海洋钻井平台塔型井架安装方式探讨

2015-10-18刘新宝

天津科技 2015年1期

刘新宝

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津 300452)

0 引言

钻井井架是钻机提升设备的重要组成部分之一，要承受各个方向的载荷。因此钻井井架必须具有足够的强度、刚度和整体稳定性。根据海洋钻井平台井架的整体结构，可以分为塔型井架和自升式井架。

塔型井架(Derrick)是横截面为正方形或矩形的四棱截锥形空间桁架结构的塔型井架，是通常由许多单个构件用螺栓连接组成的可拆结构，并在井场组装或拆散运输。井架本体是封闭整体结构，稳定性好，承载能力大，其尺寸不受运输条件限制，内部空间大，起下钻操作方便、安全。但单件拆装工作量大，高空作业不安全。

自升式井架(Boot Strap Mast)在井场整体或分段水平组装，利用自身配备的动力整体或分段起升安装，分段或整体运输。包括前开口井架、A形井架、桅形井架等。井架本体截面尺寸比塔型井架小，整体质量轻，便于安装。但相对于塔式整体结构井架，自升式井架的整体刚度和稳定性差，并且自升式井架的立根盒位于井架空间的外侧，影响司钻观察坡道上的作业。

由于海洋环境的特殊性和海洋钻井工艺的复杂性，要求井架强度高、抗风载能力强、司钻视野开阔和底部开档宽大，因此大多采用塔型井架。但如何解决塔型井架安装工作量大，对作业资源、工期、费用需求大等问题成为业界关注的一项研究课题。

1 影响钻井平台塔型井架安装的因素

塔型井架作为海洋平台的重要设备，能否按时安装就位，对整体施工进度影响较大。

对于陆地钻井场，井架供货商通常将出厂前验收合格的井架拆卸后，按照工艺要求进行构件编号并装箱运输至井场进行散件组装。但对于海洋钻井平台，由于海洋环境的复杂性以及海洋钻井平台结构空间的局限性，对塔型井架的安装有许多要求和限制。因此，需要考虑影响海洋钻井平台塔型井架的安装因素，并进行综合分析，以确定合适的安装方式。

影响因素主要为：人员及设施的作业安全性；允许作业的环境与总体施工计划的吻合性；施工资源是否满足作业要求，包括吊车、码头等；施工方案(包括风险分析等)的可行性；总体施工计划要求；安装施工作业的成本等。

对于海洋钻井平台井架安装施工作业，施工资源、周期、投入人力是影响施工成本的关键因素，需综合考虑上述因素，确定安全、可操作性强和整体经济性高的井架安装方式。

2 海洋钻井平台塔型井架安装方式

2.1 平台上散件组装

与陆地井场对塔型井架的安装方式类似，在陆地进行预装后，再将各螺栓连接的构件拆开，按照复原安装工艺要求，对所有构件进行编号并装箱。安装井架时，可通过平台吊机将井架构件吊至钻台面进行组装。在组装过程中，根据现场施工条件和机具先组装成片，然后通过钻台上的气动绞车配合特制的撑杆进行分片安装。

此种安装方式不需要动用海上大型吊装船舶等资源，但是需要投入较多的施工及配合人员，安装周期长，且需要钻井平台在井架组装初期即回码头进行配合作业，同时需要平台吊机连续配合作业。

该安装方式属于海上高危作业，存在很大的安全风险。

2.2 整体吊装

在陆地进行井架结构及附属设备(灯具、天车系统)的组装，并设置吊点，利用具备吊装能力的吊装资源进行井架的整体吊装。

此种安装方式可提前在陆地将井架组装完成，不占用钻井平台回码头等候时间，可缩短钻井平台的施工时间。整体吊装方式需要对井架结构进行吊装强度计算分析、专用吊点设计、吊装辅助结构设计、井架吊装过程的防碰设计和钻台面设施的防碰设计。同时由于井架与底座之间为螺栓连接，需要设计井架吊装过程的导向结构。

