深水半潜式平台上甲板钻井设备布局研究.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年 第4 2卷第 5期 ． ． 海洋石油装备 深水 半潜式平 台上 甲板钻 井设备布 局研 究 肖文生 吴 磊 田 雪 魏可可 中国石油大学 华东机电工程学院 摘要半潜式钻井平台广泛应用于海洋油气钻探和开采作 业，平 台上层 甲板钻 井设备布局对 平台钻 井作业性能有着重要影响。结合半潜式钻井平台的布局特点，利用包容盒法对上 甲板钻 井 设备进行简化。将最短材料输送距离和最小质心横偏量作为上 甲板钻 井设备的布局 目标 ，确定布 局约束条件 ，建立上 甲板钻井设备布局数学模型。并用遗传． 模拟退火算法进行优化，求解得 出布 局方案，待布物质心横偏量最小能达到0 ． 2 0 6 m，大大小于许用值 0 ． 7 0 0 m。优化结果表明模型与 算法的有效性，适用于半潜式钻井平台上甲板 的布局优化设计。 关键词 半潜式平 台；钻井设备；布局研 究；遗传算法 ；模拟退火算法；质心横偏量 中图分类号 T E 9 5 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 1 0 Re s e a r c h o n t he La y o u t o f Dr i l l i ng Equ i p m e n t o n Up pe r De c k o f S ub s e a Se mi ． s u bme r s i bl e Pl a t f o r m Xi a o W e ns he n g Wu Le i Ti a n Xue W e i Ke ke C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m，Q i n g d a o Abs t r ac tT h e s e mi s u bme r s i b l e d ril l i n g p l a t f o r m i s wi d e l y a p p l i e d i n o f f s h o r e o i l a n d g a s d r i l l i n g a n d p r o d u c t i o n． Th e l a y o ut o f d r i l l i n g e q u i p me n t o n t h e u p pe r d e c k h a s a n i mp o a n t e f f e c t o n p l a t f o r m p e r f o r ma n c e ．I n c o mb i n a t i o n wi t h t h e l a y o u t f e a t u r e o f s e mi s ub me r s i b l e d r i l l i n g p l a t f o r m ，t h e b o u n d i n g b o x me t h o d wa s u s e d t o s i mp l i f y t h e d r i l l i n g e q u i p me n t o n t h e u p p e r d e c k ． Th e s h o r t e s t ma t e r i a l c o nv e y i n g d i s t a n c e a n d t he mi n i mu m b a r y c e n t e r l a t - e r a l e c c e n t ric i t y we r e t a ke n a s t h e l a y o u t t a r g e t s ． Th e l a y o u t c o ns t r a i n t s we r e d e t e r mi ne d ． Th e ma t h e ma t i c a l l a y o u t mo d e l o f t h e e q u i p me n t wa s e s t a bl i s h e d a n d i t wa s o p t i mi z e d b y t h e g e ne t i c a n d s i mu l a t e d a n n e a l i n g a l g o r i t h m．T h e l a y o u t s c h e me w a s o b t a i n e d b y t h e s o l u t i o n ． T h e mi n i mu m l a t e r a l e c c e n t r i c i t y o f t h e b a r y c e n t e r o f o b j e c t s t o b e a r - r a n g e d c a n r e a c h 0． 