深水鉆井井架選型與設(shè)計(jì)計(jì)算概述

彭紹源++李任戈++胡哲++熊偉

摘 要：本文為推進(jìn)深水鉆井裝備研發(fā)與技術(shù)進(jìn)步，分析了現(xiàn)有深水鉆井井架應(yīng)用環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式及各自特點(diǎn)，提出了深水鉆井井架選型原則以及設(shè)計(jì)計(jì)算的注意事項(xiàng)，對(duì)深水鉆井井架的方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：深水鉆井平臺(tái) 一個(gè)半井架 雙井架 選型 計(jì)算

中圖分類號(hào)：TE923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（b）-0067-02

海洋蘊(yùn)藏了豐富的油氣資源，海上油氣開(kāi)發(fā)，尤其是深水油氣開(kāi)發(fā)受到各海洋大國(guó)的重視。目前，中國(guó)對(duì)國(guó)外能源的依存度已超過(guò)60%，油氣開(kāi)發(fā)從內(nèi)陸走向深水成為必然。海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)是當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006—2020年）把大型海洋工程技術(shù)與裝備列入制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域和優(yōu)先主題之一。

雖然，目前由于受到全球經(jīng)濟(jì)低迷等多種因素影響，油氣價(jià)格相對(duì)10年前大幅降低，整個(gè)油氣勘探、開(kāi)發(fā)及裝備制造行業(yè)均受到嚴(yán)重影響，投資與生產(chǎn)均處于歷史低位，但是對(duì)于深水勘探和開(kāi)發(fā)新技術(shù)，及其裝備制造新技術(shù)的研發(fā)從未停止。相反，深水裝備技術(shù)研發(fā)更加貼近工程實(shí)踐，或者更加可靠、智能，或者更加實(shí)用、經(jīng)濟(jì)。

在深水裝備領(lǐng)域，在“十三五”期間，既有“十二五”項(xiàng)目的延續(xù)，也有許多新的立項(xiàng)。井架作為深水鉆井裝備的重要部件，持續(xù)受到各生產(chǎn)廠商和科研院所的關(guān)注。

1 深水鉆井井架分類及選型

深水鉆井平臺(tái)目前主要形式有半潛式平臺(tái)和鉆井船。配套的井架按結(jié)構(gòu)形式，主要有塔形井架、液壓缸鉆機(jī)A形井 架等結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1～圖4。按功能分類，又分為單井架、雙井架和一個(gè)半井架。

雙井架適合于單/雙井口作業(yè)，采用雙鉆井系統(tǒng)[1-2]，一套系統(tǒng)用于正常鉆井，另一套系統(tǒng)用于隔水管及水下防噴器作業(yè)，兩套系統(tǒng)交替使用，具有協(xié)同和并行作業(yè)的特點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化鉆井路線，提高鉆井效率。雙井架最早由Transocean公司申請(qǐng)了專利（專利號(hào)：US6068069），其專利有效地區(qū)包括美國(guó)、澳大利亞、新西蘭、日本、韓國(guó)、新加坡和挪威[1]，國(guó)外雙絞車、雙井架系統(tǒng)專利還包括US6217258B1等。國(guó)內(nèi)廠家在雙井架研究方面做了一些有益的探索[3-4]，例如：寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司申報(bào)了一種雙作業(yè)塔形井架實(shí)用新型專利（專利號(hào)：CN200820029813.3），中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司等申報(bào)了一種陸地雙聯(lián)鉆機(jī)井架（專利號(hào)：CN201120120060.9）。

一個(gè)半井架與常規(guī)單井架相似，只有一套鉆井系統(tǒng)、一個(gè)作業(yè)井口，通常配備有隔水管移運(yùn)機(jī)、防噴器移運(yùn)及吊裝機(jī)（在月池，可利用此設(shè)備離線下放套管作業(yè)），井架內(nèi)部配備兩套或兩套以上管柱處理系統(tǒng)，其中一套管柱處理系統(tǒng)用于離線作業(yè)（例如井架內(nèi)部配置一套單根提升機(jī)、二層臺(tái)及井口機(jī)械手，配合井場(chǎng)折臂機(jī)、貓道輸送機(jī)等，在正常鉆進(jìn)時(shí)，在鉆臺(tái)進(jìn)行另一單根準(zhǔn)備工作），降低鉆井過(guò)程中對(duì)接或拆卸管柱用輔助時(shí)間，其鉆井效率低于雙井架，但高于單井架。與雙井架相比，一個(gè)半井架配置相對(duì)較少，重量較輕，運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本也相對(duì)較低。一個(gè)半井架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5[5]。

