semisubmerged platform，is fundamental facility for seabed oil gas exploitationHow to pick a set o

4、f hi曲cost performance，hi曲 reliability drilling equipments and arrange them in limited platform space，to make sure they can be integrated and worked properly is a problem need to solve immediatelyThe key technology research on layout design of semi-submerged platform drilling system is studied in thi

5、s paper,mainly include the following details：Referring to a typical well bore configuration，researched the drilling technology of dual derrick in two different conditionsCompared and analysed efficiency and economic feasibility of offline rig and dual derrick rigAccording to the design target and st

6、ructure of the drilling platform，design and detailed the layout principles of the drilling system on semisubmersible platformGave all air space centripetal method based on drilling craft and divided the platform into four major levelsInaccordance with the different drilling operations，equipments wer

7、e diveded into differentfunctional modulesOptimized the equipments layout on drill floor based on the mathod which was step progressived and restricted by the proj ect rulesThe proj ect restrict was the drilling craft and properties of fittings itselvesConceptual design was done for drilling cabin a

8、nd studied theadvantages of centralized contr01Calculated the amount of drilling tools，Optimized the layout of the main well site、 subsea equipments module and mud systemThe detail drafts of the layout were givenKey words：Semi-submersible platform，Drilling system，Drilling technology ofdual derrick r

9、ig，Air space centripetal，Restrict ofproject rules，Optimized layout关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学(华东)或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者肇名：一立兰熟互 一日期：_吁年

10、，月尹日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学(华东)有权使用本学位论文(包括但不限于其印刷版 和电子版)，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门(机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签日期：、呻年6月日指导教师签名：日期：莎即年多月年E1中国石油大学(华东)硕士学位论文第一章绪论11课题来源及意义我国南海油气资源丰富，周边国家争相开采，使我国领土被侵占、海域被分割、资 源被掠

11、夺，而我国在南海深水海域油气勘探开发工作基本处于空白，重要原因之一是我 国尚不拥有实施深水油气勘探开发的技术和装备。为了保护我国南海油气资源，实现南 海深水油气资源的自主勘探开发，为了能够在世界深海油气勘探开发的国际竞争中处于有利地位，我国必须打破国外技术垄断，掌握深水油气勘探开发前沿技术，拥有当今国 际先进水平的自主知识产权的深水油气勘探开发装备。为此，中国石油集团海洋工程有 限公司，制定了南海油气勘探开发规划，先期启动建造一座深水半潜式钻井平台。本课题来源于国家“十一五”863重大项目“南海深水勘探开发关键技术及装备 (项目编号：2006AA09A104)重点课题：“深水半潜式钻井船设计与

12、建造关键技术三 级子课题“钻井系统集成与重要设备研究。勘探开发深海油气资源，深水钻井装备是 关键，也是制约我国石油公司进军深海的主要瓶颈。在深海环境下，钻井作业条件恶劣， 对钻井系统安全性、可靠性和自动化程度要求比陆地更高。如何选配一套高性价比，高 可靠性的钻井设备，并在有限的平台空间内优化布置，保证它们有机地集成、运行，是 目标平台概念设计的重要环节。钻井设备的布置要在能够完成钻井作业工艺流程的前提 下，考虑钻井平台空间的利用效率及人员安全，满足平台稳定性、平衡性等的性能约束， 属于复杂布局设计问题。研究钻井设备布置，目的是提高钻井平台作业效率及性能，保 证工作人员安全高效的完成深海的钻井作

13、业。12相关文献综述121半潜式钻井平台发展概况适用于深海钻井的主要是两种浮式钻井装置半潜式钻井平台和钻井船。其中半 潜式平N(Semisubmersible Platform)具有可移性好、抗风浪能力强、工作水深范围广、 甲板空间大、储存能力大、可变载荷高等一系列优点，是用于深水和超深水较多的钻井平台。1、半潜式钻井平台结构组成第一章鳍论半潜式平台主要结构由三大部分组成：上层平台，沉垫(浮箱)，立柱和撑杆。上 层平台布置着全部钻井机械、平台操作设备、物资贮备和生活设施，承受的甲板载荷常 在3000-45000吨之间。一般上层平台为水密性或具有一定的水密性的空间箱形结构，根 据布置和使用要求可

14、分为若干层，如主甲板、中间甲板、下甲板等。矩形半潜式平台多 采用沉垫结构，由若干个纵横隔舱组成，以保证其结构的水密性和强度。在这些分舱中 放置机械设备、推进器、油水舱和压载水舱，以保证沉垫潜浮作业的进行。立柱一般由 外壳板、垂向扶强材、水平桁材、水密平台、非水密平台、水密通道围壁和水密舱所组 成。立柱一方面与撑杆一起将上层平台支撑在沉垫(浮箱)上，另一方面在平台处于半 潜状态时提供一定的水线面，使平台获得稳性。撑杆结构的作用是把上层平台、立柱和 沉垫三者联结成一个空间刚架结构。同时有效地将上部载荷传递到平台的主要结构上 (立柱、沉挚)，并将由于风、浪等载荷和其它受力状态(如拖航、沉浮过程)所产

