液壓模塊鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其在南海油田的應(yīng)用

祖 巍，李 明

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300451)

0 引 言

南海某油田位于南海珠江口盆地附近海域，開發(fā)方案為利用油田井口平臺(tái)通過(guò)側(cè)鉆方式開發(fā)。根據(jù)最大鉤載核算結(jié)果，鉆完井機(jī)具鉤載能力應(yīng)不小于2 130.2 kN，因此，需將平臺(tái)現(xiàn)有鉤載為180 t的修井機(jī)拆除，并新建鉤載能力不小于2 250 kN的鉆完井機(jī)具。

根據(jù)目前海上實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)鉆機(jī)重量較大，而原平臺(tái)是依據(jù)鉤載為180 t修井機(jī)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和樁基承載力設(shè)計(jì)，如果新建鉤載為225 t常規(guī)鉆機(jī)，平臺(tái)承載力很難滿足要求。為進(jìn)一步減輕鉆完井機(jī)具重量，通過(guò)反復(fù)對(duì)比研究，最終選擇新建一臺(tái)鉤載為225 t的液壓模塊鉆機(jī)的方案[1]。

液壓鉆機(jī)是一種無(wú)絞車的新型鉆機(jī)，采用液壓動(dòng)力，以液壓伸縮井架作為提升機(jī)構(gòu)，取代傳統(tǒng)鉆機(jī)由絞車、井架、天車和游動(dòng)系統(tǒng)組成的提升系統(tǒng)，是對(duì)傳統(tǒng)鉆機(jī)提升系統(tǒng)的革命性變革[2]。國(guó)外挪威MH公司、美國(guó)NOV、意大利DRILLMEC公司、WEI公司、德國(guó)海瑞克公司等均有成熟的液壓鉆機(jī)產(chǎn)品[3]，并在現(xiàn)場(chǎng)得到推廣應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)液壓鉆機(jī)剛剛起步，應(yīng)用業(yè)績(jī)少，沒(méi)有海洋鉆井應(yīng)用[4]。

南海某油田液壓模塊鉆機(jī)最大鉤載為2 250 kN，最小頂驅(qū)扭矩為35 kN·m，最大鉤速約1 m/s，轉(zhuǎn)盤開口直徑為950 mm。配置2臺(tái)功率為1 000 hp (754.7 kW)的鉆井泵，200 m3的泥漿池及有效高度為22 m的井架。液壓系統(tǒng)主要配置2臺(tái)操作壓力為35 MPa、總?cè)莘e為6 000 L的液壓站[5]。

液壓鉆機(jī)鉆井時(shí)，井口返回的泥漿經(jīng)固控模塊凈化后，再由固控模塊循環(huán)至南北側(cè)泥漿模塊，再經(jīng)高壓泥漿灌注入井口，實(shí)現(xiàn)泥漿循環(huán)。鉆機(jī)主要進(jìn)行以下作業(yè)：①橫向和縱向移動(dòng)，覆蓋所有井槽；②在老井眼里進(jìn)行側(cè)鉆及其完井作業(yè)；③后期生產(chǎn)井的大修和各種小修作業(yè)。

南海某油田液壓模塊鉆機(jī)是中海油第一臺(tái)自行設(shè)計(jì)并應(yīng)用的海洋液壓模塊鉆機(jī)，其主要設(shè)備均需進(jìn)口。因此，滿足安全性、可行性、經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和嚴(yán)苛的重量控制成為本項(xiàng)目的重中之重。

1 海洋液壓模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及其有限元模型

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

海洋液壓模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合API、AISC、ABS、CCS及中海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等相應(yīng)的規(guī)范。根據(jù)總體布置圖，海洋液壓模塊鉆機(jī)布置于組塊頂層甲板上，主要分為3部分，即鉆井設(shè)備模塊、泥漿模塊和固控模塊，見(jiàn)圖1，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的校核采用工作應(yīng)力法[6]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合傳力路徑短，材料利用率高并滿足鉆井操作要求及其他安全要求，其中應(yīng)著重提升材料的利用率以降低結(jié)構(gòu)重量[7]。

