海上平臺(tái)組裝式修井裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算

蓋永革，古青海，江正清

（1.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島266555；2.中石化勝利石油工程有限公司a.井下作業(yè)公司；b.鉆井工藝研究院，山東 東營257000）①

修井作業(yè)是提高原油采收率的重要措施。目前，可供海上油田選擇的修井設(shè)施主要包括平臺(tái)模塊鉆機(jī)，即1個(gè)平臺(tái)需鉆較多的開發(fā)井時(shí)，選擇平臺(tái)模塊鉆機(jī)完成鉆完井工作，后期作為該油田修井設(shè)施等［1］。綜合考慮投資成本，海上部分采油平臺(tái)不適合安裝固定的修井設(shè)備，修井作業(yè)主要依靠鉆井船重新就位或?qū)Ｓ霉ぷ鞔瑏硗瓿?。目前，移?dòng)式修井設(shè)施的生產(chǎn)任務(wù)繁重，無法滿足海上修井作業(yè)的需求，許多油井不能及時(shí)進(jìn)行修井作業(yè)，影響了淺海油田的石油開發(fā)，而且移動(dòng)式修井設(shè)施的作業(yè)成本較高。目前，僅渤海海域就建有13座無修井機(jī)采油平臺(tái)，所以研制簡(jiǎn)易、輕型、模塊化、修井作業(yè)成本低的海上組裝式修井裝置是非常必要的。

1 海上修井裝置的發(fā)展趨勢(shì)

在國內(nèi)，海洋修井機(jī)經(jīng)過近20a的發(fā)展，已初步形成系列化，功能上基本能滿足海洋油田的需求。為適應(yīng)不同海域環(huán)境、不同平臺(tái)類型、不同作業(yè)方式以及特殊作業(yè)的需要，我國海洋修井機(jī)目前呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢(shì)，例如可搬遷式、小模塊化海洋修井機(jī)和海洋模塊鉆機(jī)等［2］。近年研制成功了多功能海洋3 000m鉆修機(jī)，標(biāo)志著我國海洋石油鉆采裝備研制能力取得重大進(jìn)展，該鉆修井機(jī)集鉆井、完井、修井3項(xiàng)功能于一體，適用于自升式、自航式海洋多功能鉆井船作業(yè)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，全部實(shí)現(xiàn)模塊化和高移運(yùn)性，可滿足海上作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)頻繁拆卸、移運(yùn)和安裝的需要，能大幅提高海洋油氣勘探開發(fā)的工作效率。

通過引進(jìn)、國產(chǎn)化、再創(chuàng)新，目前我國海上采油平臺(tái)已普遍裝備了國產(chǎn)海洋鉆修井機(jī)，但在整機(jī)的設(shè)計(jì)水平、防腐工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量控制和管理水平、廠家提供的隨機(jī)技術(shù)資料等方面與國外海洋鉆修機(jī)相比仍存在一定差距［3］，在針對(duì)不同平臺(tái)類型、特殊要求而研制的鉆修機(jī)與國外存在較大差距，例如國外已針對(duì)單井或無承載能力采油平臺(tái)開發(fā)出液壓簡(jiǎn)易修井裝置（如圖1），國內(nèi)尚未見類式修井裝置研制的相關(guān)報(bào)道。

圖1 國外的海上簡(jiǎn)易修井裝置

鉆修井設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性、運(yùn)移性以及設(shè)計(jì)上的統(tǒng)一性等影響著石油工業(yè)相關(guān)工程的安全與穩(wěn)定性，同時(shí)也決定著工程的成本投入水平。因此，設(shè)備更加安全可靠，壽命較長，性能更優(yōu)；更趨機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化，設(shè)備的高效節(jié)能特性更為突出；能夠滿足不同環(huán)境條件之下的作業(yè)需求等是未來鉆修井設(shè)備發(fā)展的主要方向［5］。

2 海上組裝式修井裝置總體方案

2.1 技術(shù)要求

設(shè)計(jì)的海上組裝式修井裝置符合石油鉆機(jī)和修井機(jī)標(biāo)準(zhǔn) GB／T 23505—2009、API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及中國海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q／HS 2007。采用模塊化設(shè)計(jì)，自升式井架，模塊質(zhì)量小于5t。裝置作業(yè)時(shí)采油平臺(tái)僅承受修井裝置的自重力，管柱與提拔載荷可分配到井口上。

