南海某油田拟利用平台闲置井槽新钻4口生产井，由于无自带钻机，且可租用钻井船及大型海上安装船舶紧张，完全自主设计、建造了1台可自安装的模块钻机取代常规钻井船或模块钻机。该模块钻机不依赖于大型海上安装船舶，利用平台自带的吊机将模块钻机安装至平台顶层甲板，用于该平台调整生产井的钻井、完井和修井作业。

　　 平台现有吊机额定负载15t，对应工作半径25m，需新增2台额定负载为45t，工作半径为10m的模块吊机。模块吊机单个模块质量≤15t，才可利用平台已有吊机吊装上平台。再利用模块吊机将模块钻机小模块吊装上平台，每个小模块质量≤38t。模块钻机小模块在地面拼接成大模块，经过调试再拆卸、包装、运输、海上吊装、平台重新组装连接和联合调试。施工过程无现成设计方案、陆地建造及海上安装经验可供借鉴。总体方案、模块分块原则及连接方式、吊机选型及安装、运输方案、海上吊装方案等问题仍需解决。

　　 模块钻机布置如图1所示，由钻井设备模块(DES)、钻井支持模块(DSM)、灰罐模块(P-TANK)、动力模块(PM)4大模块组成 ^[1]。同时，平台还新增了2台模块吊机。总体布置除考虑安装、操作、维护、逃生等基本要求外 ^[2]，同时考虑了以下方面。

　　 1)2台模块吊机的位置设置充分考虑后期方便安装小模块。

　　 2)DES模块主滑轨位于平台立柱正上方，保证整个平台结构稳定。

　　 3)由于是在旧平台上安装大型装备，需尽量控制模块钻机的整体质量，在施工期间严格限制各设备及结构自重 ^[3]。在操作手册中，对3种操作工况和2种极端工况的可变荷载做了严格限制。

　　 4)在平台承受最大荷载的工况下，对2台新增吊机的操作做严格限制，重新修订了原平台同步作业手册。

　　 5)进行海上吊装的定量风险分析。

　　 模块钻机由4大模块组成，总重约20 500kN，划分为众多小模块。综合考虑钻井工艺流程要求和吊装设备能力，尽可能减少模块的数量和质量，同时尽量保持单个模块功能的独立性 ^[4]，以减少海上安装连接和调试的工作量。将大模块划分为136个小模块，部分小模块建造完工图如图2所示。分块满足以下原则。

　　 1)有利于结构传力。

　　 2)以特定功能进行分块，如柴油发电机橇块、空气压缩机橇块、柴油罐等。

　　 3)有利于设备、辅助系统及控制的完整性。

　　 4)有利于管线、电缆的完整性，减少模块间的连接。

　　 5)单个模块自重控制在380kN以内。

　　 由于采用众多小模块设计，各模块间通过各种类型的销轴连接或螺栓连接 ^[5]。充分考虑各模块连接件的受力，对于销轴连接件，尽量减少销轴平面外侧向力，使其能够发挥限位作用。结构设计同时还应尽量减小模块钻机工作时产生的振动 ^[6]。连接位置选择在结构关键节点处，同时考虑各小模块的功能及可能发生的相对变形。连接布置上尽量保持对称，使力的传递合理化，并减少由于不同小模块间的变形不一致造成的插销困难。

　　 小模块在陆地建造场地组装成大模块后，需铺设大量电缆。陆地调试结束、大模块拆卸前回收电缆，待模块钻机在海上平台安装后重新铺设及连接。常规大模块间的电缆连接采用直接连接或接线箱形式，而众多小模块的电缆连接，特别是从动力模块PM到钻井设备模块DES间的连接需通过拖链，而拖链不能与动力模块和钻井设备模块一起吊装，电缆穿插拖链工作量巨大。为节省海上安装时间，在钻井设备模块的南北拖链两端设置电缆连接器，提高连接速度，并实现了电缆与拖链的整体吊装。部分电缆陆地调试后回收到桥架内，便于海上快速回接。

　　 为减少模块钻机的分块数量、节省总工作量，模块吊机的理想吊装能力为600～800kN。然而，受制于平台原有吊机能力，大吨位吊机分块难以拆分为150kN以下，大吨位吊机底座结构也需要更大。同时，难以找到符合项目要求的大吨位模块吊机。经过调研，最终确定模块吊机的吊装能力为450kN。