圖1 南海某油田液壓模塊鉆機(jī)平面布置圖 Fig.1 General arrangement of hydraulic module drilling rig for a certain oilfield in South China Sea

1.2 鉆井設(shè)備模塊

液壓模塊鉆機(jī)鉆井設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)由SKIDBASE滑軌模塊和上部模塊組成。SKIDBASE滑軌模塊通過(guò)6個(gè)基座布置在平臺(tái)頂層甲板的滑軌上方，上部模塊通過(guò)6個(gè)基座布置在SKIDBASE滑軌模塊上。整個(gè)鉆井設(shè)備模塊在平臺(tái)滑軌上可沿平臺(tái)的東西方向移動(dòng)，上部模塊在SKIDBASE滑軌模塊上可沿平臺(tái)的南北方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)覆蓋所有井槽的鉆修井 作業(yè)。

應(yīng)用SACS軟件分別對(duì)SKIDBASE滑軌模塊和上部模塊建立三維空間鋼架結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖2所示。該模型對(duì)所有主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了詳細(xì)模擬，井架結(jié)構(gòu)僅用于模擬反映作用于其上的荷載，不進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核。針對(duì)不同的設(shè)計(jì)井位，選用SKIDBASE滑軌模塊和上部模塊分模型進(jìn)行組合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)在位分析和安裝分析的校核計(jì)算[8]，其中在位分析中井架直立，安裝分析中井架放倒。鉆井設(shè)備模塊主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大UC值，即實(shí)際應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值，見(jiàn)表1。

圖2 鉆井設(shè)備模塊三維結(jié)構(gòu)模型 Fig.2 3D model of drilling equipment module

表1 鉆井設(shè)備模塊主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大UC值 Tab.1 Maximum UC for main structure of drilling equipment module

1.3 泥漿模塊和固控模塊

泥漿模塊按照布置位置分為北側(cè)泥漿模塊和南側(cè)泥漿模塊。固控模塊和北側(cè)泥漿模塊位于平臺(tái)頂層甲板北側(cè)，南側(cè)泥漿模塊位于平臺(tái)頂層甲板南側(cè)。固控模塊共2層，底層設(shè)有沉沙池、除氣池、除砂池、除泥池、返回池和計(jì)量池等，頂層設(shè)有振動(dòng)篩、真空除氣器、離心機(jī)等。北側(cè)泥漿模塊共2層，底層設(shè)有藥劑罐、混合罐和2個(gè)泥漿罐，頂層設(shè)有4臺(tái)攪拌器；南側(cè)泥漿模塊共2層，底層設(shè)有2個(gè)泥漿罐，頂層設(shè)有2臺(tái)攪拌器。

應(yīng)用SACS軟件分別對(duì)北側(cè)泥漿模塊、南側(cè)泥漿模塊和固控模塊建立三維空間鋼架結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖3所示。該模型對(duì)所有主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了詳細(xì)模擬和結(jié)構(gòu)在位分析、安裝分析的校核計(jì)算。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大UC值，即實(shí)際應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值，見(jiàn)表2、3。

圖3 泥漿模塊和固控模塊三維結(jié)構(gòu)模型 Fig.3 3D models of mud module and solids control module

表2 泥漿模塊主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大UC值 Tab.2 Maximum UC for main structure of mud module

表3 固控模塊主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大UC值 Tab.3 Maximum UC for main structure of solids control module

2 海洋液壓模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

作為中海油第一臺(tái)自行設(shè)計(jì)并應(yīng)用的海洋液壓模塊鉆機(jī)，南海某油田液壓模塊鉆機(jī)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

2.1 具有3條滑軌的模塊結(jié)構(gòu)

