某海洋修井機(jī)底座翹起原因分析及解決方案

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(1.中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司，廣東省 湛江市 524057； 2.中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司 湛江分公司， 廣東省 湛江市 524057)

某海洋修井機(jī)底座翹起原因分析及解決方案

昝智海1，青兆熹2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東省湛江市524057； 2.中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司湛江分公司，廣東省湛江市524057)

南海西部某海洋修井機(jī)在移動(dòng)至新增2×5外掛井槽的最外側(cè)井槽時(shí)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌中間及端部有翹起現(xiàn)象。為了確定是否能夠在外側(cè)井槽進(jìn)行修井作業(yè)，對(duì)修井機(jī)整體和底座支反力進(jìn)行有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：修井機(jī)底座翹起的原因是整體結(jié)構(gòu)重心偏出導(dǎo)軌外，但上移動(dòng)導(dǎo)軌與固定導(dǎo)軌之間的鎖緊塊所提供的抗傾覆力能夠滿足要求，使修井機(jī)無(wú)傾覆危險(xiǎn)，可進(jìn)行修井作業(yè)。為確保修井機(jī)的安全，提出加強(qiáng)方案，取得了良好的效果。

海洋修井機(jī)；外掛井槽；翹起；穩(wěn)性；抗傾覆能力

0 引 言

海上平臺(tái)修井機(jī)是油田作業(yè)中起下油管和更換井下工具的必須裝備。修井機(jī)及底座在長(zhǎng)期使用過(guò)程中由于疲勞、腐蝕、拆裝和改造等各種因素的影響，會(huì)產(chǎn)生不同程度的缺陷。如果發(fā)現(xiàn)影響修井作業(yè)的缺陷而無(wú)法及時(shí)處理，會(huì)影響其修井作業(yè)，只能依靠鉆井船來(lái)完成，從而造成修井成本增加，嚴(yán)重影響平臺(tái)的修井時(shí)效。

南海西部某平臺(tái)的HXJ 90海洋修井機(jī)是江漢第四石油機(jī)械廠設(shè)計(jì)的海上平臺(tái)修井機(jī)，主要由井架、上移動(dòng)座和上移動(dòng)導(dǎo)軌組成。HXJ 90海洋修井機(jī)為平行布置，上移動(dòng)座主梁寬度為4 m,甲板導(dǎo)軌跨距為9 m ，井位為3×4和3×5排列。修井作業(yè)時(shí)，上移動(dòng)導(dǎo)軌可在甲板導(dǎo)軌上縱向滑動(dòng)，上移動(dòng)座可在上移動(dòng)導(dǎo)軌上東西平行橫向移動(dòng)，使修井機(jī)到達(dá)所需井位。因作業(yè)需要，2011年在原有井口基礎(chǔ)上增加了2×5的外掛井槽。新增外掛井槽工程將平臺(tái)加寬，并增加1條甲板導(dǎo)軌，新增導(dǎo)軌距原外側(cè)導(dǎo)軌8 m。

在修井機(jī)移位至外掛井槽準(zhǔn)備進(jìn)行修井作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)2個(gè)問(wèn)題：(1) 修井機(jī)移至最外側(cè)井槽(極限井位)時(shí)，修井機(jī)部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)在舷外，A字梁(圖1)中的斜支撐腿已經(jīng)在舷外。移動(dòng)式修井機(jī)移到外掛井槽最外一排極限井位上，其中修井機(jī)整體約2/3在舷外，如圖1所示。(2) 非極限井位修井機(jī)底座前后舷均有一定的翹起，如圖2所示。

圖1 最外一排極限井位示意圖 圖2 極限井位時(shí)中間導(dǎo)軌翹起示意圖

根據(jù)安全作業(yè)的要求，對(duì)修井機(jī)在新增井槽外側(cè)井位作業(yè)時(shí)修井機(jī)井架的安全性進(jìn)行分析，包括：修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)在極限井位時(shí)的抗傾覆能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并根據(jù)分析結(jié)果提出修井機(jī)的加強(qiáng)方案。

1 問(wèn)題分析

1.1有限元分析

根據(jù)修井機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和設(shè)備的分布情況，采用ANSYS對(duì)修井機(jī)底座的支反力進(jìn)行有限元分析，得到修井機(jī)實(shí)際重量重心的位置。