15、生的不 平衡力进行有效的再分布p,2】。现代深水半潜式钻井平台工作平台一般呈矩形，由二个沉垫，四至八个立柱，矩形 上层平台以及若干撑杆所组成【3J。图11所示为典型的四立柱型和六立柱型深水半潜式 钻井平台。四立柱型半潜式钻井平台六立柱型半潜式钻井平台Four-column seml-submersible platform SJx-column semi-submersibleplatform图1-1现代深水半潜式钻井平台Figl1Modem deepwater semi-submersible platform2、半潜式钻井平台技术水平 半潜式钻井平台从坐底式平台演化而来，1962年，第一座

16、半潜式钻井平台由一座坐中国石油大学(华东)硕士学位论文底式钻井平台“蓝水l号(Bluewaterl45)131：l装立柱改造而成。1963年第一座三角形半 潜式钻井平台“海洋钻井者号出现，1964年第一座长方形半潜式钻井平台“蓝水2 号”出现f4】。20世纪70年代，半潜式钻井平台开始装上推进器，便于拖航和定位。1973 年以后建造的大多数半潜式钻井平台具有某种自航功能。1978年建成第一座动力定位半 潜式钻井平台Sedc0709号。从第一座半潜式钻井平台的诞生至今将近半个世纪的时间里，半潜式钻井平台发展经过了多次技术改造和革新【31。 第一代半潜式钻井平台：20世纪60年代，作业水深小于10

17、6m(350fi)，结构型式不很合理且设备自动化程度低。如：Blue Water Rig No1(1962)、Ocean Driller(1962)、Sedco 135(1965)。第二代半潜式钻井平台：20世纪70年代中后期，作业水深可达304m(1000R)， 甲板可变载荷3000-一4000ST，设备操作自动化程度不高。如：南海2号、Sede0702703、 Stena Spey第三代半潜式钻井平台：20世纪80年代中期，作业水深达608m(2000ft)，甲板 可变载荷约为4000ST，结构较为合理，设备操作自动化程度不高，为20世纪80、90 年代主力平台，建造数量最多。如：南海5号

18、、南海6号、Atwood Hunter。第四代半潜式钻井平台：20世纪90年代末，作业水深达1524m(5000f1)，推进器 辅助定位，配有部分自动化钻台甲板机械，设备能力与甲板可变载荷都有提高。如：Jack Bates、Scarabeo、西方阿尔法。第五代半潜式钻井平台：20世纪90年代末，作业水深达2286m(7500R)，甲板可 变载荷达7000MT，动力定位为主，锚泊定位为辅，配有全自动化的司钻房。如：DeepwaterHorizon、West Venture、Aker-H32。第六代半潜式钻井平台：21世纪初，作业水深达3000m，船体结构更为优化，重量 减轻，配置双井架，DP3动

19、力定位，全自动化控制的钻井系统操作和甲板操作，平台 可变载荷更大。如：West Edrill、DeepseaAtlantic、Aker。H6e等。在建的深水半潜式钻井平台以第五、第六代为主，其中第六代共有30座(资料来源：wwwrigzonecom，2008年6月底统计)，主要特点有【5】：(1)采用优良的设计，其可变载荷与总排水量的比值将超过O2以上，总排水量与自 重的比值将超过40。3第一章绪论(2)大的甲板可变载荷，大的平台主尺度，大的钻井物资(水泥粉、粘土粉、重晶石粉、钻井泥浆、钻井水、饮用水和燃油等)储存能力。 (3)少节点、无斜撑的简单外形结构。 (4)良好的船体安全性和抗风暴能力

20、及长的自持能力，以适应全球远海、超深水、全天候和较长期的工作能力。(5)更大的工作水深，一般可达3000m以上。预料未来20年内将有工作水深达40005000 m的半潜式平台出现。 (6)装备大功率的新一代先进钻井设备、动力定位设备和变频发电设备。 3、国际上半潜式钻井平台发展趋势(1)工作水深和钻深显著增加 现有半潜式钻井平台额定作业水深从5003050m不等，其中约有45的平台能够从事超深海钻井。2002年末现有和在建的175座半潜式平台中，31座工作水深超过1829m (6000ff)，16座工作水深超过2286m(7500ft)，其中IHIRBF Exploration、 Deepwa

