3 505 m深水钻井船双井架设计关键因素分析

2019-09-25

石油矿场机械 2019年5期

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200215)

据统计，作业水深3 048 m(10 000 ft)、钻井深度9 144 m(30 000 ft)及以上的钻井船大部分采用双井架钻井技术[1]。双井架钻井技术配备了两套钻井系统，两套钻井系统能够同时进行钻井作业和管具组装拆卸、井下器具下放回收等，在深水作业方面能够显著提高钻井效率[2]。目前，只有少数国外钻井设备供应商，例如NOV、MH Wirth等掌握了双井架的设计、制造技术，其产品已经成熟且市场化。国内企业在双井架研发方面还处于起步阶段，为尽快掌握双井架的关键技术，依托在研深水钻井船项目，对双井架主要技术参数的确定、井架类型选取、结构设计、材料选用、配套钻井设备布置以及HSE要求等关键因素进行探讨。

1 设计要求

1.1 标准和规范的要求

双井架设计需满足美国石油学会API Spec 4F《钻井和修井井架、底座规范》和美国钢结构协会AISC 335—89《建筑用钢结构设计、制造与安装规范》的要求。

1.2 目标钻井船概况

目标钻井船用于海上石油和天然气勘探、开采工程，作业区域为南海海域，最大作业水深为3 505 m(11 500 ft)，最大钻井深度为12 192 m(40 000 ft)。该钻井船配备双井架以及电驱钻井系统，具备离线接立根以及其他并行操作能力。作业环境温度-20～50 ℃。

1.3 钻井设备及附属设备配置

双井架上安放天车、游车、顶驱、排管机、指梁等提升、旋转和管具处理设备，除此之外，双井架还配置套管扶正台、大钳平衡重、死绳稳绳器、V形大门滚杠、梯子平台等附属设备。

2 双井架结构设计方案

2.1 主要技术参数

双井架的主要技术参数如表1。

表1 双井架主要技术参数

2.2 总体方案

双井架的结构形式为单锥面塔形井架，如图1。其中，3个立面由钻台安装面垂直到二层台，然后形成锥形到天车安装平台。第4立面(快绳面)由钻台安装平面开始倾斜，到天车安装平台。二层台下段井架内部有较大的空间，能够满足立根的存储要求。二层台上段井架截面收缩，有利于减轻井架质量。

排管机和指梁安装在井架内部靠近死绳侧，钻杆从猫道机运输过来后，排管机从猫道上抓取钻杆，将钻杆运送到指定的鼠洞位置并扶正，由铁钻工接单根，接好的立根由排管机运送到指梁上进行存储。顶驱布置在井架内部靠近快绳侧，主辅井口各配置1台顶驱系统。

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井架立柱、横撑及斜撑等主要承载件采用H型钢，材料选用Q390D，各构件经高强度螺栓连接成一个整体。为满足海洋环境的防腐要求，井架采用热浸锌方式进行防腐。

1—井架本体；2—快绳稳绳器；3—液气水管线支架；4—V道大门防碰滚杠；5—放空管支架；6—二层台；7—大钳平衡重；8—挡风墙；9—泥浆立管支架；10—顶驱导轨；11—死绳导向轮装置；12—套管机械手安装基座；13—井架基座；14—-死绳稳绳器；15—登高车安装基座；16—中间平台；17—生产立管支架；18—载人电梯及逃生梯；19—梯子总成；20—平台总成；21—气动绞车座；22—固井立管支架；23—调平装置。

3 双井架设计关键因素分析

3.1 主要技术参数的确定

双井架底平面尺寸和钻台面设备的布置、操作有关；顶平面尺寸根据天车的外形尺寸和顶驱的工作要求来确定；双井架工作高度主要取决于立根长度、顶驱长度、游车长度和天车防碰安全距离等；二层台高度也就是指梁高度，指梁的上平面应略低于立根顶部，便于排管机钳头夹持立根；二层台容量应能满足存放全部立根的需要[3]。

3.2 井架类型的选取

双井架的形式主要有两种：塔形双井架和A形双井架。A形双井架适用于全液压驱动的钻机系统，对于电驱钻机系统，通常选用稳定性强的塔形井架[4]。

塔形双井架按照结构又细分为棱锥式塔形双井架、瓶颈式塔形双井架和单锥面塔形双井架(如图2)。棱锥式塔形双井架的4个立面由钻台安装面起倾斜到天车安装平台，其优点是承载能力强，缺点是二层台空间小，立根容量不足；瓶颈式塔形双井架的四立面由钻台安装面垂直到二层台，然后倾斜至天车安装平台，其二层台空间大，立根容量足够，缺点在于拐点对井架受力有不利影响，且拐点的高度应位于排管机安装横梁的上方，在井架高度一定的情况下，拐点越高意味着拐点角度和拐点处应力就越大。单锥面塔形双井架结合了上述两种形式的优点，既能满足二层台容量，又能改善井架受力，因此目标钻井船选用单锥面塔形井架。

