某海洋修井機(jī)鉆具對中超限值問題

魏 海，楊 光，賈東輝

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

0 引 言

隨著我國海洋油氣勘探開發(fā)力度增加，油田調(diào)整、改造、大修等作業(yè)量持續(xù)攀升。海洋修井機(jī)作為海洋平臺修井和井下作業(yè)施工的關(guān)鍵設(shè)備，在提高采油速率、采收率以及改善油井作業(yè)條件、油/水井技術(shù)狀況方面貢獻(xiàn)突出。海洋修井機(jī)具備自重大、作業(yè)效率高、適用性強(qiáng)等特點，其結(jié)構(gòu)和功能往往比陸上傳統(tǒng)修井機(jī)更復(fù)雜，現(xiàn)場日常巡檢和隱患排查工作量大，故障處理和解決也需要綜合考慮分析多方面的影響因素。

趙耕[1]提到做好修井設(shè)備的維修養(yǎng)護(hù)是石油企業(yè)工作的重點和難點，系統(tǒng)闡述設(shè)備組成和維修重要性，并對故障類別和檢修措施進(jìn)行詳細(xì)的描述。羅福慶[2]對修井作業(yè)過程中的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)措施進(jìn)行總結(jié)，旨在延長修井機(jī)的使用壽命、提高作業(yè)效率。趙暕等[3]對海洋鉆修機(jī)常見滑軌表面損傷進(jìn)行研究，提出滑移裝置優(yōu)化方案。上述對鉆修設(shè)備常規(guī)維護(hù)保養(yǎng)和修復(fù)的研究未涉及井口鉆具對中的調(diào)整和處理方案的論述，需要結(jié)合平臺組塊及修井機(jī)等的原始設(shè)計資料和現(xiàn)場實測調(diào)研數(shù)據(jù)等內(nèi)容，尋求有針對性的處理解決措施。

1 修井機(jī)模塊主要參數(shù)

某海洋石油平臺為4腿井口平臺，平臺位置水深為16.8 m，上部組塊設(shè)置上層甲板、中層甲板、下層甲板、帶纜層甲板，上層甲板布置修井機(jī)模塊和1臺起重機(jī)。修井機(jī)(見圖1)安裝在平臺上甲板南北走向與主梁焊接的滑軌上，上甲板標(biāo)高為(+)29.0 m，上甲板尺寸為35.5 m×25.0 m。修井機(jī)型號為HZJ315型，交流變頻驅(qū)動，最大鉤載為3 150 kN，有效高度為46.0 m，井架質(zhì)量為116 065 kg。

圖1 修井機(jī)總體示例

2 故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

在某次修井作業(yè)前檢查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)修井機(jī)滑移至某作業(yè)井位后，緩慢提升游車大鉤至井架二層臺，此時游車距二層臺最小距離僅33 cm，遠(yuǎn)小于規(guī)定的安全距離(95 cm)?，F(xiàn)場作業(yè)人員采取游車吊裝鉆具方式，在自然下垂?fàn)顟B(tài)下測量鉆具與轉(zhuǎn)盤中心距離偏差，測量數(shù)值為30 cm，已遠(yuǎn)超出設(shè)備制造商推薦值和標(biāo)準(zhǔn)要求的2 cm。對井架調(diào)整墊片厚度等進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)調(diào)整墊片已達(dá)最大允許調(diào)整厚度，無法通過常規(guī)的井架墊片調(diào)整方法實現(xiàn)井口鉆具對中?，F(xiàn)場初步檢查發(fā)現(xiàn)下底座滑軌存在部分變形的情況，目視檢查梁柱結(jié)構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)漆皮脫落、鼓泡、裂紋等異常情況。因鉆具偏離井口的數(shù)據(jù)已遠(yuǎn)超過限值且發(fā)現(xiàn)滑軌變形等情況，修井機(jī)已不能滿足作業(yè)的安全要求和能力。

2.2 原因分析

2.2.1 修井機(jī)不合理操

作業(yè)者對設(shè)備性能不熟悉、不良的操作習(xí)慣、井下異常作業(yè)情況等都可能造成修井機(jī)超負(fù)荷最終引起井架主體結(jié)構(gòu)輕微變形，造成鉆具與轉(zhuǎn)盤中心不對中。