21、ter-Horizon、Eirik Raude工作水深达3048m(10000ft)。2007年以后在建的深海半 潜式钻井平台中有16座的额定作业水深达到3048m(10000f1)，有2座达到 3810m(12500ft)。现有半潜式钻井平台钻深能力在6000m(19685ft)-1 1430m(37500ft)。其中，钻深能 力为7620m(25000ft)的平台最多，有53座，占总数的51；其次是钻深能力为 9144m(30000ft)的平台，有22座。它们都能钻超深井，个别的还能钻井深超万米的井(见图12)。在建的半潜式钻井平台钻深能力都达到或超过9000m。(资料来源：wwwrigz

22、onecom)。图12现有深水半潜式钻井平台的钻深能力Figl-2Drilling ability of modern deepwater semi-submersible paltforms4中国石油大学(华东)硕士学位论文(2)适应更恶劣海域半潜式平台仅少数立柱暴露在波浪环境中，抗风暴能力强，稳性好。大部分深海半 潜式平台能生存于百年一遇的海况条件，适应风速达514-617ms(100120kn)，最大波 高达1632m，流速达1021ms(2-4kn)。半潜式平台在波浪中的运动响应较小，钻井 作业稳定性好，在作业海况下其运动幅值可为升沉lm，摇摆20，漂移为水深的120。 随着动力配置能

23、力的增大和动力定位技术的新发展，半潜式平台进一步适应更深海域的 恶劣海况，甚至可望达到全球全天候的工作能力。(3)可变载荷增大 采用先进的材料和优良的设计，半潜式平台自重相对减轻，可变载荷不断增大，以适应更大的工作水深和钻深。平台可变载荷与总排水量的比值，南海2号为O127，Sedco 602型为O15，DSS20型为O175。甲板可变载荷(含立柱内可变载荷)接近9000MT， 平台自持能力增强。同时甲板空间增大，钻井等作业安全可靠性提高。(4)外形结构简化半潜式平台外形结构趋于简化，立柱和撑杆节点的型式简化、数目减少。立柱从早 期的8立柱、6立柱、5立柱等发展为6立柱、4立柱，现多为圆立柱或

24、者圆角方立柱。 斜撑数目从1420根大幅降低，以至减为24根横撑，并最终取消各种形式的撑杆和节 点。沉垫趋向采用简单箱形，平台上壳体也为规则箱形结构，且上壳体结构内设置层高 15m左右的双层底。(5)装备先进化深海半潜式平台装备了新一代的钻井设备、动力定位设备和电力设备，监测报警、 救生消防、通讯联络等设备及辅助设施和居住条件也在增强与改善，平台作业的自动化、 效率、安全性和舒适性等都有显著提高。(6)多功能化、系列化深海半潜式平台的造价较高，最大程度地利用平台在实际运营中受到关注，许多平 台具有钻井、修井、采油、生产处理等多重功能。配有双井系统的平台，可同时进行钻 修井作业。钻井平台上增加油

25、、气、水生产处理装置及相应的立管系统、动力系统、辅 助生产系统、生产控制中心等，即成为生产平台。平台利用率的提高降低了深海油气勘 探开发的成本。5第一章绪论部分平台具有一定批量性，如Amethyst系列6艘，Bin909000系列4艘，Sedco Express、West Venture系列3艘，Development Driller、Odyssey、Sedco 700、Victory等 系列各2艘。小批量的系列化开发，缩短了设计、建造周期，降低了设计、建造成本， 利于技术的稳步发展。4、国内海洋石油钻井平台的发展概况我国现有半潜式钻井平台共5艘，包括自行设计建造的“勘探三号，该平台于1984

26、 年7月交付使用，工作水深仅为200m，其余4艘：“南海2号、“南海5号、“南海6 号和“勘探四号”，均从国外进口，工作水深最深为457m，见表11。表1-1国内现有的半潜式钻井平台Tablel1 Semi-submersiber platforms existing in China序号船名获得方式 作业水深(m)建造日期购入时间船龄建造地点1南海2号 购买旧船30481974年1979年33挪威2南海5号 购买旧船4571983年1986年24挪威3南海6号 购买旧船4571982年1989年25瑞典4勘探3号 国内研制2001984年1994年23中国上海5勘探4号 购买旧船610198

27、3年1994年24新加坡我国在近30年内，没有自行设计和建造超深水平台(除大连船厂根据国外设计，承担了工作水深2500m，钻深能力9144m的Bingo 9000系列4艘半潜式平台的船体建造 工程外【6】)。国内拥有的钻井平台船龄大部分都在22-32年之间，虽然目前这些平台的 设备状况良好，但是在设备配置上也仅增加了顶部驱动和泥浆泵，作业能力方面已明显落后于当今第五、六代主力钻井平台的配置。而且，现有平台作业水深也无法进入南海 深水区域，主要在中国近海海域进行钻井作业，自主深水勘探开发尚为空白。我国海洋石油钻井平台发展主要差距：(1)我国对移动式钻井平台的设计、建造水平仅停留在20世纪80年代