此安装方式对吊装资源的能力要求比较高，既要满足吊装吨位的要求，又要满足有效高度及覆盖范围的要求。

2.3 分段吊装

为了减少和降低海上环境条件造成船舶待机的时间和风险，考虑吊装船舶资源的限制，应根据井架结构进行合理分段。一般分为两段，在二层台上方的位置进行分段，每段均需设置吊装吊点，利用具备吊装能力的资源进行井架的分段吊装。

此种安装方式可提前在陆地场地将井架组装完成，不占用钻井平台回码头等候时间，可缩短钻井平台的施工时间。此方式需要对井架结构进行吊装强度计算分析、专用吊点设计(较整体吊装对吊点的强度要求低)、吊装辅助结构设计、井架吊装过程的防碰设计和钻台面设施的防碰设计。同时由于井架与底座之间、井架上下段直接为螺栓连接，需要设计井架吊装过程的导向结构。

该安装方式对吊装资源的能力要求比较高(两次吊装的资源能力可不同)，既要满足吊装吨位的要求，又要满足有效高度及覆盖范围的要求。

3 海洋钻井平台塔型井架安装实例

以海洋石油281平台塔型井架(见图1)的安装为例，进行钻井平台塔型井架的选择与设计。

图1 海洋石油281平台塔型井架Fig.1 Tower type derrick of the HYSY281 platform

图2 海洋石油281平台码头停靠方案Fig.2 Berthing scheme for the HYSY281 platform

3.1 安装方式选择依据

海洋石油 281的塔型井架，底部开档尺寸 9.144,m×9.144,m，总高度46.6,m，总质量84,t。根据井架结构，可将井架分为5段，自下而上分为下段、中下段、中段、中上段、上段。

由于海洋石油 281平台为可移动自升式海洋钻井平台，选择将其拖至合适码头靠岸，再为其安装井架，从而可避免将井架结构、施工机具、人员等移至海上的工作，同时可大大降低作业费用和风险。

根据文中对塔型井架安装方式分析，由于海洋石油 281平台场地有限，同时考虑安装期间的气候状况，且为了避免人员高空作业带来的高风险，不建议采用在平台上组装散件的方式。为此选择将海洋石油281平台停靠至码头，同时在码头进行井架的组装，利用浮吊吊装组装好的井架至海洋石油 281平台进行安装。

海洋石油281停靠码头方案如图2所示。

由于海洋石油 281平台所停靠码头的承载能力有限，若采用将井架整体吊装进行安装的方式，则需将重达约 84,t的井架载荷全部通过井架大腿支点加载在码头上，经过计算超过了码头所允许加载的最大载荷。同时，若采用整体吊装，对浮吊的吊装能力要求较高，必须选取更高等级的浮吊，大大增加了成本。故不建议采用整体吊装的方式。

经过对浮吊能力、码头能力、施工风险、施工难易程度、井架结构特性等综合考虑，采用分段吊装的安装方式，以二层台为临界，即下段、中下段、中段为一吊，结构高度 28.5,m，重约52,t；中上段、上段为一吊，结构高度 22.5,m(含天车吊装架)，重约 32,t。

组装后的井架结构如图3所示。

图3 井架二层台以下及以上部分结构图Fig.3 Structures both above and below the racking platform

根据海洋石油 281的停靠方案以及码头允许的组装场地情况，需要浮吊具备如下条件：吊机起吊高度不小于 76.2,m，井架净高51,m；井架底部距离主甲板高度10.2,m；主甲板距离水面高度按照 5,m计算；吊索具长度按照 10,m计算。二层台以下部分中心距前方码头边 44.2,m，最大起升重量为 52,t，二层台以上部分中心距前方码头边 57.2,m，最大起升重量为32,t，据此确定浮吊的技术要求(包括拔杆高度、跨度、载重要求等)。