雙井架和一個(gè)半井架都成為深水浮式鉆井平臺(tái)的主流配置。塔形雙井架由于其寬闊的井口空間、較強(qiáng)的整體穩(wěn)定性，在深水鉆井平臺(tái)上配置相對(duì)較多。

當(dāng)深水鉆井平臺(tái)日租費(fèi)用相對(duì)較低時(shí)，或者深水鉆井平臺(tái)有效工作時(shí)間相對(duì)較少，采用一個(gè)半井架或一個(gè)半井架的改進(jìn)型，成本與收益會(huì)更合理，更加具有競(jìng)爭(zhēng)性。

2 深水鉆井井架設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 深水鉆井井架特點(diǎn)

（1）除了具備常規(guī)井架安放天車、安裝高壓泥漿管匯、懸掛游動(dòng)系統(tǒng)、提升鉆柱等功能外，還需要充分考慮隔水管提升和下放作業(yè)、防噴器作業(yè)等。

（2）由于鉆井井架處在深水作業(yè)環(huán)境，通常作業(yè)水深400～3000m，需要承受颶風(fēng)的直接作用，以及颶風(fēng)、巨浪、海流引起平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)的動(dòng)態(tài)載荷。

（3）由于新型深水鉆井井架通常采用四立根作業(yè)，配套升沉補(bǔ)償裝置、較多的自動(dòng)化作業(yè)工具，因而井架高度高、橫截面尺寸大，以海洋石油981為例，橫截面尺寸約15.85m×14 m，高約64m，總重量約980t。

（4）深水鉆井井架遠(yuǎn)離海岸，在維護(hù)保養(yǎng)方面，需具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力或較大的冗余。

2.2 深水鉆井井架設(shè)計(jì)計(jì)算注意事項(xiàng)

深水鉆井井架的設(shè)計(jì)計(jì)算與陸上或淺海鉆井井架不同，需要充分考慮隔水管和水下防噴器的下放與回收，考慮復(fù)雜和惡劣的海上作業(yè)工況。由于深水作業(yè)設(shè)備失效帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)更大，因而在井架設(shè)計(jì)與計(jì)算時(shí)，需要充分考慮以下因素[6-10]。

（1）在方案設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮作業(yè)的海況和作業(yè)的鉆井深度，綜合分析其可能遭遇的種種靜載荷、剎車載荷，以及鉆井平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)所引起的動(dòng)態(tài)載荷來(lái)確定井架最大鉤載。

（2）根據(jù)井架配套的平臺(tái)或鉆井船型、預(yù)期的作業(yè)海域、鉆井工作量，以及設(shè)備投資收益分析，確定井架的主要結(jié)構(gòu)形式。并且，井架結(jié)構(gòu)形狀的選擇及桿件布置要有利于減小風(fēng)阻，有利于主載荷路徑上力的傳遞。

（3）在設(shè)計(jì)井架主體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，充分考慮井架各種附屬設(shè)備及鉆臺(tái)設(shè)備與工具的布置，預(yù)留安裝位置及支承結(jié)構(gòu)，最大限度提高井架及井口作業(yè)效率。

（4）在井架方案確定之后，基本設(shè)計(jì)階段按照規(guī)范的要求及使用要求進(jìn)行全工況計(jì)算。

（5）井架詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)關(guān)鍵連接、重要焊縫等細(xì)節(jié)部位均進(jìn)行校核計(jì)算。

（6）根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行安全性評(píng)估。

（7）必要時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)深水鉆井裝備的研制目前還處于起步階段，大型深水鉆井井架的完全自主研制與應(yīng)用仍是空白。在進(jìn)行深水鉆井井架的自主開(kāi)發(fā)時(shí)，需進(jìn)行仔細(xì)論證，敢于創(chuàng)新、敢于實(shí)踐。設(shè)計(jì)階段應(yīng)打破先設(shè)計(jì)、后校核的傳統(tǒng)習(xí)慣，應(yīng)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證手段，確保深水鉆井井架安全可靠、適用科學(xué)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深水鉆井井架的國(guó)產(chǎn)化。

參考文獻(xiàn)

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