基于液壓模塊鉆機(jī)特殊的總體布置和井架布置，綜合考慮各個(gè)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，SKIDBASE滑軌模塊開創(chuàng)性的采用3條滑軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，其中，中間滑軌為主要受力結(jié)構(gòu)，采用BOX梁和T型梁的結(jié)構(gòu)形式，兩側(cè)滑軌為輔助受力結(jié)構(gòu)，使得液壓模塊鉆機(jī)通過(guò)6個(gè)基座在3條滑軌上實(shí)現(xiàn)南北向滑動(dòng)。采用H型鋼和T型梁的結(jié)構(gòu)形式，可顯著降低操作工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，其在海洋模塊鉆機(jī)中尚屬首次應(yīng)用，見(jiàn)圖4。

圖4 SKIDBASE模塊滑軌結(jié)構(gòu)操作工況Von Mises應(yīng)力 Fig.4 Von Mises stress of SKIDBASE structure on operation condition

2.2 適配自動(dòng)化管子處理系統(tǒng)的可拆卸式結(jié)構(gòu)

為提升自動(dòng)化水平，配備了HTV管子處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓管、排管和遠(yuǎn)程操控[9]。為保證鉆機(jī)工作效率，HTV在工作時(shí)需要盡量接近井口，故在操作時(shí)可能與底層結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，HTV管子處理系統(tǒng)基本工作原理如圖5所示。為配合HTV使用的高 效性和可靠性，在液壓模塊鉆機(jī)上部模塊底層西側(cè)結(jié)構(gòu)梁上開有1.2 m寬的可拆卸結(jié)構(gòu)，使用銷軸連接，如圖6所示。在HTV進(jìn)行操作作業(yè)時(shí)將其拆除，在鉆機(jī)進(jìn)行滑移作業(yè)時(shí)將其安裝就位，使大梁貫通，以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外，為了防止HTV在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中過(guò)位，在連接耳板上增加了HTV限位結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了其在垂向的受力能力。

圖5 HTV管子處理系統(tǒng)基本工作原理圖 Fig.5 Operating principle figure of HTV system

圖6 HTV可拆卸結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.6 Figure of removable structure for HTV

2.3 海上吊裝結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

液壓模塊鉆機(jī)鉆井設(shè)備模塊在海上吊裝的過(guò)程中，井架已經(jīng)安裝至鉆臺(tái)上并呈放倒姿態(tài)，采用24塊臨時(shí)筋板連接上部模塊和SKIDBASE滑軌模塊組成，分別焊接在液壓模塊鉆機(jī)上部模塊基座和SKIDBASE滑軌模塊結(jié)構(gòu)上。另外，由于液壓模塊鉆機(jī)鉆臺(tái)上空間極為緊湊，為了保證安全距離，防止吊繩和井架及其他設(shè)備干涉，經(jīng)反復(fù)論證和計(jì)算，最終采用了吊點(diǎn)非對(duì)稱布置和升高吊耳相結(jié)合的方案。綜合以上舉措，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)輔助吊桿、無(wú)吊裝框架，且一吊完成鉆井設(shè)備模塊吊裝，有效提高了海上安裝效率，降低了海上安裝費(fèi)用。

3 與常規(guī)鉆機(jī)重量對(duì)比

常規(guī)鉆機(jī)是目前中海油應(yīng)用最廣泛的模塊鉆機(jī)類型，一般由鉆井設(shè)備模塊和鉆井支持模塊兩大模塊組成，其各功能模塊部分的劃分非常明確，結(jié)構(gòu)形式獨(dú)立，模塊之間通過(guò)拖鏈、軟管連接，具有整體性強(qiáng)、功能劃分明確、技術(shù)成熟的特點(diǎn)。但是常規(guī)鉆機(jī)也具有一些劣勢(shì)，如空間利用率低、自動(dòng)化程度低、重量大等[10]。

從項(xiàng)目可研階段決定采用液壓模塊鉆機(jī)代替常規(guī)鉆機(jī)的方案之初，就確定了減輕鉆完井機(jī)具重量、滿足平臺(tái)強(qiáng)度和樁基承載力的要求作為本項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一系列重量?jī)?yōu)化的舉措，也證明了相比常規(guī)鉆機(jī)，液壓模塊重量輕的優(yōu)勢(shì)較為明顯，詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4鉆井作業(yè)期間液壓模塊鉆機(jī)與南海海域某常規(guī)鉆機(jī)對(duì)比表 Tab.4 Comparison between hydraulic module drilling rig and conventional module drilling rig in South China Sea