28、阶段，没有 资金、计算机辅助设计技术及最新软件设计手段进行常规移动式钻井平台的设计。(2)没有较深水域钻井平台的设计建造实践与经验，更无动力定位浮船和半潜式深水钻井平台的设计技术能力。(3)在移动式钻井平台通用配备仪器的自给能力方面，尚有较大差距。 对比国外深水和超深水钻井平台的快速发展，对于我国这样一个海洋大国，实感自愧。为适应向海深3000-6000m(占海洋总面积7383)的深海石油，发展深水域海洋石6中国石油大学(华东)硕士学位论文油钻井采油装备，已经成为国际竞争的重要一环，也是今后较长时间发展的必然趋势。122布置设计国内外研究现状布局和布置设计问题(Packing Problem

29、and Layout Design)是给定一个布局空间和 若干待布物体，将待布物合理地摆放在空间中满足必要的约束，并达到某种最优指标。 布局问题在我们日常生活中经常可以遇到，如一些棋盘形、方块形的数字智力游戏等。 布局问题大量出现在机械制造、服装行业、交通运输、航空航天、城市规划、建筑设计、 电子工业及医疗器械、海上钻井平台等诸多领域，布局结果的好坏对这些行业生产的合理性、经济性和安全性等指标具有重大的影响。根据布局空间和待布物体的形状，布局 问题分为：二维规则物体布局问题：待布物体和布局空间都是矩形或圆形，如装盘问题(PalletLoading Problem)，玻璃下料一刀切问题(Guil

30、lotine Cutting Problem)等。二维不规则图形布局问题：待布物和布局空间中至少有一个是二维不规则图形，如 服装裁剪中的划印布置问题(Marker Layout Problem)、船舶板材套料(Parts Nesting Problem)和机械行业中冲压落料问题(Metal Stamping Problem)等。三维规则实体的布局问题：包括长方体、圆柱体及球体布局问题，通常的是待布物 体和布局空间都是长方体，如集装箱布局。三维不规则实体的布局问题：待布物体的布局空间是三维不规则实体，如汽车驾驶 室布置设计，船舶舱室布置设计，海洋平台设备布置设计等。迄今为止，关于布局问题大量的理

31、论研究仅限于第l、3类问题的矩形体范围内。 装盘问题和一刀切问题附加有特殊条件，问题本身可以抽象为纯数学模型的表达形式， 然后用数学规划和启发式方法求解，因此理论上这类问题已获得解决，实践中也达到了 较成功的应用。这两类的其他问题由于本身已变成NP完全问题，随着布局物体数量的 增加，解空间呈指数倍扩大，出现组合爆炸现象，用动态规划，分支定界等基于穷举思 想的算法都无法解决。因此，关于这两类问题的所有算法都是基于特定领域的启发式算 法，它们的效果随着具体问题的不同有很大的差别，且只能找到近似可行解。至于第2、 4类问题，由于布局对象形态的随意性，使得问题变得异常复杂，目前国内外众多学者 对这类问

32、题展开了研究。自1831年Guass研究格的布局问题开始，至今已有百余年的历史。据Sweeny等7第一章绪论I刀1992年的统计，从1940年到1992年，全球关于布局方面的研究文献达400多篇，涉 及140多个应用领域。到目前为止，关于布局问题的研究文献超过1500篇，而涉及三 维不规则实体的布局问题不过10余篇。由此可见，关于三维布局问题有待于更加广泛 而深入地研究。1、布局物体建模方法综述 布局问题知识模型的建立则是目前布局领域的一个弱点。布局问题是多约束多目标的组合优化问题。由于布局知识(约束、目标)的多样性，这种组合优化问题无法用单 一的数值优化模型来表达，因而属于一种广义优化问题。

33、布局问题的模型主要包括数学 模型、图论模型、复合知识模型等。1)数学模型 一般将原布局问题进行简化(包括几何形体、约束和目标函数)，建立单纯的数学模型，采用组合最优化算法(如线性规划法、分枝定界法等)进行问题的求解。Beasley即 将御局问题抽象为O一1整数规划物体布局优化模型，利用惩罚因子将布局约束转化成目 标函数惩罚项，提出了旋转锥体空间中圆柱体群和长方体群的布局优化算法。黄文奇等【91将布局干涉约束用解析形式表达出来，提出一种求解布局问题的拟物方法。 2)图论模型 以图中的结点代表待布局物体，弧线代表布局物体之间的关联关系，由此将布局问题转化为在一个已知的连接图中寻找最大独立集或最大权