2.2.2 修井機(jī)對中調(diào)整功能缺失

修井機(jī)長期處于海洋潮濕環(huán)境，并且隨著使用頻率的增加，修井機(jī)井架底座墊片可能會逐漸腐蝕或者承受井架下壓的力量導(dǎo)致?lián)p壞，從而導(dǎo)致鉆具不對中。

2.2.3 修井機(jī)滑軌及承載結(jié)構(gòu)變形

修井機(jī)上下滑軌可能存在安裝質(zhì)量問題或在初始安裝時受滑軌平直度、焊接質(zhì)量等因素影響產(chǎn)生高度差，在長期使用過程中，受長期受力不均等因素影響，偏差持續(xù)增大，導(dǎo)致滑軌產(chǎn)生變形。同時，也有可能是滑軌基座的承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化產(chǎn)生塑性變形。

2.2.4 組塊整體沉降

海上石油平臺受其基礎(chǔ)地質(zhì)條件的影響，在靜荷載和動荷載等外力作用下可能發(fā)生沉降。同時，平臺更新改造、增加結(jié)構(gòu)或更換設(shè)備會導(dǎo)致平臺質(zhì)量增加和質(zhì)量分布變化，有可能影響各樁基的下沉幅度。對平臺設(shè)計資料和歷史觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)總體偏移量較小，但仍會對修井機(jī)的對中產(chǎn)生影響。因此，不能排除組塊整體沉降的影響。

3 分析評估與治理

3.1 數(shù)據(jù)信息采集

為準(zhǔn)確分析井口鉆具對中偏差產(chǎn)生的原因，分別對修井機(jī)的安裝原始數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、滑軌和各層甲板的水平度等進(jìn)行重新梳理和檢查：(1)對以往各項油井作業(yè)項目、打井深度和工況的原始作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排查，未見超負(fù)荷使用情況，基本排除超載運(yùn)行造成井架、滑軌變形的可能性；(2)重新檢查梳理修井機(jī)建造完畢后安裝時的稱重數(shù)據(jù)，與設(shè)計結(jié)果無明顯差異；復(fù)查確認(rèn)井架E1和E3腿均存在18～20 mm的調(diào)整墊板，狀態(tài)完好，說明在出廠或者初期安裝調(diào)試井架調(diào)整對中時，鉆修機(jī)2條下滑軌存在水平高度差，調(diào)整后可滿足水平要求，也在合理的調(diào)校范圍內(nèi)。

對上部組塊、導(dǎo)軌的場地安裝檢測報告及導(dǎo)管架過渡段跨距檢測報告進(jìn)行復(fù)查，數(shù)據(jù)基本滿足要求。在對工程階段施工作業(yè)的信息收集過程中了解到平臺曾在打樁過程中受地質(zhì)影響出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象，因此不能完全排除平臺組塊安裝后受海洋基礎(chǔ)地質(zhì)條件等因素的影響，樁腿出現(xiàn)不均勻沉降從而導(dǎo)致滑軌產(chǎn)生高程差。

對修井機(jī)下滑軌和平臺整體結(jié)構(gòu)的水平度進(jìn)行測量，平臺下滑軌和各層甲板的水平度最大高差的數(shù)據(jù)趨勢基本吻合，都在B1樁腿處存在水平偏移現(xiàn)象。通過數(shù)據(jù)分析，初步判定平臺結(jié)構(gòu)存在變形現(xiàn)象，進(jìn)而影響修井機(jī)的鉆具對中。

3.1.1 修井機(jī)下底座滑軌檢測

對修井機(jī)位于不同井位的下底座軌道各檢測點進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)修井機(jī)下底座滑軌不在同一水平面上，兩側(cè)滑軌沿長度方向均向8號點方向傾斜，最大高差為28.50 mm，同時MCC側(cè)滑軌比泥漿罐側(cè)滑軌高，平行方向最大高差為15.10 mm。修井機(jī)不同井位測量點分布如圖2所示。

圖2 修井機(jī)不同井位測量點分布示例

3.1.2 平臺各層甲板水平度檢測

選取該平臺上層甲板、中層甲板、下層甲板和帶纜走道層的4個樁腿中心位置進(jìn)行相對高度的測量，每層均選取B1樁腿的位置為測量基準(zhǔn)點，如圖3所示。

圖3 平臺樁腿各層檢測點平面布置

平臺上、中、下等3層甲板均向B1樁腿甲板測點方向傾斜，平臺上層4個樁腿甲板測點之間的最大高差為36.30 mm，平臺中層4個樁腿甲板測點之間的最大高差為54.10 mm，平臺下層4 個樁腿甲板測點之間的最大高差為47.10 mm。平臺帶纜層圓柱形支撐向B2-B1樁腿方向傾斜，帶纜層4個樁腿與圓柱形支撐交接處測點之間的最大高差為129.40 mm。平臺各層甲板水平度檢測數(shù)據(jù)分別如表1～表4所示。