主要技術(shù)參數(shù)［6－7］：

名義小修井深（2″外加厚油管）4 000m

名義大修井深（2″鉆桿）3 200m

額定鉤載 600kN

最大鉤載 900kN

絞車功率 275kW

井架高度 30m（22m）

二層臺(tái)安裝高度單根（雙根）8.5m（16.5m）

有效繩數(shù) 6根

鋼絲繩直徑 26mm

大鉤最大起升速度 1.2m／s

整機(jī)總質(zhì)量 50t

2.2 總體結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)整體要求和主要技術(shù)參數(shù)，通過技術(shù)調(diào)研和分析研究，確定了總體結(jié)構(gòu)方案，如圖2。包括縱橫向移動(dòng)工作臺(tái)、自升式井架、電機(jī)直驅(qū)絞車、電機(jī)直驅(qū)鉆盤、天車臺(tái)、游動(dòng)系統(tǒng)、司鉆控制房及井口連接組件等。

圖2 海上組裝式修井裝置結(jié)構(gòu)方案

特點(diǎn)：

1） 通過液壓驅(qū)動(dòng)使底座橫向及縱向移動(dòng)，可進(jìn)行叢式井作業(yè)。

2） 采油平臺(tái)僅承受海上簡(jiǎn)易修井裝置的自重力，作業(yè)過程中的起升重力和作業(yè)管柱的重力由井口承擔(dān)。

3） 井架為自升式結(jié)構(gòu)，利用梯形基礎(chǔ)座的油缸進(jìn)行井架的起升操作。井架分段、分片制造，便于運(yùn)輸，節(jié)約運(yùn)輸成本，且安裝簡(jiǎn)便、起升平穩(wěn)、工作可靠。

4） 工作臺(tái)移動(dòng)、井架起升、井口承載控制等均采用液壓技術(shù)，充分發(fā)揮液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。在液壓件的選用、液壓系統(tǒng)和閥板的設(shè)計(jì)上均以高可靠性和節(jié)能為原則，減小裝機(jī)功率?？紤]液壓系統(tǒng)工作的非同時(shí)性，可采用統(tǒng)一的液壓泵站，提高設(shè)備的利用率。

5） 絞車、轉(zhuǎn)盤采用低速大扭矩交流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，較少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)，效率高、維修方便，控制方便。

6） 游車、天車等均采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通用件，性能可靠。

7） 操作室采用側(cè)掛室安裝，減小工作臺(tái)的面積。控制方式采用集中控制及遠(yuǎn)程氣控操作相結(jié)合的方案。

8） 井架設(shè)計(jì)有4個(gè)繃?yán)K點(diǎn)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定是否安裝繃?yán)K。

9） 整機(jī)結(jié)構(gòu)為模塊化設(shè)計(jì)，模塊質(zhì)量均小于5t，適用于采油平臺(tái)小型吊車安裝的需要。

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

3.1 橫縱向移動(dòng)式工作臺(tái)

橫縱向移動(dòng)式工作臺(tái)由橫向工作臺(tái)、橫向移動(dòng)導(dǎo)軌、橫向支腿、縱向工作臺(tái)、縱向移動(dòng)導(dǎo)軌、支撐油缸等組成，結(jié)構(gòu)方案如圖3。

圖3 橫縱向移動(dòng)式工作臺(tái)結(jié)構(gòu)方案

3.1.1 技術(shù)特點(diǎn)

1） 橫縱向移動(dòng)式工作臺(tái)由6個(gè)油缸支撐，每個(gè)支撐油缸下部連接4個(gè)滾輪，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可使修井機(jī)整體沿軌道移動(dòng)，以對(duì)準(zhǔn)待修井井口。每組滾輪設(shè)置軌道制動(dòng)器，可使鉆臺(tái)與軌道相互固定。