34、平面子图问题；然后借助于分 枝定界、整数规划或动态规划等方法进行问题的求解。相邻拓扑图模型使用图论方法表 示布局的典型方法。Mitchelltl 01、Roth111和Dowsland12】等先后研究了该方法的布局表示 与生成。由于该方法涉及图的平面化问题。难以将其扩充用于3D布局。吴惠中等【13】提出了一个长方体布局问题的立体正交结构图(Solod Orthogonal Structural Graph，SOSG)模型。王英林等【14】在此基础上发展建立了约束图模型(包括规 范约束图和层次约束图)。尽管作为组合数学的重要组成部分的图论方法在很多领域有着广泛的应用并卓有 成效，但布局问题的图论

35、方法只限于小规模规则物体布局问题的求解，仍然不能充分表 达布局知识及约束；当布局问题的规模较大且涉及不规则物体时，布局问题的图论求解 方法将不再适用。8中国石油大学(华东)硕士学位论文3)复合知识模型复杂布局问题不仅涉及可用数学模型描述的知识，如问题的几何、运动学和动力学 约束和优化目标等，而且涉及无法用数学模型描述的知识，如布局物体的材料性能以及 装卸工艺，特别是人类专家的布局领域知识。由此，任何单一模式的知识模型(数学模 型、图论模型、人工神经元网络等)都不足以精确地表达该问题。根据智能工程理论， 这种复杂系统求解自动化应该建立复合知识模型各种单一模型的集成。许多研究者 15q71都进行了

36、探索，为复杂系统布局求解自动化的建模迈出了关键一步。2、复杂布局设计求解理论及方法 工程中存在大量的布局设计问题。它们一般要求待布物之间、待布物与容器之间不干涉，并尽量提高空间利用率，称之为不带性能约束的布局设计问题。还有一类更复杂 的布局设计如组合机床、工程机械、车间设备、航天器、潜艇、坦克、海上钻井平台、 摆式高速列车等一般要考虑惯性、平衡性、稳定性、振动、磁场、温度场等约束，称之 为带性能约束布局设计问题，或称复杂布局设计问题。深水钻井设备系统优化布置就是一个典型的复杂布局设计问题。目前对复杂布局设计问题(complex layout designproblems，CLDP)研究尚不多。

37、复杂布局设计问题在实践中应用极为广泛，但很难求解，即使是最简单的不带性能 约束布局设计问题，如1维背包问题，已经是NPC(nondeterministic polynomial time complete)Ih-J题，具有NP难度。对于复杂工程系统的约束布局设计问题会涉及到几何形 状的复杂性和任意性，涉及到大量的非线性数值约束和大量的不可形式化的约束，因而 目自订鲜有实用的自动化的布局系统问世。国外对复杂布局设计问题的研究始于20世纪 70年代，如Pereira Luis Moniz18】利用人工智能技术对平面矩形之间有确定的相邻、不相邻关系的布局进行了研究。20世纪80年代以来，人们日益认识

38、到复杂布局设计问题 的重要性，进行了大量的研究。国内对复杂布局设计问题的研究较早，首推黄文奇等【19】， 于1983年利用他提出的拟物法和最陡下降法相结合在等式约束和不等式约束下，对矩形图元在周界圆中的布局进行了研究。目前，针对约束(复杂)布局设计问题的算法主 要包括启发式算法、图论法、模拟退火算法、遗传算法、人工智能、人机交互和人机结 合算法等。启发式算法的解题效果随着具体实例的变化有很大的不同，且只能找到近似的可行9第一章绪论解；遗传算法是不要求目标函数的连续性、可微性的并行计算方法，它在适应度的控制 下，随机地选择、交叉和变异，从而形成一个自组织、自适应的演化过程，已经能有效 地求解属于

39、NPC类型的组合优化问题及非线性多模型、多目标函数优化问题，因而对于解决复杂约束布局问题有一定的优越性，但是遗传算法存在计算量大、早收敛，容易陷入局部最优解的缺陷：模拟退火算法依据Metropolis准则接受新解，由于模拟退火算 法的初始温度通常选得很高，而且温度下降得非常缓慢，故运算量大大增加，特别是对 于大中型问题将更加复杂和费时：人机交互结合算法在这类工程复杂布局问题上，应该是一个发展的趋势，但是由于国内对于平台布置技术的积累有限，专家系统的开发，虚 拟现实技术的应用还有困难。123基于工程约束的层次递进法王启付、滕旭华20】等运用基于工程约束的层次推进法解决了弯管机的布局问题，这种方法

40、引入了AOV(Activity On Vertex)网络，即顶点活动网络来描述布局物体间的约束 关系，有向图的顶点代表布局物体，有向边(f，jf)表示布局物体间的约束关系，有向边指向的物体是被约束布局物体。如图13所示f物体约束物体，也即物体受制于f物体， a。，为f、_，间的约束。同时，引入邻接矩阵来描述由AOV图表示的布局物体间的约束程度。邻接矩阵是一个布尔矩阵，0表示布局物体间无约束，1表示布局物体间有约束。利用邻接矩阵能够方便的算出布局物体的约束入度及约束出度，邻接阵第所i：的元素之 和即为布局物体珀勺约束出度，第列元素之和即为布局物体_，的约束入度。如图1-4(a) 为图1-4(b)