a 棱锥式塔形井架 b 瓶颈式塔形井架 c 单锥面塔形井架

3.3 结构设计

双井架的结构形式确定后，应明确井架分层和井架立柱、V道大门、横梁、斜梁的截面以及节点的连接形式，为井架的建模和计算提供依据。井架分层应考虑运输条件的限制，避免超长、超重。双井架的计算工况应符合API Spec 4F规范的要求，考虑井架自重力及设备自重力、工作载荷、风载荷、动态载荷等，动态载荷主要包括井架受到波浪引起的横摇、纵摇以及升沉产生的惯性力[5-7]。根据计算结果调整井架构件的规格或者形式，力求井架在满足各种载荷的情况下，主材料采用最合理的截面，达到降低井架质量的目的。

3.4 材料选用

材料的选取除了要满足井架强度、刚度及稳定性要求外，还要考虑结构件的最低设计温度和海洋环境的防腐要求。井架关键承载件的低温冲击性能等应符合GB 712《船舶及海洋工程用结构钢的要求》[8]。在材料防腐方面，裸露构件采用热浸锌处理，井架主体连接螺栓采用高强度热浸锌螺栓。

3.5 配套钻井设备的布置

双井架配套钻井设备的布置很大程度上取决于钻台面的整体布置。由于钻井船的船体狭长，双井架的大门通常设置在艏艉方向，管具也布置在艏艉方向，绞车和立根盒则布置在左右舷方向[9]。双井架内部需要容纳两套钻井设备，设计时要注意避免主、辅井口作业时的相互干涉，还要关注各个设备之间动作的协调性和连贯性，尽可能缩短作业周期、降低钻工的劳动强度。

自动排管系统用于将钻杆或套管等从管子堆场运送到钻台面上，组装完毕后存放在指梁内，并根据需要把立根运送到井口位置。双井架钻井技术可以实现自动排管作业和钻井作业同时进行，提高钻井效率。

自动排管系统主要由动力猫道、排管机、铁钻工、指梁等设备构成。为了确保立根容量足够，指梁布置在井架单锥面(快绳)的对侧，高度和二层台一致。排管机和指梁布置在井架同一侧，方便存储、抓取钻杆。排管机安装位置的确定同时要考虑和动力猫道、铁钻工动作的衔接，确保排管系统动作流畅、高效。

3.5.2 顶驱系统

顶驱布置在双井架单锥面侧，一共配置两套顶驱导轨系统，主井位和辅井位处各配置一套。顶驱导轨和井架每层的横梁相连，作为对顶驱的支撑。天车承重梁下设有悬挂耳板，便于顶驱维修。

3.5.3 双井架附属设备[10]

1) 套管扶正台。

套管扶正台用于将工作人员很方便地送到工作位置，其安装位置的确定要考虑到工作范围能够满足现场的使用要求、操作人员进出的安全性以及套管机械手回收之后的停靠情况。

2) 大钳平衡重。

大钳平衡重用于平衡大钳，使大钳处于适当的工作高度。大钳平衡重布置在指梁对侧，高度在井架二层台上。共设置4套大钳平衡重，主辅井口各设置2套。

3) 死绳稳绳器。

死绳稳绳器用于稳定和保护死绳，共设6套，分别在第4层、第8层、第11层平台，每层各2套。

4) V形大门滚杠。

滚杠设置在V形大门顶端，防止排管机在提拉从猫道送过来的管具时与井架直接碰撞。

5) 泥浆立管、固井立管、放空管线。

泥浆立管、固井立管应根据钻台面泥浆立管管汇、固井管汇的布置来确定其在井架的安装位置；放空管线应根据液气分离器的布置来确定其在井架的位置。

6) 双井架调平装置

双井架调平装置主要由液压缸和支撑块构成，液压缸布置在双井架立柱下方、基座上方。井架总装后，应保证井架上平面(与天车连接面)与基座面平行，天车架中心与双井架基座中心重合，如偏差太大，由液压缸将井架顶起，通过调整立柱底板和基座之间垫片厚度的方式来进行调平。

7) 梯子平台。

井架设主笼梯两部，一部到二层台，另一部到达天车平台。主梯顾及不到的功能平台设置辅梯，确保人员可抵达井架上所有的功能平台。功能平台应根据配套钻井及附属设备设置，位于同一层的操作平台高度应一致，尽可能避免台阶。

3.6 HSE要求

在井架设计时应遵循HSE相关法则，以“健康、安全、环境”作为井架设计理念，“以人为本”设计制造一台对环境污染低、安全使用的井架。采取的措施主要包括：在二层台配备防坠落装置，保证井架工在作业时的安全；紧固螺栓采取防松措施，防止紧固件高空坠落；活动配件设置安全绳，防止配件坠落；梯子、栏杆、平台的设计符合人机工程学；采用热浸锌方式对材料进行处理，避免使用镀镉处理，降低对环境的污染。