小跨距海洋修井机稳定性分析

王晓雷

(中海油天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452)①



开发应用

小跨距海洋修井机稳定性分析

王晓雷

(中海油天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452)①

摘要：海洋修井机受平台结构的限制，有些需要设计成小跨距结构。小跨距修井机的稳定性较差，必须更加重视抗倾覆能力计算。通过分析小跨距修井机的抗倾覆因素，提出提高修井机稳定性的几种方法。通过调整钻台面上设备的布局，特别是采用增加配重的方法，显著提高了修井机的稳定性。

关键词：修井机；小跨距；稳定性

渤海许多老平台修井机的提升能力有限，无法满足大载荷措施井、调整井的作业要求，对修井机进行升级改造成为一种发展趋势[1]。在修井机升级改造项目中，受平台承重能力、主梁跨距、井槽分布等情况的限制，造成修井机的下底座跨距较小，边缘井槽与修井机导轨距离过小，从而对修井机的稳定性造成不利影响。

常规修井机的稳定性计算是根据API Spec 4F进行，由于风载因素对稳定性影响较大，一般只分析最大风载工况，即井架直立状态。小跨距修井机由于其特殊结构，在不考虑外部因素(风载)的工况下也容易出现失稳情况，因此应增加此工况下的稳定性分析。本文针对渤海某平台小跨距修井机出现的上底座失稳情况，分析了影响修井机稳定性的因素，提出几种提高修井机稳定性的方法。

1修井机的布置方式

海洋修井机的布置方式主要有2种类型。

1)平行布置。修井机的上移动底座和下移动底座的主梁方向一致，如图1。

优点：结构简单，质量轻。下底座主梁宽度与上底座主梁宽度一致，能够覆盖到离平台边缘比较近的井位。

缺点：下底座两个支腿跨距较小时，极限井位的稳定性较差。

图1　平行布置的海洋修井机

2)垂直布置。修井机的上移动底座和下移动底座的主梁方向垂直，如图2。

优点：下底座纵横滑移性能较好，能够覆盖多个井区。稳定性较好，不同井位时，下底座支点受力相对均匀。

缺点：结构尺寸大，质量大。井槽距离平台边缘较近时，修井机就位难度大。部分井位坡道安装可能会受到下底座连杆结构影响。

图2　垂直布置的海洋修井机

2小跨距修井机的稳定性分析

2.1小跨距修井机的模型

以某平台配置的HXJ158型修井机为例，其下底座导轨跨距7.5 m，平行布置。因油田开发需要，该平台进行外挂平台改造，从而形成新、旧2个井区。为满足2个井区的修井作业需要，对修井机进行了升级改造。因受到平台布局的限制，升级改造后，修井机采用平行布置方式，两侧甩钻的安装方式。

由于平台导轨梁跨距只有7.5 m，极限井位距离导轨梁只有1.5 m(如图3)，造成修井机在极限井位Ⅲ时结构自重偏心较大(如图4～5)，因此存在较大的失稳风险。

图3　小跨距修井机

图4　极限井位工况上底座支腿翘起

2.2稳定性分析[2]

修井机整体稳定性，是指修井机抗倾覆能力和相对滑动计算分析。稳定性系数是衡量修井机安全性的重要指标，它是指无绷绳修井机在最大载荷工况下，设备自重(除井架外)与离井口最近的两支腿连线产生的弯矩与最大起重质量和井架的质量与离井口最近的两支腿连线转动的弯矩比[3]。海洋独立式钻井结构的最低倾覆安全系数为1.50。

常规修井机稳定性计算仅对修井机最大受力工况进行分析计算，即：修井机在无钩载满立根时承受47.8 m/s风速，以及无钩载无立根时承受55 m/s风速[4]。小跨距修井机由于其特殊结构，在极限井位时不考虑风载的情况下，失稳风险仍较大，因此，需要分析不考虑外部因素(风载)工况下的稳定性。

2.2.1修井机稳定性分析

修井机稳定性主要取决于自身结构自重、重心分布和环境因素。由于修井机在极限井位Ⅲ的结构重心偏重最严重，因此，只需对极限井位Ⅲ的稳定性进行分析。

以极限井位Ⅲ的井口中心为坐标原点，建立右手坐标系，如图5～6。

图5　极限井位坐标

图6　下底座位置(A、B、C、D表示下底座支点)

通过计算，得出在极限井位时，修井机的重心如表1。通过对表1进行分析，表明在极限井位Ⅲ，井架直立状态时，修井机的整机重心位于修井机两个支腿(A、B)之间，且距离修井机支点(B、C支腿)中心位置62 mm。在极限井位Ⅲ，井架放倒(水平)状态时，修井机的整机重心在主梁C的北侧，且距离修井机支点(B、C支腿)中心2 652.8 mm。