41、AOV图所对应的邻接矩阵。图13约束关系Figl-3 Restriction relation10中国石油大学(华东)硕士学位论文0 0l00 OO00 00，lO0O 00 l0O 00 01O 00 O00 O0 0OO 0O 00O 0O 00图1-4(a)AOV网络图图1-4(b)邻接矩阵 Figl-4(a)Activity Oil vertexFigl-4(b)Adjacency matrix下面给出几个定义：定义1约束入度：一个布局物体的约束入度即为对这个布局物体施加有约束的布局 物体的数目。如图1-4(a)中布局物体B4受到布局物体B1及布局物体B2的约束，其约 束入度为2。由定

42、义可知顶层布局物体的约束入度为0。定义2约束出度：一个布局物体的约束出度即为受到此布局物体约束的布局物体的数目。如图1-4(a)Cff布局物体B6及布局物体B7受到布局物体B4的约束，所以B4的约束出度为2。由定义可知低层布局物体的约束出度为0。 定义3父约束：一个布局物体的父约束即为此物体受到的约束。如图1-4(a)qb布局物体B4的父约束为q。及C。由定义可知顶层布局物体没有父约束。 定义4子约束：一个布局物体的子约束即为此物体施加的约束。如图1-4(a)qb布局物体B4的子约束为c。及q，。由定义可知低层布局物体没有子约束。1、布局物体逻辑分层在前面概念及定义的基础上进行布局物体的分层。

43、首先要构建布局物体的初始AOV 网络约束图及相应的邻接矩阵，在构建初始AOV图时，需要处理以下2个问题：(1)当 布局物体间存在相互约束或循环约束时，应依据某些工程约束规则(如约束对布局求解 的相对重要性等)去掉某些约束，从而解开布局物体间的相互约束或循环约束，处理分别如图1-5(a)(去掉约束)和图1-5(b)(去掉约束c叩)所示，以牺牲很小的布局影响因子 来换取布局分层的Jl顶,N进行；(2)对于与其它布局物体都不存在关联约束的物体，不参与第一章绪论AOV图的构造，把其归入一个单独的布局层，作为最底层最后进行布局。图1-5约束处理Figl-5 Handling of restrict 布局

44、物体的逻辑分层步骤如下： (1)由初始AOV图得到初始待分层的全体布局物体的集合APB=BI，B2， ，B一，B。)其中E为待分层布局物体。 (2)由相应的邻接矩阵计算各布局物体的约束入度及约束出度，把所有约束入度为0的物体作为一个布局层归入该布局层物体集合鹧=Bn，Bi：， ，E。)(第f层布局物体的集合)中，同时作以下处理：1)布局物体定序：对魍集合中的物体按约束入度从大到小排序，如约束入度 相等则按约束出度从大到小排序，当约束入度和出度都相等时人为规定其 顺序。此顺序即为此布局层布局物体的布局顺序。2)求出魍中每个物体的父约束集PC(Bo)作为后面定位布局物体的信息，其中Bo表示f布局层

45、中的布局物体。(3)令APB=APB一飓，判断APB是否为空，如为空则结束；否则，从AOV图中去掉胎；集合中的物体及其施加的约束，对剩余的物体重新构造AOV图及相应的邻接矩阵，然后转(2)。 2、布局物体的定位算法在完成了对布局物体的分层之后，就可以按照布局逻辑层次由高到低逐层的把布局12中国石油大学(华东)硕士学位论文物体定位到布局空间中去。先定位顶层布局物体，再是低一层次的，直到所有的布局物 体都定位到布局容器中。在每个布局层一般都具有相应的布局目标，可建立对应布局目 标函数。以布局占用空间最小，分布均匀即布局物体落差小为目标建立函数：幽E却嘉+编芸睁司 (1-1)式中：E为第i层布局层的

46、目标函；、以为归一化因子；q、CO：为加权因子： 为f布局层中物体的包容盒体积=I码一x；I奎陌一巧I木l乞一召I，其中，(x；，巧， z：)和(田，垮，刁)分别为包容盒的左上角和右下角坐标，Zl=(召+艺)2为i布局层中物体，的包容盒形心的z轴坐标，乏=去善z，。3、待布物体定位步骤：(1)设置布局层集合凹B=PBl，朋2， ，胎I一，P玩)其中船，为第f布局层物体集(2)N断三朋是否为空，如为空则结束并输出布局结果；否则，按布局逻辑层由高到低顺序取出布局层魍，并设m=0(计数器)。对鹧布局层物体进行如下布局：1)判断魍是否为空，如为空则令三胎=LPB-PB,并转(2)；否则，按该布局层布