海洋平臺(tái)修井機(jī)井架是三維桿件結(jié)構(gòu)，井架各桿件不僅承受軸向力，也承受附加的彎矩作用。分析時(shí)，選三維梁?jiǎn)卧鶕?jù)分析軟件的單元特點(diǎn)，選用Beam 188單元模擬井架的實(shí)際受力情況。Beam 188單元是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。該單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6個(gè)自由度：x，y，z3個(gè)方向的線位移和繞x，y，z3個(gè)軸的角位移。

根據(jù)本修井機(jī)的實(shí)際情況，桿件截面主要有方鋼、工字形和圓鋼等類型，修井機(jī)模型定義的截面類型共28種，材料為Q345鋼，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.27，密度為7.85×103kg/m3。修井機(jī)有限元模型共6 690個(gè)節(jié)點(diǎn)和4 749個(gè)單元，如圖3所示。根據(jù)修井機(jī)的實(shí)際工作情況，有限元分析時(shí)施加的邊界條件如圖4所示。

圖3 修井機(jī)整體網(wǎng)格示意圖 圖4 修井機(jī)邊界條件施加示意圖

根據(jù)API Spec 4F《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》[1]和中國(guó)海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海上石油平臺(tái)修井機(jī)技術(shù)要求》[2]對(duì)修井機(jī)及底座進(jìn)行加載。

根據(jù)修井機(jī)極限井位情況可知，修井機(jī)主要包括以下幾種工況：(1)作業(yè)工況。此時(shí)載荷組合為最大鉤載90 t+鉆修機(jī)結(jié)構(gòu)及附件重量+8級(jí)地震慣性力+最大作業(yè)狀況風(fēng)速25.2 m/s(49 kn)。(2)維持工況。最大轉(zhuǎn)盤載荷45 t+鉆修機(jī)結(jié)構(gòu)及附件重量+最大生存風(fēng)速47.8 m/s(93 kn)。(3)修整工況。此時(shí)載荷組合為鉆修機(jī)結(jié)構(gòu)及附件重量+最大修整狀況風(fēng)速55 m/s(107 kn)。

修井機(jī)的主要載荷包含恒載、工作載荷及風(fēng)載荷等，其中風(fēng)載荷分0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°等8種情況，工作載荷為

P繩

式中：Z為有效繩數(shù)，取6；P繩為工作繩載荷；Q鉤為最大鉤載，取900 kN；Q游為游車載荷，取15.74 kN。

根據(jù)式(1)可得P繩=305 248 kN

風(fēng)載荷為

式中：F為作用在井架上的風(fēng)載；A為承風(fēng)面面積,是指所有外露表面在垂直風(fēng)向投影面上的面積和；P為風(fēng)壓，計(jì)算公式為

式中：Vk為風(fēng)速，對(duì)于最大風(fēng)速的颶風(fēng)情況，為了使設(shè)計(jì)計(jì)算更安全可靠，計(jì)算風(fēng)壓時(shí)乘以風(fēng)壓調(diào)節(jié)系數(shù)1.15；Ch為高度系數(shù)[6]；Cs為形狀系數(shù)，對(duì)于本修井機(jī)井架，Cs取1.25。

圖5 模型中的支反力點(diǎn)

1.2支反力分析

在修井機(jī)的有限元模型中，只建立主要的結(jié)構(gòu)，其他附屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備都以恒載荷的方式加載在模型中。首先通過(guò)計(jì)算模型的支反力值，確定模型中的結(jié)構(gòu)和所加的其他恒載荷是否正確，并調(diào)整模型所加載荷直至與實(shí)際情況相符[3-4]。

考慮計(jì)算修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)的重心位置，只加載重力、附屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備載荷，不加載工作載荷和風(fēng)載荷。模型取6個(gè)支反力節(jié)點(diǎn)如圖5所示，各支反力及反扭矩值見(jiàn)表1。

表1 各支點(diǎn)反力及反扭矩表

由6個(gè)支反力點(diǎn)的值計(jì)算出修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)(含上移動(dòng)導(dǎo)軌)的重心位置在距外導(dǎo)軌中心線(舷外)268 mm處，如圖6所示。

圖6 修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)(含上移動(dòng)導(dǎo)軌)重心位置