因此，可以得出如下结论：

1)在不考虑外部载荷的因素下，理论上修井机(井架直立状态)在极限井位Ⅲ时，是稳定的。考虑到海洋实际环境因素，其稳定性存在较大风险。

2)在不考虑外部载荷的因素下，理论上修井机(井架放倒状态)在极限井位Ⅲ时，是失稳的。因此，应严禁在此井位放倒井架。

2.2.2提高稳定性措施

为提高小跨距修井机的稳定性，提出几种优化措施：

1)优化修井机钻台结构，减小钻台长度。通过优化设备布局、钻台结构，将钻台长度由原设计的1 6000 mm优化为15 500 mm，长度缩短了500 mm。钻台长度减小能够有效减小倾覆力矩，但受限于钻台设备布置，能够优化的余地有限。

2)优化钻台布局，尽量将设备摆放至立根盒一侧。将液压站位置向立根盒方向移动(如图7)。柴油机附近只保留一个燃油箱。优化钻台设备布局能够改善修井机受力情况，减小倾覆力，但考虑到设备使用性能，仅能对部分设备进行优化。此方案仅能改善修井机稳定性，但无法彻底消除稳定性风险。

图7　钻台布局

3)增加配重。在下底座立根盒一侧(存在上翘倾向)增加配重，设置1个1.6 m3的配重箱，配重箱内填充7.85 t铁砂(如图3)。通过增加配重，平衡极限井位时的倾覆力。增加配重的质量越大，修井机稳定性的安全系数越大。此方案能够有效解决修井机稳定性风险高的问题，可操作性强，易于实施。

但增加配重的方案在一定程度上导致修井机支点反力略有增加，因此需要按照优化方案的支点反力校核平台承重能力。对桩基承载能力有限的老平台，应调研该平台的井深，校核修井机实际最大作业井深的支点反力。

2.2.3分析及结论

综合分析3种优化方案，对优化前后修井机整机重心以及4个支腿的支反力[5]进行计算，将计算结果进行对比，如表2～3。

表2　优化前后的修井机重心位置

表3　优化前后的修井机支腿反力

注：1)工况：自重力+0°操作风(21.6 m/s)。

2)“-”表示受拉力。

通过表2～3的数据对比，可以看出，优化后，在极限井位Ⅲ，井架直立状态时，修井机的整机重心由原来的-1.438 m变为-1.046 m。修井机重心位于修井机两个支腿(A、B)之间，且距离修井机支点(B、C支腿)中心位置由62 mm变为454 mm。如图8。优化后，A、D两个支点由拉力变为压力，修井机4个支点反力均为压力，表明该工况下修井机稳定，优化方案取得明显效果。特别是增加配重的方案对改善稳定性的效果显著。

图8　优化前后修井机重心对比

3结论

1)通过3种方案的优化，小跨距海洋修井机的稳定性显著提高，解决了现场实际问题。

2)结合油田实际情况，合理增加配重的方案既考虑了平台承重能力的要求，又显著地改善了修井机失稳的问题。为改善小跨距修井机的稳定性提供了一种切实可行的方法。

3)在今后的小跨距修井机设计工作中，应更加重视稳定性问题。应在设计阶段做好优化设计，提高修井机的稳定性；在建造过程中应重点做好结构尺寸、质量控制。

4)在设备使用说明书中应对失稳的风险进行特别说明；在现场应悬挂明显的警示牌以及操作规程；在操作培训时应对修井机稳定性风险以及相关特殊要求进行重点培训。

参考文献 ：

[1]王晓雷.海洋修井机升级改造可行性分析[J].石油和化工设备，2015，18(7)：47-50.

[2]GB/T 25428—2010，钻井和采油设备 钻井和修井井架、底座[S].

[3]马昌林.无绷绳修井机稳定性仿真分析[J].石油矿场机械，2011，40(9)：53-56.

[4]丁辉.K80海洋修井机稳定性分析及加固设计[J].石油机械，2012，40(6)：59-61.

[5]王祥伟.HXJ158海洋修井机使用说明书[Z].

文章编号：1001-3482(2016)07-0060-04

收稿日期：①2016-01-12

作者简介：王晓雷(1979-)，男，山东青岛人，工程师，2003年毕业于青岛科技大学，现从事海洋钻/修井机、海洋钻采设备设计及技术研究工作，E-mail：wangxl22@cnooc.com.cn 。

中图分类号：TE952

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.013

Small Span Ocean Workover Rig Stability Analysis

WANG Xiaolei

(BohaiOilResearchInstitute，TianjinBranchofCNOOCLtd.，Tianjin300452，China)

Abstract：Restricted by the structure of the platform，ocean workover rig sometimes need to be designed into small span structure.The stability of small span of workover rig is poorer，and more attention must be paid to anti-overturning calculation.Through the analysis of anti overturning factors on small span of workover rig，several methods for improving the stability of the workover rig are proposed.The stability of workover rig can be improved significantly by adjusting the equipment position on the drilling platform，especially by increasing the counterweight.

Keywords：workover rig；small span；stability