海洋鉆井平臺塔型井架安裝方式探討

劉新寶

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452)

0 引 言

鉆井井架是鉆機(jī)提升設(shè)備的重要組成部分之一，要承受各個(gè)方向的載荷。因此鉆井井架必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性。根據(jù)海洋鉆井平臺井架的整體結(jié)構(gòu)，可以分為塔型井架和自升式井架。

塔型井架(Derrick)是橫截面為正方形或矩形的四棱截錐形空間桁架結(jié)構(gòu)的塔型井架，是通常由許多單個(gè)構(gòu)件用螺栓連接組成的可拆結(jié)構(gòu)，并在井場組裝或拆散運(yùn)輸。井架本體是封閉整體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，承載能力大，其尺寸不受運(yùn)輸條件限制，內(nèi)部空間大，起下鉆操作方便、安全。但單件拆裝工作量大，高空作業(yè)不安全。

自升式井架(Boot Strap Mast)在井場整體或分段水平組裝，利用自身配備的動(dòng)力整體或分段起升安裝，分段或整體運(yùn)輸。包括前開口井架、A形井架、桅形井架等。井架本體截面尺寸比塔型井架小，整體質(zhì)量輕，便于安裝。但相對于塔式整體結(jié)構(gòu)井架，自升式井架的整體剛度和穩(wěn)定性差，并且自升式井架的立根盒位于井架空間的外側(cè)，影響司鉆觀察坡道上的作業(yè)。

由于海洋環(huán)境的特殊性和海洋鉆井工藝的復(fù)雜性，要求井架強(qiáng)度高、抗風(fēng)載能力強(qiáng)、司鉆視野開闊和底部開檔寬大，因此大多采用塔型井架。但如何解決塔型井架安裝工作量大，對作業(yè)資源、工期、費(fèi)用需求大等問題成為業(yè)界關(guān)注的一項(xiàng)研究課題。

1 影響鉆井平臺塔型井架安裝的因素

塔型井架作為海洋平臺的重要設(shè)備，能否按時(shí)安裝就位，對整體施工進(jìn)度影響較大。

對于陸地鉆井場，井架供貨商通常將出廠前驗(yàn)收合格的井架拆卸后，按照工藝要求進(jìn)行構(gòu)件編號并裝箱運(yùn)輸至井場進(jìn)行散件組裝。但對于海洋鉆井平臺，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性以及海洋鉆井平臺結(jié)構(gòu)空間的局限性，對塔型井架的安裝有許多要求和限制。因此，需要考慮影響海洋鉆井平臺塔型井架的安裝因素，并進(jìn)行綜合分析，以確定合適的安裝方式。

影響因素主要為：人員及設(shè)施的作業(yè)安全性；允許作業(yè)的環(huán)境與總體施工計(jì)劃的吻合性；施工資源是否滿足作業(yè)要求，包括吊車、碼頭等；施工方案(包括風(fēng)險(xiǎn)分析等)的可行性；總體施工計(jì)劃要求；安裝施工作業(yè)的成本等。

對于海洋鉆井平臺井架安裝施工作業(yè)，施工資源、周期、投入人力是影響施工成本的關(guān)鍵因素，需綜合考慮上述因素，確定安全、可操作性強(qiáng)和整體經(jīng)濟(jì)性高的井架安裝方式。

2 海洋鉆井平臺塔型井架安裝方式

2.1 平臺上散件組裝

與陸地井場對塔型井架的安裝方式類似，在陸地進(jìn)行預(yù)裝后，再將各螺栓連接的構(gòu)件拆開，按照復(fù)原安裝工藝要求，對所有構(gòu)件進(jìn)行編號并裝箱。安裝井架時(shí)，可通過平臺吊機(jī)將井架構(gòu)件吊至鉆臺面進(jìn)行組裝。在組裝過程中，根據(jù)現(xiàn)場施工條件和機(jī)具先組裝成片，然后通過鉆臺上的氣動(dòng)絞車配合特制的撐桿進(jìn)行分片安裝。

此種安裝方式不需要?jiǎng)佑煤Ｉ洗笮偷跹b船舶等資源，但是需要投入較多的施工及配合人員，安裝周期長，且需要鉆井平臺在井架組裝初期即回碼頭進(jìn)行配合作業(yè)，同時(shí)需要平臺吊機(jī)連續(xù)配合作業(yè)。