由修井機(jī)整體(含上移動(dòng)導(dǎo)軌)重心位置可知：修井機(jī)整體重心已經(jīng)處于舷外，有向舷外傾覆的趨勢(shì)。修井機(jī)因?yàn)橛墟i緊件提供的系固力作為抗傾覆力才沒(méi)有傾覆，但因?qū)к壍膹椥孕巫兌幸欢ǖ穆N起。為分析縮緊件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以驗(yàn)證修井機(jī)的抗傾覆能力，將上移動(dòng)導(dǎo)軌受力進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖7所示。

圖7 上移動(dòng)導(dǎo)軌受力簡(jiǎn)化圖

由圖7可以計(jì)算出鎖緊塊1或2單獨(dú)作用時(shí)，需要提供向下的力的大小。只有鎖緊塊1提供系固力時(shí)，需提供力的大小為7.33 kN;只有鎖緊塊2提供系固力時(shí)，需提供力的大小為15.58 kN。

根據(jù)修井機(jī)設(shè)計(jì)資料[5]，鎖緊塊使用的螺栓規(guī)格為M42，35號(hào)鋼，屈服強(qiáng)度為σs=315 MPa，查機(jī)械手冊(cè)可知：其許用拉伸應(yīng)力為242 MPa，許用剪切應(yīng)力為126 MPa，螺栓抗拉伸力為33.107 kN，螺栓抗拉剪力為174.477 kN。所以，1個(gè)鎖緊塊上能承受的拉伸力為33.107×4=99.32 kN>15.58 kN。

分析結(jié)果表明：修井機(jī)原設(shè)計(jì)的鎖緊塊能夠提供足夠的抗傾覆力，使修井機(jī)在最外側(cè)井槽時(shí)不發(fā)生傾覆。但是在原始設(shè)計(jì)中，鎖緊塊的主要作用為滑移扶正、防臺(tái)和防傾覆，所以不建議長(zhǎng)期使用。

1.3作業(yè)工況分析

在作業(yè)工況時(shí)，分析休整工況、維持工況和作業(yè)工況垂向合力的變化可知：隨著鉤載的不斷加大，合力的位置從舷外慢慢移動(dòng)到舷內(nèi)。因此，本文只分析在最大設(shè)計(jì)鉤載時(shí)合力的位置。

對(duì)8個(gè)風(fēng)向和最大鉤載的作業(yè)工況進(jìn)行支反力分析，得到離最外側(cè)導(dǎo)軌距離最近(偏于危險(xiǎn))的位置，在距離最外側(cè)導(dǎo)軌969 mm(舷內(nèi))處，如圖8所示。因此，在作業(yè)工況下，修井機(jī)無(wú)傾覆的危險(xiǎn)。

圖8 作業(yè)工況修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)(含上移動(dòng)導(dǎo)軌)垂向合力位置

1.4結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在修井機(jī)穩(wěn)性滿足要求后，對(duì)修井機(jī)各個(gè)休整工況和作業(yè)工況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，對(duì)各工況加載合適的恒載、鉤載和風(fēng)載，按照修井機(jī)的承載能力評(píng)定方法[6]進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明：修井機(jī)及底座結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在極限井位時(shí)，井架底座最大應(yīng)力為120.1 MPa，上移動(dòng)導(dǎo)軌的最大應(yīng)力為147.0 MPa，井架的最大應(yīng)力為175.7 MPa，修井機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

2.1增加鎖緊塊

為了增加修井機(jī)在最外側(cè)井槽就位時(shí)的抗傾覆能力，在上、下導(dǎo)軌之間增加鎖緊裝置，以提供更多的系固力，同時(shí)減少上移動(dòng)底座的翹起，維持修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)的平衡，使原有的鎖緊塊不需要提供向下的力，只需要發(fā)揮它原設(shè)計(jì)中的滑移扶正、防臺(tái)和防傾覆的功能。

根據(jù)修井機(jī)上、下導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)型式，參考原鎖緊塊對(duì)新增鎖緊塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖9所示。

圖9 鎖緊塊設(shè)計(jì)示意圖

經(jīng)計(jì)算分析，可以在2個(gè)導(dǎo)軌的中間分別新裝2個(gè)鎖緊裝置，可以提供足夠的向下的力，使修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)保持平衡，同時(shí)使原設(shè)計(jì)的鎖緊塊不受力。在上、下導(dǎo)軌之間適當(dāng)增加部分鎖緊塊，也可起到很好的防傾覆和放翹起的效果。