　　 模块吊机临时位置处采用2条2m高的组合梁作为支撑，而永久位置处采用2条2.2m高的组合梁，如图3所示。由于吊机底座需多次移动，因此采用框架式设计 ^[7]，有别于传统将军柱形式，为国内海洋工程界首创。这一设计可有效提高底座强度和刚度，最大限度地解决吊机底座在较大集中荷载作用下的强度和吊机顶部水平位移问题。根据结构受力特点，采用拼接组合梁以达到合理利用材料，减小质量的目的。同时通过ANSYS有限元软件进行分析，尤其对框架底座在临时作业位置的工况做局部强度校核，保障了吊机操作时安全。

　　 新增的2台模块吊机由吊机基座模块、回转轴承模块、液压动力及驾驶室模块、A字架、吊臂(共分4段)，走道平台模块等6部分组成。模块间全部采用销轴连接，采取了以下创新措施。

　　 1)主钩和副钩绞车布置

　　 为实现在吊机A第2次移位时耗时最少，吊臂为整体拆卸及再安装。由于主钩海上拆卸及再安装穿钢丝绳时间较长，模块吊机将主钩和副钩绞车布置在吊臂基段上。这种布置实现了吊机A在第2次移位时能将整个吊臂包括大小钩、绞车及钢丝绳整体吊装，减少了海上安装的工作量和时间。

　　 2)无线传输测力仪、角度仪

　　 为减少吊臂上电缆的数量，主副钩的测力仪、限位器、吊臂的角度仪及风速仪等全部采用无线传输技术，无须电缆连接。主钩测力仪如图4所示。

　　 3)液压管应用快速接头

　　 为实现吊机上液压管线快速拆接，吊机上的液压管均采用快速接头并对应编号。

　　 4)便携式直线镗孔技术及快速装夹工装

　　 吊机基座模块需与框架式底座在海上连接，为便于海上快速连接，要求将吊机基座设计为通过8个直径为4″的销子连接。同时要求将吊机基座提前1个月运至建造场地，便于加工销轴孔。销轴连接的公、母耳板壁厚合计超过200mm，通过便携式镗孔设备，采用直线钻孔技术完成钻孔工作，保证销轴的配合精度(见图5～7)。

　　 考虑到建造场地距离平台较远，采用大驳船+工作拖轮的分航段运输方案。即模块钻机在建造场地建造、组装、调试、拆卸及包装后，由驳船分3船次将各模块从建造场地运输至相对平台较近的油田陆地终端码头，再根据海上实际安装进程，由拖轮将30船次小模块陆续转运至平台现场进行海上吊装。这种创新的运输方案既节省了运输费用，摆脱了对大型海上安装船舶的依赖，也保证了海上的安装进度要求。

　　 为实现采用新增的模块吊机完成所有的海上吊装工作，模块吊机在平台内需4次就位和移位。其中吊机A有3个就位位置，吊机B有1个就位位置，海上吊装作业满足相关规范及平台管理规定要求 ^[8]。就位步骤及海上吊装方案如下。

　　 1)利用原平台吊机将模块吊机A安装于第1个就位位置(见图8a)。

　　 2)利用调试好的模块吊机A将模块吊机B安装在最终位置。

　　 3)利用第1个位置的模块吊机A和模块吊机B进行钻机动力模块的吊装，吊装并安装完第2台发电机模块后，模块吊机A滑移至第2个位置(见图8b)。

　　 4)利用第2个位置的模块吊机A和模块吊机B进行钻机动力模块剩余模块的吊装，安装完动力模块后模块吊机A移位至最终位置(见图8c)。

　　 5)利用最终位置的模块吊机A和模块吊机B完成灰罐模块、钻井支持模块和钻井设备模块的吊装。吊装及安装工作完成(见图8d)。

　　 为保证整个项目进展顺利，制作了三维动画指导陆地建造、拆卸、海上运输、吊装、平台重新组装工作。

　　 模块钻机按计划移交，运行情况良好，油田按期向客户增加供应天然气。不依靠大型海上安装船舶而应用自安装技术实现海洋模块钻机的整体安装为国内首次。整个项目投资比计划节省了近6 000万元，单独采用海上自安装技术就使得海上运输及安装费用比用大型浮吊预算节省4 100多万元。