2） 支撐油缸活塞伸出，可使工作臺(tái)整體上升。在整體沿著軌道前后移動(dòng)過程中其下端的重力傳遞短節(jié)不與井口法蘭發(fā)生干涉碰撞。對(duì)準(zhǔn)井眼后，油缸活塞縮回，使工作臺(tái)整體下移，接近井口法蘭時(shí)停止下移，并微調(diào)井口重力傳遞短節(jié)下部的法蘭，使螺栓孔對(duì)準(zhǔn)，穿上法蘭螺栓；進(jìn)一步下放鉆臺(tái)，使井口連接短節(jié)法蘭與井口法蘭接觸，再固定法蘭螺栓。

3） 6個(gè)支撐油缸采用同步控制回路和穩(wěn)壓控制回路：同步回路確保工作臺(tái)起落時(shí)6個(gè)支撐油缸伸縮同步平穩(wěn)；穩(wěn)壓控制回路則用于分配載荷，即支撐油缸以承擔(dān)修井機(jī)自重力為主，起升過程的其余重力由井口參與負(fù)擔(dān)。具體原理是：隨著鉤載的上升，支撐油缸內(nèi)的油壓隨之上升，達(dá)到設(shè)定數(shù)值后，穩(wěn)壓回路起作用，排出少量油液從而維持缸內(nèi)油壓不變（即承載力不再增加）。通過與工作臺(tái)固連的重力傳遞短節(jié)必然將多出的載荷轉(zhuǎn)移到井口上，這樣做的目的在于控制采油平臺(tái)自身承受的載荷，不至于過載。

4） 移動(dòng)工作臺(tái)采用單元構(gòu)件設(shè)計(jì)，每個(gè)單元構(gòu)件質(zhì)量不超過5t，以利于在采油平臺(tái)上安裝。轉(zhuǎn)盤及重力傳替短節(jié)安裝于橫向工作臺(tái)上。

3.1.2 主要技術(shù)參數(shù)

油缸支撐力根據(jù)作業(yè)平臺(tái)的允許承受載荷設(shè)定

縱向工作臺(tái)長寬尺寸 9 600mm×8 980mm

橫向工作臺(tái)長寬尺寸 9 600mm×6 000mm

工作臺(tái)平均移動(dòng)速度 0.3m／min

驅(qū)動(dòng)液缸最大理論推力 800（200×4）kN

3.2 自升式井架

自升式井架由天車臺(tái)、頂部井架單元、中間井架單元、提升基礎(chǔ)架、二層臺(tái)組成，結(jié)構(gòu)方案如圖4。

3.2.1 技術(shù)特點(diǎn)

井架整體為龍門架結(jié)構(gòu)，各井架單元為矩形桁架結(jié)構(gòu)，提升基礎(chǔ)架為梯形結(jié)構(gòu)，提升基礎(chǔ)架與縱向工作臺(tái)通過銷軸連接。用吊車依次將各井架單元送入提升基礎(chǔ)架內(nèi)，進(jìn)行自提升安裝。底部井架單元固定在提升基礎(chǔ)架內(nèi)與縱向工作臺(tái)通過銷軸連接。各井架單元之間通過銷軸連接，根據(jù)自升式井架高度需要，中間井架單元可以為一組或多組。天車通過螺栓或銷軸與頂部井架單元上端連接，二層臺(tái)根據(jù)安裝高度的需要通過螺栓或銷軸與中間井架單元連接。

圖4 自升式井架結(jié)構(gòu)方案

3.2.2 主要技術(shù)參數(shù)

大鉤最大載荷（3×4輪系、無風(fēng)載、無立根）900kN

井架工作高度（由鉆臺(tái)面至天車梁下面）30m

頂部開襠（正面）2.0m

底部開襠（正面）3.0m

二層臺(tái)安裝高度單根（雙根 ）8.5m（16.5m）

立根容量（3.5in鉆桿10m單根／20m雙根）1 200m／2 400m

井架允許風(fēng)力

①保全設(shè)備（鉤載為零 二層臺(tái)無立根）47.8m／s

②等候天氣（鉤載為零 二層臺(tái)站滿立根）36m／s

③起放井架 8.3m／s

配套天車型號(hào) TC－90

井架起升液壓油缸額定載荷 240kN

井架各單元尺寸與質(zhì)量

首節(jié)井架尺寸1 500mm×1 000mm×6 000mm，質(zhì)量1 890kg

中間井架尺寸1 500mm×1 000mm×4 000mm，質(zhì)量1 450kg

提升基礎(chǔ)架尺寸6 500mm×2 020mm×5 900mm，質(zhì)量2 500kg

3.3 絞車

絞車采用交流變頻電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，依據(jù)SY／T5532—2010《石油鉆機(jī)絞車》技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)。JC18／P型絞車由1臺(tái)交流變頻電機(jī)、單邊液壓盤式剎車裝置、絞車滾筒、集成式自動(dòng)送鉆與應(yīng)急裝置、底座等部件組成，如圖5。