47、局顺序取出布局物体色进行定位。由定位函数丁(尸c(色)，OC(B。)，EC)得到 布局物体或的布局可行域，其中PC(Bo)、OC(Bo)和EC分别为B矿的父约束集、其它约束集(影响其定位的约束集)和工程约束规则集；再通过布局目标函数min F+缩小布局可行域得到其理论最佳布局位置。2)进行干涉检查，如无干涉则吗=尸EBf，)并转1)。3)m=聊+1，如果mo则飓=鹧+色)并转1)进行 层内回溯；否则i=f一1，如果i0则朋=三朋+飓；并转(2)进行层间回溯；13第一章绪论否则无解结束。13本文研究工作概述深水半潜式平台钻井系统布置是复杂工程系统的约束布局设计问题，会涉及到几何 形状的复杂性和任

48、意性，涉及到大量的非线性数值约束和大量的不可形式化的约束，本 文提出了根据平台钻井作业工艺流程的空间向心布局，各功能区块模块化的算法，对模 块内部采用基于工程约束的层次递进法进行优化布置。主要的研究内容按以下的方式进行组织： 第一章，阐述本课题研究目的及意义，综述了半潜式平台发展现状及趋势，介绍了布局设计的国内外研究现状及复杂布置问题的建模和求解算法，重点介绍了基于工程约 束的层次推进法。第二章，研究了双联井架作业工艺，针对双联井架进行探井和生产井两种不同作业 模式进行了工艺的细致分析研究：对比一个半井架和双联井架的作业效率，分析了钻井 平台使用两种井架配置的经济性，为钻井系统布置研究打基础。

49、第三章，基于钻井作业工艺对平台按照空间向心关系进行了大的层次划分，并对钻 台区、主甲板、下甲板三个重要层次进行了总体布局规划；对比了隔水管存放方式，选 择了立放存储，节省了主甲板面积；对设备设施按照在钻井工艺流程中任务不同进行了 功能模块的划分。第四章，采用基于工程约束的层次推进法对钻台设备进行了布置。工程约束集合选 择了更接近工程实际的钻井工艺约束及设备自身属性约束；对设备按照约束入度从d,N 大进行了逐层布置；对钻井控制室进行了较为细致的设计，提出了集中控制的概念。第五章，按照平台设计目标计算、配置了钻材携带量，对主井场区的钻杆、套管、 钻铤等进行了优化布置，对平台水下器具区作业工艺进行了

50、分析，给出了单侧下放的布 置方案。对泥浆系统进行了布局规划，包括固控系统的具体流程和设备位置的详细布置。本文研究内容组织结构如下所示。14中国石泊大学(华东)硕士学位论文第五章主井场、水下器具及泥浆系统布置设计第四章基于工程约束的钻台布局设计第二章基于钻井工艺流程的平台总体布局研究第一章绪论第二章深水钻井作业工艺选择结论15第二章深水钻井作业工艺研究第二章深水钻井作业工艺研究由于平台布置是以钻井作业工艺流程为基础，所以选择高效的钻井作业工艺是平台 布置首先应该解决的问题。深水钻井作业工艺与陆地相比，流程更加复杂，要求更高。 为了提高深海钻井的效率，使钻井作业更加安全、环保，各国应用了很多高新钻

51、井工艺 技术和理念。本章主要分析现在第五、第六代深水半潜式钻井平台采用较为普遍的双联 井架作业工艺及其应用的经济性，为钻井平台布置设计提供必要的研究基础。21双联井架作业工艺研究211双联井架主辅井口钻井作业理念的产生及应用 在深海石油钻井的初期，半潜式钻井平台采用的都是单井口作业系统，即在平台上配置一套钻机用于钻井。随着作业水深的增加，辅助钻井作业时间在整个钻井作业时间中的占比也相应的增加，为了提高深水的钻井效率，通过优化和改善钻井工艺，提高辅 助钻井操作和主钻井操作的并行性，渐渐形成了“offline or dual activity rig211”(一个半 井架)和“dual derri

52、ck”(双联井架)两种基于钻井工艺流程的井架型式。一个半井架 实质还是一个井架，一个钻井作业中心，只是增加了钻机一部分并行作业的能力，如增加了接、卸立根的管子自动化处理系统，增加了套管作业能力，隔水管悬持能力等；双 联井架实质是给平台井架上配置了两套提升系统，使钻井平台具有两个井口并行作业的 能力。配置双联井架的优势主要体现两点：一是采用双联井架并行作业方法，减少钻台 组装、拆卸钻杆及下放、回收水下器具等作业占用钻井作业相对过多的时间；二是平衡 重载和轻载需要，深水海域钻井时，隔水管和防喷器等的重量比钻具的重量要大得多， 如用常规的一个井架和一套起升系统的话，造成钻机的绞车非常庞大，很难做到无