2 0 6 m wh i c h i s c o n s i d e r a b l y l e s s t h a n t h e a l l o wa b l e v a l u e 0． 7 0 0 m． Th e o p t i mi z a t i o n s ho ws t h a t t h e mo d e l a n d t h e a l g o r i t h m c a n b e e f f e c t i v e l y a p p l i e d t o t he o p t i mum d e s i g n o f l a y o u t o f d r i l l i ng e q ui p me n t o n t h e u p p e r d e c k o f s e mi s ub me r s i b l e p l a t f o r m． Ke y wo r ds s e mi s u b me r s i b l e p l a t f o r m ； d ril l i n g e q u i p me n t ； l a y o u t ；g e n e t i c a l g o r i t h m ； s i mu l a t e d a n n e a l i n g a l g o rit h m b a r y e e n t e r l a t e r a l e c c e n t r i c i t y 0 引 言 深水半潜式钻井平台的布局对平台的作业性能 和作业效率有着重要的影响 卜 。深水钻机系统的 布置属带性能约束的超大系统三维布局问题 ，平台 各系统关联性强、约束多。 众多学者对深水钻机系统布局进行 了研究。潘 斌 综述了移动式平 台的布置 特点和步骤 ，探讨 了钻井设备 的布局和平 台危 险区域的划分 ；刘海 霞 提出了半 潜式钻井 平台的总布置原则并 对关 键点进行 了分 析；杨轶普 针对 钻井平 台的布局 问题 ，提出了空间 向心法 ；岳吉祥 采 用复 杂大 系统优化分解- 协调理论 ，对不 同平 台层次的系统 基金项 目国家 8 6 3计划项 目 “ 深水钻机与钻柱 自动化处理关键技术研究 ” 2 0 1 2 A A 0 9 A 2 0 3 。 2 0 1 4年 第 4 2卷第 5期 肖文生等 深水半潜式平 台上 甲板 钻井设备布局研 究 一 4 5一 模块采用不 同的布局算法 ，之后根据重心调整布局 方案。 笔者针对半潜式平台上甲板钻井设备 的布局问 题 ，基于工艺流程 ，提出布局 目标 ，凝练布局约束 条件 ，建立 了布局 的数学模 型。结合遗传一 模拟退 火算法 ，对具体事例进行 了布局优化。 1 钻井设备待布物体和平台待布空间 处理 1 ． 1 待布物体 的简化处理 上甲板所有的机械设备 、管具 、物资以及生活 设施等统称为待布物 。将布局物体简化为质量均匀 的长方体 ，如图 1 所示 。为避免设备之问干涉 ，方 便设备维修保养 ，布局物体之间留有一定空隙 ，采 用 比实际物体稍大的包容盒作为布局对象 ，包容盒 尺寸根据实际情况确定。 图 1 待 布物 简化模型 图 F i g ． 1 D i a g r a m o f s i mp l i fi e d mo d e l o f o b j e c t s t o b e a a n g e d 1 ． 2 待布物空间位置表达 待布物所处的空 间位置主要 由 3个 因素确定 待布物所在平面 、待布物在布局平面的顶 点坐标 、 待布物与水平方向的夹角。钻井设备之间通常采用 正 交 布局 方式 见 图2 。 由于待 布物基 于 上 甲板 图 2待 布 物 布局 平 面 图 F i g ． 2 L a y o u t p l a n o f o e c t s t o b e a a n g e d 平面布置 ，以上 甲板为基准面建立平面直角坐标系 X O Y ，其中原点 0位于布局面的中心位置，第 个 待布物的空间位置可表示为 ， ，h ， 。其 中 、Y 是待布物的质心位置 ， 表示待布物的高 度， i 表示待布物的布局状态。当待布物的长边和 轴方向平行时， 0 ， 称待布物的布局状态为 “ 横” ； 当待布物的长边和 轴方向垂直时， 1 ，称待布物 的布局状态为 “ 竖” 。 2 布局数学模型的提 出 2 ． 1 布局求解 目标 由于钻井平 台日租费用高昂 ，深水钻机系统布 局的首要 目标是要保障钻井作业高效顺畅进行 ，减 少运营成本 ，同时还要考虑到布局对钻井平台总体 性能造成 的影 响，使钻井平 台的稳定性 、安全性 、 可靠性等指标都处于较优的状态。笔者重点考虑平 台的作业成本 、作业效率及稳定性 ，以材料输送距 离和平台质心横偏量最小化为优化 目标。 2 ． 1 ． 