表1 平臺上層甲板樁腿檢測點的實測高程及高差

表2 平臺中層甲板樁腿檢測點的實測高程及高差

表3 平臺下層甲板樁腿檢測點的實測高程及高差

表4 平臺帶纜層樁腿與圓支撐交接處檢測點的實測高程及高差

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和評估

3.2.1 導(dǎo)管架承載能力分析

結(jié)合設(shè)計報告數(shù)據(jù)，樁基承載力安全因數(shù)有較大裕量，如表5所示。綜合分析認(rèn)為當(dāng)前導(dǎo)管架的水平度仍在可接受范圍內(nèi)，且樁基承載力安全因數(shù)較大，目前可不需要對導(dǎo)管架承載能力進(jìn)行評估。

表5 樁基承載力安全因數(shù)

3.2.2 水平度超標(biāo)狀態(tài)下上部組塊強(qiáng)度分析

平臺安裝剛完成時的初始測量數(shù)據(jù)缺失，無法與現(xiàn)有實測水平度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比以明確上部組塊和導(dǎo)管架水平度的變化情況。上部組塊安裝規(guī)格書對上部組塊水平度的要求為每層甲板水平面任意位置高差不能超過13.00 mm，顯然實測數(shù)據(jù)已超出安裝規(guī)格書要求。因此，需要進(jìn)行進(jìn)一步分析以評估其對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[4]。由于造成上部組塊水平度出現(xiàn)較大差異的真實原因未知，僅憑上述實測數(shù)據(jù)無法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行完備的評估，鑒于未在上部組塊觀察到結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形和屈曲失效，假設(shè)甲板水平度發(fā)生的變化不是由上部組塊主結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的，在水平度變化原因不明的情況下，采用原結(jié)構(gòu)分析計算機(jī)系統(tǒng)(Structural Analysis Computer System,SACS)計算模型，在原荷載組合基礎(chǔ)上，假設(shè)B1樁腿發(fā)生下沉，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。根據(jù)實測值，上部組塊上、中、下層甲板中最大高差發(fā)生在中層甲板，因此選取54.10 mm(表2中A2樁腿相對B1樁腿)作為沉降量進(jìn)行計算分析。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型如圖4所示。

圖4 強(qiáng)制位移加載

采用SACS Combine程序?qū)ι喜拷M塊桿件和節(jié)點進(jìn)行校核，所有結(jié)果均滿足規(guī)范要求。典型應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 ROW A高應(yīng)力桿件分布

3.3 治 理

強(qiáng)度校核評估結(jié)果顯示導(dǎo)管架的承載力以及上部組塊的桿件和節(jié)點強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，在此情況下為盡快恢復(fù)修井機(jī)的功能，對滑軌進(jìn)行整體更換，重新調(diào)平。新滑軌的制作材料和工藝要求應(yīng)不低于原設(shè)計要求，并根據(jù)測量的高度差重新設(shè)計T型滑道高度，以滿足滑軌高差要求。通過對調(diào)整井架支腿墊板的高度進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到技術(shù)規(guī)范水平，從而解決鉆具不對中的問題。在更換滑軌后，經(jīng)過測試確認(rèn)其滿足修井作業(yè)的要求。

4 結(jié) 論

因平臺上部組塊水平度超標(biāo)以及修井機(jī)下滑軌存在變形而影響修井機(jī)鉆具對中的問題在海洋平臺鉆修機(jī)的實際使用過程中較少。針對鉆具與轉(zhuǎn)盤中心對中偏差超限值問題進(jìn)行理論分析，通過數(shù)據(jù)強(qiáng)度校核確認(rèn)導(dǎo)管架的承載力、上部組塊的桿件和節(jié)點強(qiáng)度均滿足規(guī)范，并提出對滑軌進(jìn)行整體更換及重新調(diào)平的方案，經(jīng)過測試確認(rèn)滿足修井作業(yè)的要求。針對鉆具與轉(zhuǎn)盤中心對中偏差超限值具體問題給出有針對性的分析解決方法，為提升修井機(jī)安全作業(yè)提供技術(shù)保障。