2.2增加延伸導(dǎo)軌

為徹底解決修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)重心在舷外的問(wèn)題，在最外側(cè)導(dǎo)軌以外1 m處，再增加1個(gè)平行的導(dǎo)軌，如圖10所示。

圖10 延伸甲板示意圖

按照本文分析支反力的方法，得到修井機(jī)整體(包含上導(dǎo)軌)重心的位置處于舷內(nèi)732 mm處，如圖11所示。原設(shè)計(jì)鎖緊塊不需要提供向下的力使修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)平衡，說(shuō)明增加延伸導(dǎo)軌提高了修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)抗傾覆能力。

圖11 重心位置示意圖

在新增1 m導(dǎo)軌后，再對(duì)修井機(jī)各個(gè)休整工況和作業(yè)工況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到修井機(jī)整體和底座應(yīng)力云圖，如圖12和圖13所示，由圖中可以看出：修井機(jī)及底座結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在極限井位時(shí)，井架底座的最大應(yīng)力為137.7 MPa，上移動(dòng)導(dǎo)軌的最大應(yīng)力為139.9 MPa，井架的最大應(yīng)力為169.4 MPa，修井機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖12 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖 圖13 底座結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

3 結(jié) 論

本文對(duì)修井機(jī)底座上導(dǎo)軌翹起的現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1) 雖然修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)重心位于舷外，但由于修井機(jī)上導(dǎo)軌與下導(dǎo)軌鎖緊件提供的系固力，修井機(jī)無(wú)傾覆危險(xiǎn)。

(2) 在作業(yè)工況時(shí)，修井機(jī)的垂向合力位于舷內(nèi)，修井機(jī)處于安全狀態(tài)。

(3) 增加專門提供系固力的鎖緊件能夠增加修井機(jī)作業(yè)的安全性。

(4) 在舷外增加長(zhǎng)度為1 m的延伸導(dǎo)軌可以使移動(dòng)到最外側(cè)井槽的修井機(jī)在休整工況時(shí)整體結(jié)構(gòu)重心位于舷內(nèi)，徹底解決修井機(jī)可能傾覆的問(wèn)題。

[1] 海上石油平臺(tái)修井機(jī)技術(shù)要求 ：Q/HS 2007.2-2002[S].中國(guó)海洋石油總公司，2002.

[2] 鉆井和修井井架、底座規(guī)范：SY/T 5025-1999[S]. 國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局, 1999.

[3] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 ：GB 50017-2003[S].中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2003.

[4] 石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油設(shè)備 鉆井和修井井架、底座：GB/T 25428-2010[S].中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局，2010.

[5] 石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測(cè)評(píng)定方法及分級(jí)規(guī)范：SY/T 6326-2012[S].國(guó)家能源局，2012.

[6] 陳宇海，吳文秀，都亞男，等. 在役海洋修井機(jī)底座承載能力評(píng)估技術(shù)研究[J].石油機(jī)械，2015，43(06):50-54.

CauseAnalysisandSolutionofBaseTiltofMarineWorkoverRig

ZAN Zhihai1， QING Zhaoxi2

(1.Zhanjiang Branch of CNOOC China Ltd., Zhanjiang 524057, Guangdong, China； 2. Zhanjiang Branch of China Classification Society Industry Corp., Zhanjiang 524005, Guangdong, China)

A tilting phenomenon is found in the middle and end of the guide rail when an offshore workover rig in the South China Sea moves to the outermost trough of the 2×5 external well slot. In order to determine whether the workover operation can be carried out in the outer well groove, finite element analysis is carried out on the overall and base counterforce of workover rig. It can be found that the reasons of the workover rig base tilt is that the overall structure has been the focus of wide track, and anti-overturning force provided by locking block between the mobile guide and the fixed guide rail can meet the requirement of the workover rig without overturning, so workover operation can be carried out. In order to eliminate the hidden trouble of the workover rig, the strengthening scheme of adding lock block and extended deck is put forward and good economic results are achieved.

workover rig； additional well slot； cock； stability； anti-overturning capacity

2016-06-25

昝智海(1978-)，男，工程師

1001-4500(2017)04-0047-07

TE922

： A