圖5 電機(jī)直驅(qū)單軸絞車結(jié)構(gòu)

3.4 轉(zhuǎn)盤

依據(jù)SY5080—2004，《石油鉆機(jī)和修井機(jī)用轉(zhuǎn)盤》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)ZP100型轉(zhuǎn)盤。采用交流變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 ZP100型交流驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)

4 井架強(qiáng)度校核

4.1 載荷工況

根據(jù)API Spec 4F標(biāo)準(zhǔn)，修井機(jī)井架設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)遵循以下工況。

1） 有繃?yán)K、前面來風(fēng)（風(fēng)速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

2） 有繃?yán)K、前面來風(fēng)（風(fēng)速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

3） 有繃?yán)K、側(cè)面來風(fēng)（風(fēng)速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

4） 有繃?yán)K、側(cè)面來風(fēng)（風(fēng)速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

5） 無繃?yán)K、前面來風(fēng)（風(fēng)速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

6） 無繃?yán)K、前面來風(fēng)（風(fēng)速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

7） 無繃?yán)K、側(cè)面來風(fēng)（風(fēng)速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

8） 無繃?yán)K、側(cè)面來風(fēng)（風(fēng)速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

4.2 計(jì)算結(jié)果

采用ANSYS有限元分析軟件建立井架模型，施加載荷并計(jì)算［8］，結(jié)果如表1～2。該井架滿足API規(guī)定的安全系數(shù)要求。

表1 有繃?yán)K時(shí)井架的計(jì)算結(jié)果

表2 無繃?yán)K時(shí)井架的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1） 海上組裝式修井裝置設(shè)計(jì)有橫縱向移動(dòng)式工作臺(tái)，滿足叢式井組的作業(yè)需要。自升式井架為龍門架結(jié)構(gòu)，各井架單元采用矩形桁架結(jié)構(gòu)，用吊車依次將每個(gè)井架單元送入安裝在底座上的提升基礎(chǔ)架內(nèi)，進(jìn)行自提升安裝，占用平臺(tái)面積小，適應(yīng)天氣能力強(qiáng)。各部分均采用模塊化設(shè)計(jì)，最大模塊質(zhì)量5t，運(yùn)輸、吊裝方便，滿足采油平臺(tái)小型吊裝的要求。可根據(jù)采油平臺(tái)的承載能力設(shè)定修井裝置作用在采油平臺(tái)的最大載荷。

2） 有限元計(jì)算分析表明該修井裝置滿足API規(guī)定的安全系數(shù)要求。

3） 本文的研究成果為下一步研制海上組裝式修井裝置奠定了基礎(chǔ)。

［1］符 翔，李玉光.海上油田修井設(shè)施方案選擇［J］.石油機(jī)械，2007 ，35（2）：61－63.

［2］徐田甜，張美榮.我國海洋鉆修井機(jī)的應(yīng)用［J］.船舶工程，2008 ，30（4）：6－10.

［3］魯 獻(xiàn).對(duì)國產(chǎn)在役海洋修井機(jī)存在問題的探討［J］.長江大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，5（3）：56－58.

［4］李士斌，王傳平.海洋小平臺(tái)修井機(jī)井架設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（12）：80－82.

［5］劉春生.關(guān)于石油鉆井作業(yè)中鉆修井機(jī)械設(shè)備發(fā)展問題的探究［J］.裝備制造技術(shù)，2011（11）：95－96.

［6］GB／T 23505—2009，石油鉆機(jī)和修井機(jī)［S］.

［7］GB／T 25428—2010，鉆井和采油設(shè)備 鉆井和修井井架、底座［S］.

［8］何 下，劉清友.基于Pro／E的海洋修井機(jī)井架靜態(tài)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2003，32（6）：34－36.