該安裝方式屬于海上高危作業(yè)，存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 整體吊裝

在陸地進(jìn)行井架結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備(燈具、天車系統(tǒng))的組裝，并設(shè)置吊點(diǎn)，利用具備吊裝能力的吊裝資源進(jìn)行井架的整體吊裝。

此種安裝方式可提前在陸地將井架組裝完成，不占用鉆井平臺回碼頭等候時(shí)間，可縮短鉆井平臺的施工時(shí)間。整體吊裝方式需要對井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝強(qiáng)度計(jì)算分析、專用吊點(diǎn)設(shè)計(jì)、吊裝輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井架吊裝過程的防碰設(shè)計(jì)和鉆臺面設(shè)施的防碰設(shè)計(jì)。同時(shí)由于井架與底座之間為螺栓連接，需要設(shè)計(jì)井架吊裝過程的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

此安裝方式對吊裝資源的能力要求比較高，既要滿足吊裝噸位的要求，又要滿足有效高度及覆蓋范圍的要求。

2.3 分段吊裝

為了減少和降低海上環(huán)境條件造成船舶待機(jī)的時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)，考慮吊裝船舶資源的限制，應(yīng)根據(jù)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分段。一般分為兩段，在二層臺上方的位置進(jìn)行分段，每段均需設(shè)置吊裝吊點(diǎn)，利用具備吊裝能力的資源進(jìn)行井架的分段吊裝。

此種安裝方式可提前在陸地場地將井架組裝完成，不占用鉆井平臺回碼頭等候時(shí)間，可縮短鉆井平臺的施工時(shí)間。此方式需要對井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝強(qiáng)度計(jì)算分析、專用吊點(diǎn)設(shè)計(jì)(較整體吊裝對吊點(diǎn)的強(qiáng)度要求低)、吊裝輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井架吊裝過程的防碰設(shè)計(jì)和鉆臺面設(shè)施的防碰設(shè)計(jì)。同時(shí)由于井架與底座之間、井架上下段直接為螺栓連接，需要設(shè)計(jì)井架吊裝過程的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

該安裝方式對吊裝資源的能力要求比較高(兩次吊裝的資源能力可不同)，既要滿足吊裝噸位的要求，又要滿足有效高度及覆蓋范圍的要求。

3 海洋鉆井平臺塔型井架安裝實(shí)例

以海洋石油281平臺塔型井架(見圖1)的安裝為例，進(jìn)行鉆井平臺塔型井架的選擇與設(shè)計(jì)。

圖1 海洋石油281平臺塔型井架Fig.1 Tower type derrick of the HYSY281 platform

圖2 海洋石油281平臺碼頭?？糠桨窮ig.2 Berthing scheme for the HYSY281 platform

3.1 安裝方式選擇依據(jù)

海洋石油 281的塔型井架，底部開檔尺寸 9.144,m×9.144,m，總高度46.6,m，總質(zhì)量84,t。根據(jù)井架結(jié)構(gòu)，可將井架分為5段，自下而上分為下段、中下段、中段、中上段、上段。

由于海洋石油 281平臺為可移動(dòng)自升式海洋鉆井平臺，選擇將其拖至合適碼頭靠岸，再為其安裝井架，從而可避免將井架結(jié)構(gòu)、施工機(jī)具、人員等移至海上的工作，同時(shí)可大大降低作業(yè)費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)文中對塔型井架安裝方式分析，由于海洋石油 281平臺場地有限，同時(shí)考慮安裝期間的氣候狀況，且為了避免人員高空作業(yè)帶來的高風(fēng)險(xiǎn)，不建議采用在平臺上組裝散件的方式。為此選擇將海洋石油281平臺停靠至碼頭，同時(shí)在碼頭進(jìn)行井架的組裝，利用浮吊吊裝組裝好的井架至海洋石油 281平臺進(jìn)行安裝。

海洋石油281?？看a頭方案如圖2所示。

由于海洋石油 281平臺所?？看a頭的承載能力有限，若采用將井架整體吊裝進(jìn)行安裝的方式，則需將重達(dá)約 84,t的井架載荷全部通過井架大腿支點(diǎn)加載在碼頭上，經(jīng)過計(jì)算超過了碼頭所允許加載的最大載荷。同時(shí)，若采用整體吊裝，對浮吊的吊裝能力要求較高，必須選取更高等級的浮吊，大大增加了成本。故不建議采用整體吊裝的方式。

