一种深水半潜式钻井平台甲板可变载荷的设计方法 【技术领域】
本发明涉及一种甲板可变载荷的设计方法，特别是关于一种深水半潜式钻井平台甲板可变载荷的设计方法。
背景技术
目前世界上能在深海进行钻井作业的，只有钻井船和半潜式钻井平台两种移动式深海钻井装置。由于半潜式钻井平台具有适用水深范围广、环境适应性强、定位方式灵活和适合油气开发的各个阶段等特点，因此被广泛应用于海洋油气资源开发的钻井及采油等作业。
对于深水钻井作业，随着水深和井深的增加，作业区域离陆地越来越远，深海海况、天气等条件恶劣，供应船有可能长时间不能到达钻井平台，后勤供应困难。因此，新型深水半潜式钻井平台技术发展的趋势之一就是：要求钻井平台具有大的甲板可变载荷和储存能力。
甲板可变载荷是深水半潜式钻井平台的关键性能指标之一。为保证深水钻井作业正常进行，不至于因为后勤供应不上而停工，要求新建钻井平台的甲板可变载荷至少能够满足一口深水井的作业需要。但在半潜式钻井平台的设计和建造过程中，甲板可变载荷却没有一个标准的设计方法，多数依靠类比、经验等估算。这就可能造成建造钻井平台的甲板可变载荷过大或过小：过大造成资源浪费；过小则不能满足深水钻井作业的特殊要求，影响深水油气田的开发，这两者都会影响新建平台的投资回报。
【发明内容】
针对上述问题，本发明的目的是提出一种深水半潜式钻井平台甲板可变载荷的设计方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深水半潜式钻井平台甲板可变载荷的设计方法，其中深水半潜式钻井平台的甲板可变载荷采用如下公式设计：
VDL≥CL(Lm+Lr+Ldp+Lcs+Lt+Lce+Lba+Lbe+Lo) (7)
式中，Lm—钻井液载荷；Lr—隔水管载荷；Ldp—钻杆载荷；Lcs—套管载荷；Lt—油管载荷；Lce—水泥载荷；Lba—重晶石载荷；Lbe—土粉载荷；Lo—其它载荷，各载荷的单位均为t；CL—系数，1～1.5，根据各载荷的实际情况确定。
所述钻井液载荷Lm包括日用钻井液用量和备用钻井液用量两部分，所述钻井液载荷Lm计算公式如下：
Lm＝ρ(Va+Vr) (1)
式中，ρ—钻井液密度，g/cm3；Va—日用钻井液体积，m3；Vr—备用钻井液体积，m3；所述日用钻井液体积Va包括套管的内容积、井眼的内容积、隔水管的内容积和地面管汇内容积，各段所述日用钻井液体积Va可以用如下公式计算：
Va=14πD2H---(2)]]>
式中，D—井眼、套管、隔水管或管汇内径，m；H—井眼、套管、隔水管或管汇长度，m；所述备用钻井液体积Vr计算公式如下：
Vr≥1.5Va (3)
所述水泥载荷Lce计算公式如下：
Lce＝S·Wce (4)
式中，S—水泥袋数；Wce—每袋水泥重量，t；所述水泥袋数S计算公式如下：
S＝[Vo(1+E)+Vc+Vp]/Y (5)
式中，Vo—环空裸眼部分容积，L；E—附加系数；Vc—套管与套管之间环形容积，L；Vp—管内水泥塞容积，L；Y—水泥造浆率，L/sx。
所述重晶石载荷Lba计算公式如下：
Lba≥0.12V浆ρ2/(ρ2-ρ1-0.12) (6)
式中，V浆—原钻井液体积，m3；ρ1—原钻井液密度，g/cm3；ρ2—重晶石密度，g/cm3。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过对深水半潜式钻井平台甲板可变载荷中各分载荷的分析、计算，给出了一种设计甲板可变载荷的理论方法，可以比较简单、准确地设计需要深水半潜式钻井平台的甲板可变载荷大小，对深水半潜式钻井平台的设计和建造起到指导作用。2、本发明可以避免造成建造深水半潜式钻井平台的甲板可变载荷过大或过小，从而既不会造成资源浪费，又能够满足深水钻井作业的特殊要求，不影响深水油气田的开发，使得新建深水半潜式钻井平台的投资与回报达到最优化，因此本发明在实际应用中具有重大意义。3、本发明在设计深水半潜式钻井平台甲板可变载荷的同时，可以对深水半潜式钻井平台的钻井液池、重晶石罐、水泥罐和土粉罐等储存空间的体积配置给出指导、建议，优化深水半潜式钻井平台的总体布置。4、本发明还可以对依靠类比、经验等估算方法建造的深水半潜式钻井平台的甲板可变载荷进行验证和评价。综上所述，本发明可以广泛应用于深水半潜式钻井平台的设计和建造中。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明进行详细描述。