53、级变 速，正常钻井时绞车起升和下放的速度就会受到影响，从而影响钻井效率，而双提升系统可有效解决这一问题。一套起升系统用于载荷相对较小的正常钻井的起下钻，另一套起升系统用于速度相对较慢的起升和下放隔水管和防喷器。 在2000年2月交付使用的West Venture半潜式钻井平台上配置了双联井架液压升降型钻机(Dual RamRig)，双联井架主辅井121作业理念在工程上首次得到成功应用(见图 21、图22)。在2005年3月交付使用的GSF(Global SantaFe)公司的Development Driller I&II第五代深海半潜式钻井平台亦配置了主辅井口双联井架作业系统。16中国石油大

54、学(华东)碗士学位论立图21“West Venture”半潜式钻井平台 n92I“WestVenturesemi-submersible platform匿2-2双联井架液压升降型钻机Fi92-2 Dual RamRig双井架主辅井口钻井作业能够减少辅助钻井作业所占用的时问，显著提高钻井效 率。据报道在不同的作业工况下它可以节省21一70左右的钻井时间。目前己建或在第二章深水钻井作业工艺研究建的深海钻井平台50以上都配备了双井架钻井系统(见表21)。双井架主辅井口作业系统是深海半潜式钻井平台钻井作业发展的飞跃。表21配备双井架的深海半潜式钻井平台一览表作业水深钻井深度交付时间编号钻井平台名称钻

55、机(R)(年)lGSF Development Driller I7500375002005电驱2GSF Development Driller II7500375002005电驱3West Venture6000300002000液压4Aker Barents100002008液压5Aker Spitsbergen100002008液压6Maersk Developer10000400002008液压7Deepsea Atlantic10000375002008电驱8West Edrill10000350002008液压9West Eminence10000300002008液压10West

56、 Phoenix10000300002008液压1 lPetroRig 110000400002009液压12PetroRig 1110000400002009液压13PetroRig 1II10000400002009液压14Maersk Deepwater Semisub TBN 1110000400002009电驱15Scarabeo 810000300002009液压16Scarabeo 912000500002009液压17Sevan Driller12500400002009电驱18Delba Semisub TBN 1900025000201019La Muralla III78

57、742010液压20Maersk Deepwater Semisub TBN III10000400002010电驱21Deepsea Rig 110000350002010电驱22CNOoC Semisub TBN 1100004000020l l液压23SDO II100003500020l l电驱24SS Frigstad Oslo1200050000液压25GSF Development Driller III7500300002009电驱26Noble Clyde Boudreaux10000350002007电驱27D80s1000030000液压28Petroserv Semis

58、ub TBN 178742009液压212双联井架钻井作业流程双联井架主辅井口钻井作业理念经过不断发展，已经成功应用于深海钻井。针对钻 探井和生产井两种不同井的类型，分别对双联井架进行单井和多井钻井作业工艺进行研 究。18中目石油大学(华东)砸士学位论文l、单井钻井工艺研究由于现阶段世界深水水域油气资源处于勘探阶段居多，单井作业是深水半潜式钻井 平台主要方式。在进行单井作业时，双联井架配置的主辅两套钻机可以并行组装和拆卸 井下组件、钻具和管子立根，还可以在开钻表层时下放套管及BOP等。现以Enterprise Class号深水钻井船(图2-3)h仞J，讨论双联井架主辅井口钻井作业流 程【22】

59、。该钻井船钻井深度为35，000 n，工作水深为10，000 n。目2-3“Enterprise Class”号钻井船Fi923“Enterprise Classdrill ship“Enterprise Class”号钻井船双钻井系统钻台区布置如图2-4所示。钻台区被划分为 主井口作业区和辅井口作业区。主辅转盘相隔40n，位于月池上方，各自服务于主辅钻 机系统，通过2个2，000，0001b井架实现双钻井作业。固2_4Eaterpriseclas一号钻井船取钻井系统钻台区布置F192-4“EnterpriseClass”daal activity drillfloorlayout第二章深水钻

60、井作业工艺研究主井口作业区配有隔水管张紧系统，升沉补偿系统为主钻井系统通过防喷器和隔水 管形成的循环通道进行钻井。辅井口作业区完成无隔水管钻井操作，并为主井口作业区 提供工具和设备测试的场所。辅井口作业区配备动力驱动的鼠洞以及立根排放系统，用 于接卸、排放钻柱或套管柱；各种工具和水下器具下放回收也可以在辅井口作业区完成。 现在以海洋标准井身结构，采用Vetco公司生产的SG5井口头系统为例，如图25所示，来对双联井架进行深海钻井的工艺进行研究：1)下放临时导向基座并用36”扩孔钻头进行导管段钻井：当开始钻一口深海井的时 候，临时导向基座(TGB)是第一套运行装置，在整个钻井过程中作为基础结构；(现 在基本不再使用，而直接下永久导向基座)；2)