經(jīng)過對浮吊能力、碼頭能力、施工風(fēng)險(xiǎn)、施工難易程度、井架結(jié)構(gòu)特性等綜合考慮，采用分段吊裝的安裝方式，以二層臺為臨界，即下段、中下段、中段為一吊，結(jié)構(gòu)高度 28.5,m，重約52,t；中上段、上段為一吊，結(jié)構(gòu)高度 22.5,m(含天車吊裝架)，重約 32,t。

組裝后的井架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 井架二層臺以下及以上部分結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structures both above and below the racking platform

根據(jù)海洋石油 281的?？糠桨敢约按a頭允許的組裝場地情況，需要浮吊具備如下條件：吊機(jī)起吊高度不小于 76.2,m，井架凈高51,m；井架底部距離主甲板高度10.2,m；主甲板距離水面高度按照 5,m計(jì)算；吊索具長度按照 10,m計(jì)算。二層臺以下部分中心距前方碼頭邊 44.2,m，最大起升重量為 52,t，二層臺以上部分中心距前方碼頭邊 57.2,m，最大起升重量為32,t，據(jù)此確定浮吊的技術(shù)要求(包括拔桿高度、跨度、載重要求等)。

3.2 施工過程

3.2.1 井架小組裝

根據(jù)圖1的井架分段，分5段進(jìn)行分別組裝，組裝過程先平面分片組裝，之后通過吊車配合進(jìn)行“翻身”立體組裝。

3.2.2 井架大組裝

根據(jù)圖3井架結(jié)構(gòu)，自下而上進(jìn)行小組后的分段對接?？罩袑硬捎玫趸\作業(yè)或采用高空作業(yè)車輔助進(jìn)行。各段阻流放空管線、管線槽、燈具等井架附件隨各節(jié)井架段安裝以避免出現(xiàn)井架在平臺上安裝之后再出現(xiàn)高空安裝的高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)。

在井架大組過程中，根據(jù)井架出廠前測量的井架各段立柱間的距離以及對角線距離，在組裝后保證此距離不變的前提下，將井架各螺栓按照設(shè)計(jì)扭矩打緊，避免井架在平臺上安裝后再進(jìn)行高空作業(yè)，同時(shí)可避免產(chǎn)生過多的井架應(yīng)力。

3.2.3 井架安裝

按井架大組裝方案，首先把組裝好的井架二層臺以下部分(約52,t)整體吊裝到鉆臺井架支座上，與井架支座用螺栓連接并緊固。預(yù)先在鉆臺底座的4個(gè)井架連接支座上各點(diǎn)焊2塊導(dǎo)向板，導(dǎo)向板成90 °布置，均向外彎15 °，如圖4所示。

圖4 鉆臺底座處井架安裝導(dǎo)向板Fig.4 Derrick installation guide plate at the drilling floor foundation

圖5 二層臺處井架連接導(dǎo)向板Fig.5 Derrick connection guiding plate at the racking platform

在二層臺以下部分固定完好后，把二層臺以上部分(約32,t)整體吊裝，與二層臺以下部分對接。對接部位在二層臺附近，通過二層臺走道，把內(nèi)外連接板與井架本體，用高強(qiáng)度連接螺栓連接并緊固。

由于井架均采用螺栓連接，且為框架結(jié)構(gòu)，故二層臺上下兩部分對接過程精度要求非常高，為了保證二層臺以上部分能夠順利與二層臺以下部分對接，二層臺以上部分起吊前，需在四角栓足夠長的牽引繩，輔助二層臺以上部分與二層臺以下部分定位，并先在中段各個(gè)立柱頂部安裝井架內(nèi)聯(lián)接板，作為臨時(shí)導(dǎo)向板，如圖5所示。

井架導(dǎo)向穩(wěn)定好以后，先松開其中一處內(nèi)聯(lián)接板，緊接著與外聯(lián)接板連接，然后松開另一處內(nèi)聯(lián)接板，緊接著與外聯(lián)接板連接，依次完成所有連接。

3 結(jié) 語

結(jié)合塔型井架在鉆井平臺上安裝的影響因素，分析了塔型井架的安裝方式，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了塔型井架安裝方式的選擇。塔型井架分段吊裝、安裝的方式為業(yè)界提供了借鑒，具有很好的工程參考價(jià)值。■

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