1、深水半潜式钻井平台甲板可变载荷的分载荷分析计算
本发明确定的甲板可变载荷包括钻井液、隔水管(包括防喷器组、隔水管下部总成等)、钻杆、套管、油管、水泥、重晶石、土粉等分载荷。各分载荷的设计方法如下：
1)钻井液载荷
钻井液载荷包括日用钻井液用量和备用钻井液用量两部分，钻井液载荷计算公式如下：
Lm＝ρ(Va+Vr) (1)
式中，Lm—钻井液载荷，t；ρ—钻井液密度，g/cm3；Va—日用钻井液体积，m3；Vr—备用钻井液体积，m3。
日用钻井液体积Va包括套管的内容积、井眼的内容积、隔水管的内容积和地面管汇内容积等。各段日用钻井液体积Va可以用如下公式计算：
Va=14πD2H---(2)]]>
式中，D—井眼、套管、隔水管或管汇内径，m；H—井眼、套管、隔水管或管汇长度，m。
备用钻井液体积Vr计算公式如下：
Vr≥1.5Va (3)
2)隔水管载荷
隔水管载荷根据不同的水深和隔水管每米重量进行计算。
3)钻杆载荷
钻杆载荷根据井深和钻杆公称重量进行计算。
4)套管载荷
套管载荷根据不同井段下深和套管公称重量进行计算。
5)油管载荷
油管载荷根据下深和油管公称重量进行计算
6)水泥载荷
水泥载荷计算公式如下：
Lce＝S·Wce (4)
式中，Lce—水泥载荷，t；S—水泥袋数；Wce—每袋水泥重量，t。
水泥袋数S计算公式如下：
S＝[Vo(1+E)+Vc+Vp]/Y (5)
式中，Vo—环空裸眼部分容积，L；E—附加系数；Vc—套管与套管之间环形容积，L；Vp—管内水泥塞容积，L；Y—水泥造浆率，L/sx。
7)重晶石载荷
重晶石的储备应至少使整个钻井液系统密度提高0.12g/cm3，因此重晶石载荷计算公式如下：
Lba≥0.12V浆ρ2/(ρ2-ρ1-0.12) (6)
式中，Lba—重晶石载荷，t；V浆—原钻井液体积，m3；ρ1—原钻井液密度，g/cm3；ρ2—重晶石密度，g/cm3。
8)土粉载荷
由于隔水管段的土粉载荷已包含在钻井液中，此部分只根据土粉含量，计算无隔水管段钻井液中的消耗量。
9)其它载荷
其它载荷包括人员、袋装品、测井设备和采油树等载荷。由于其它载荷对甲板可变载荷的影响不大，因此如果前面各分载荷在计算过程中已经比较保守，一般可以不予考虑；如果要使计算结果更加准确、保守，则可以考虑。
2、深水半潜式钻井平台甲板可变载荷的设计公式
根据上面分析计算得出的各分载荷，把各分载荷相加，再考虑适当的系数，即得出深水半潜式钻井平台甲板可变载荷的设计公式：
VDL≥CL(Lm+Lr+Ldp+Lcs+Lt+Lce+Lba+Lbe+Lo) (7)
式中，VDL—甲板可变载荷，t；Lr—隔水管载荷(包括防喷器组、隔水管下部总成等)，t；Ldp—钻杆载荷，t；Lcs—套管载荷，t；Lt—油管载荷，t；Lbe—土粉载荷，t；Lo—其它载荷，t；CL—系数，1～1.5，根据各分载荷的实际情况确定。
下面通过一个具体的实施例，用以说明本发明的效果。
已知某计划建造的深水半潜式钻井平台，计划最大作业水深3000m，最大钻井深度10000m。试设计其需要的甲板可变载荷大小。
1、甲板可变载荷分载荷分析计算
根据上述公式和条件，对甲板可变载荷包括的钻井液、隔水管(包括防喷器组、隔水管下部总成等)、钻杆、套管、油管、水泥、重晶石、土粉载荷等进行分析计算，钻井液密度取1.32g/cm3(11ppg)时，各项分载荷的计算结果如下表所示。
类别钻井液钻杆套管隔水管油管水泥重晶石土粉重量，t3323368835316217236246099
2、根据各载荷的计算情况和公式(7)，系数CL取1，暂不考虑其它载荷，则计划建造平台的甲板可变载荷计算如下：
VDL≥CL(Lm+Lr+Ldp+Lcs+Lt+Lce+Lba+Lbe+Lo)
VDL≥3323+368+835+3162+172+362+460+99＝8781t
本发明给出的深水半潜式钻井平台甲板可变载荷设计方法，公式简单，意义明确，为建造深水半潜式钻井平台的甲板可变载荷设计提供了理论方法。本发明可以比较简单、准确地确定深水半潜式钻井平台的甲板可变载荷大小，对深水半潜式钻井平台的设计和建造起到指导作用。