1 材 料 输送距 离 文献 [ 6 ]指出管具类材料对输送成本影 响较 大。因此主要考虑管具类材料从存储 区运送至钻台 的距离。钻井材料输送距离的数学模型可表达为 ∑F d D 1 式 中，F 表示管具 i 到动力猫道 的移运频率 ，D 表示管具 i 与动力猫道间的距离。 2 ． 1 ． 2 平 台质 心横 偏 量 质心横偏量是指包含所有待布物的钻井平台实 际质心位置相对于形心位置的距离 ，为了提高平 台 的稳定性 ，应该保证平 台的质心横偏量尽量小。质 心横偏量表达式为 厂 ■一 √ m c m c 2 式 中，m 表示待 布物 的质量 ， Y 分别 为待布 物 、Y2个方向的质心坐标。 2 ． 1 ． 3总 目标 函数 为了把上 甲板钻井设备布局问题转化为单 目标 优化问题 ，笔者采用线性加权和法 ，将各个子 目标 函数 赋予 不 同 的权 重系数 W ，则 目标 函 数为 Mi n F W W Jc 。 。 3 式 中，W 、W 为各分 目标 的权重系数。 2 ． 2 布局约束条件 上 甲板 钻井设备布局作 为典型的复杂布局问 题 ，受到很多约束条件的限制 。笔者重点考虑的约 束如下 。 2 ． 2 ． 1 边界 约束 所有物体必须布置在甲板上，且不超过甲板边 界 ，边界控制 函数 g 约束条件为 ． - 4 6． - 石油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 5期 g l l y 一 ≤0 4 式中，f 和 W 分别为待布物的长度和宽度 ，， J 和 分别为上 甲板的长度及宽度 ，i 1 ，2 ，⋯，几 。 2 ． 2 ． 2 干 涉约束 布局要求待布物之间不相互干涉。布局物体的 横竖标志可 以用 表示 ，定 义 2个布局物体 ， 的 正 交 布 局 矩 阵 可 表 示 为 V [ v．i] ， 定 义 2 个 布 局物体 i ， 布局状态矩阵 P，则有 Pf P n L P 2 1 [ 。 ] ，若 [ ] [ 】 li O ] ㈤ W 则物体之间不相互干涉函数g 2 可以表达为 ～ l一 0 g 。 6 I 或 I Y ic y l 一 0 ／ 2 ． 2 ． 3 考虑作业流程和工艺的其他约束 笔者重点考虑以钻台为中心的作业区布局。钻 台作为深水钻机的作业中心 ，是整个平台钻井工作 中心，也是各种钻井材料输送终点 ，一般处于钻井 平台的中央位置且竖 向放置 ，钻台区在布局面上的 坐标范围如下 g c { 二 。b ≤ y c7 z 式中，a和 b为稍 大于 0的实数 ，此 处取 ab 0． 5。 确定 了钻 台的位置之后 ，和钻台相关联的设备 和材料 如立放 隔水 管处理 系统 、管 子输 送机 、 防喷器和采油树处理 系统 等 的位置范 围也能大 致确定。 为了更便捷地提升和下放隔水管 ，隔水管倾斜 臂通常正对着钻井中心放置。隔水管立放 区在布局 面上的形心坐标取值范围为 g 4 f g l z 一 ≤X gl ≤ sl 。 8 【 一 b≤ Y l≤ b 式中， 表示隔水管立放 区在布局面上的形心 坐标 ，其横竖状态 ，W W 分 别表示隔水 管立放区和钻 台区的宽度。 管子输送机主要负责把钻杆 、钻铤 、套管 、隔 水管等管具输送至钻台。管子输送机和钻台区在布 局面上的形心坐标取值范围为 鹃 f 一 z ／ 2 一 X g z ≤ 一 加 z ／ 2 。 9 【一b≤ Y 1≤ b 式中， Y 表示管子输送机在 布局面上 的形 心 坐标 ，其横竖状态 。 ，2 表示 管子输 送机 的 长度。 水下器具区重点考虑防喷器和采油树处理系统 在甲板上的布置。若防喷器和采油树处理系统在月 池同一侧的情况 ，则水下器具 区在布局面上的形心 坐标取值范围为 g 6 r a ≤ ≤ a l { 一 b z W ／ 2≤Y ≤ b ／ 2或 L b一 f W ／ 2≤Y ≤ b一 f W ／ 2 1 0 式 中， 。 、Y 分别 表示 水下器具 区在布 局面上 的 形心坐标 ，f 和 W 分别表示钻 台区的长度和水下 器具区的宽度 。 若防喷器和采油树处理系统在月池两侧 ，水下 器具区防喷器 和采 油树处 理系统形心坐标取 值范 围为 g r一 。 ≤ f≤ 。 { 一b f W f ／ 2≤Y f ≤b f W f ／ 2或 【 一b一 Z W f ／ 2≤ Y f ≤b一 W f ／ 2 1 1 式 中， 、Y 分别表示防喷器处 理系统在布局面上 的形心坐标 ，W 表示 防喷器处理系统的宽度。 g 8 r一 口 ≤ Xc≤ 一 。 { 一b f W ／ 2≤Y ≤b f W ／ 2或 【 一b一 f W ／ 2≤Y 。≤b一 f W ／ 2 1 2 式中， 、Y 。 分别表示采油树处理系统在布局面上 的形心坐标 ，W 表示采油树处理系统的宽度 。 2 ． 3 总体布局数学模型 联立式 3 、式 4 、式 6 ～式 1 2 ， 即可得钻井平台布局优化模型。