由表4可見(jiàn)，在相同海域、相同滑軌跨距、相同鉤載的前提下，液壓模塊鉆機(jī)較常規(guī)鉆機(jī)的干重減輕85 t，約降低9%；總操作重量減輕286 t，約降低16.5%。液壓模塊鉆機(jī)在“輕便性”上的優(yōu)勢(shì)主要得益于以下幾方面：

①?gòu)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，在保證安全的前提下盡量減少結(jié)構(gòu)冗余強(qiáng)度、提高結(jié)構(gòu)效率、優(yōu)化結(jié)構(gòu)選材、控制結(jié)構(gòu)重量，從結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果可以看出液壓模塊鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大UC值基本控制在0.6以上，結(jié)構(gòu)重量得以優(yōu)化；

②機(jī)械設(shè)備重量方面，液壓模塊鉆機(jī)井架較常規(guī)鉆機(jī)更加輕量化，同時(shí)，由于其特有的液壓設(shè)備代替了常規(guī)鉆機(jī)上的絞車、游車、大鉤等設(shè)備，使得液壓模塊鉆機(jī)機(jī)械設(shè)備重相比常規(guī)鉆機(jī)降低；

③液壓模塊鉆機(jī)配備了自動(dòng)化管子處理系統(tǒng)，使鉆臺(tái)面上得以取消立根盒，單此一項(xiàng)就減輕了135 t的立根重量；

④在設(shè)計(jì)中各專業(yè)相互協(xié)作，設(shè)定嚴(yán)格的減重目標(biāo)，及時(shí)更新并提供準(zhǔn)確的重量，同時(shí)對(duì)液壓模塊鉆機(jī)建立精確、完整的三維模型，各項(xiàng)重量?jī)?yōu)化舉措 協(xié)同實(shí)施，使得各專業(yè)鉆機(jī)的重量均有較大程度的 降低。

最終，液壓模塊鉆機(jī)的重量滿足了各個(gè)工況下平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和樁基承載力要求，為項(xiàng)目順利推進(jìn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 應(yīng)用情況

2018年4月，中海油自主設(shè)計(jì)的首套海洋液壓模塊鉆機(jī)在南海某油田正式投入使用，并順利完成 4口開發(fā)井的鉆井和修井作業(yè)任務(wù)。經(jīng)作業(yè)方確認(rèn)，該液壓鉆機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各系統(tǒng)功能正常，滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆修井作業(yè)要求，驗(yàn)證了此液壓模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在海洋模塊鉆機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。液壓鉆機(jī)海上應(yīng)用見(jiàn)圖7。

圖7 液壓鉆機(jī)海上應(yīng)用圖 Fig.7 Practical application of hydraulic module drilling rig

5 結(jié) 論

①本文依托實(shí)際工程項(xiàng)目，開展了海洋液壓模塊鉆機(jī)各模塊的結(jié)構(gòu)分析；對(duì)特有的三滑軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論證；對(duì)自動(dòng)化管子處理系統(tǒng)進(jìn)行了必要的結(jié)構(gòu)匹配；實(shí)現(xiàn)了無(wú)輔助吊桿、無(wú)吊裝框架且一吊到位的吊裝方案。研究結(jié)論證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有安全性、可行性和經(jīng)濟(jì)性。

②針對(duì)液壓鉆機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了重量?jī)?yōu)化，論證了液壓鉆機(jī)對(duì)比常規(guī)鉆機(jī)在輕量化上的優(yōu)勢(shì)，最終滿足了平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和樁基承載力的要求，保證項(xiàng)目得以順利實(shí)施。

③近年來(lái)，海洋模塊鉆機(jī)的應(yīng)用愈加廣泛，而海洋液壓鉆機(jī)的成功應(yīng)用開創(chuàng)了海洋鉆機(jī)應(yīng)用的新模式，本研究可為海洋液壓鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和實(shí)際應(yīng)用借鑒，具有一定的推廣價(jià)值。