基于固定式鉆井平臺的新型雙作業(yè)面井架及配套系統(tǒng)

New Dual-Side Derrick and Supporting System Based on Fixed Drilling Platform

Yang XiangqianGuo Hua ZhangFu Du Wenjie （CNOOCResearchInstituteCo.，Ltd.）

Abstract：Due to limited internal space，the arrangement of automated equipment on conventional derrick of traditional offshore platform becomes difficult.The nippling upand down ofcasing and tribble needs tobe carried out on the same monkey board，resulting in crossoperation and low overall eficiency.At present，the hoisting gear of drilling rig is only equipped with one drawworks，resulting in severe wear and tearof driling lineon one side during operation.When the drawworks gets out of order，the operation needs to wait for maintenance，further reducing the operating eficiency.To solve these problems，a new dual-side derrick and supporting system were proposed.The new derick adopts a door-type structure，significantly increasing the internal space of the derrick， meting the installation requirements of string handling equipment，andachieving eficienttribbleoperation simultaneously.The double monkey board layout is combined with the design of retractable top drive，making the nippling up of casing and other preparation be conducted onthe other monkey board while performing driling operation，thereby improving the operating eficiency.The redundancy design of doubledrawworks not only improves thereliabilityof theequipment，but alsosignificantly improvesthedriling efficiency.Through scaledmodel test， the superiorityof the new derrick system in functionand performance was verified.The experimental results show that the equipment such asautomatic catwalk，pipe-lifting manipulator and iron roughneck run smoothly on the new derrick，and can complete various operations eficiently.The new dual-side derrick and its supporting system significantly improve the operating efficiencyand safetyof the drilling platform，which isof great significance for promoting the intelligent and efficient development of offshore drilling equipment.

Keywords：marine drilling platform;dual-side derrick；string handling equipment；double drawworks；drill ingefficiency；retractable topdrive

0 引言

全球?qū)κ唾Y源的需求日益增長，陸地資源的逐漸枯竭促使人們加快開發(fā)海洋石油資源。因此，如何以較低的成本獲得更安全、高效的海洋鉆井技術(shù)，已成為全球研究的重點(diǎn)[1-2]。傳統(tǒng)海洋鉆井平臺的常規(guī)套裝井架內(nèi)部空間受限，接、卸立根作業(yè)在井架前側(cè)進(jìn)行，與頂驅(qū)作業(yè)存在交叉，影響作業(yè)效率并存在安全隱患[3]。管柱自動(dòng)化系統(tǒng)作為一種有效手段，不僅可以提高鉆井效率，還能減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和提升作業(yè)安全性[4-7]。其中，門形井架因其結(jié)構(gòu)輕巧和占地面積小的特點(diǎn)，已成為管柱自動(dòng)化系統(tǒng)中使用較為廣泛的井架[8]。

國外海瑞克公司在2010年推出了TI-350T全液壓雙作業(yè)面鉆機(jī)，該機(jī)型通過液壓機(jī)械手臂直接舉升鉆柱至鉆臺面，并利用液壓頂驅(qū)連接鉆柱，省略了二層臺，從而提高了效率和安全性[9]。國內(nèi)海洋地質(zhì)10號鉆探系統(tǒng)的門形井架使用2個(gè)液缸作為提升機(jī)構(gòu)，省略了傳統(tǒng)的游吊系統(tǒng)[10-11]。但這些井架的缺點(diǎn)是均未配套二層臺，起下鉆時(shí)鉆具需與地面交接，單根作業(yè)效率及油缸提升鉤速均較低，且受限于絞車快繩速度，大鉤速度難以提高。同時(shí)，單絞車技術(shù)已成為提高鉆井效率的瓶頸，發(fā)生故障時(shí)，只能停止作業(yè)等待維修，影響作業(yè)效率。目前，國內(nèi)廠商雖然可以提供部分管柱自動(dòng)化處理單元設(shè)備，如動(dòng)力貓道和二層臺排管機(jī)械手等，但受限于平臺或井架內(nèi)部空間，管柱自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率依然較低[12-13]

為解決上述問題，提出一種新型雙作業(yè)面井架及其配套系統(tǒng)。該井架采用門形結(jié)構(gòu)，前后各設(shè)置一個(gè)二層臺，前側(cè)二層臺用于套管立根排放，后側(cè)二層臺用于鉆桿立根排放。通過這種設(shè)計(jì)，井架整體跨距和內(nèi)部可利用空間將大幅增加；立根可通過井口實(shí)現(xiàn)前后移位，鉆井的同時(shí)可預(yù)接套管、優(yōu)化操作流程以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[14-15]。該雙絞車模式和管柱自動(dòng)處理系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)離線建套管、鉆桿立根，不僅提高了鉆井效率，也加快了海洋油氣勘探開發(fā)裝備智能化的步伐。

1 新型雙作業(yè)面井架設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1. 1 設(shè)計(jì)參數(shù)

并架設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是確保高效性和穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧安全性和成本效益。該設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循APISpec4F（第4版）16和美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范AISC335—2022的相關(guān)規(guī)定，并根據(jù)特定的鉆井作業(yè)需求進(jìn)行方案選型。綜合考慮了以下關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：鉆臺面鉆柱上卸扣操作所需空間 1.2m ，三單根立柱的長度為 28.0m ；游吊系統(tǒng)的長度設(shè)為 9.6m ，同時(shí)安全防碰所需空間 6m 。綜合計(jì)算后，井架的總高度至少需要達(dá)到 44.8m ，為確保有足夠的余量，最終設(shè)定井架高度為 46.0m ；井架雙作業(yè)面開口高度主要是為了滿足立根與二層臺交接的需要，通過詳細(xì)放樣后確定為鉆臺面以上 26.5m ；井架的前后跨度設(shè)計(jì)以適應(yīng)側(cè)置頂驅(qū)雙導(dǎo)軌的安裝需求，而左右跨度則是為了確保左側(cè)頂驅(qū)與右側(cè)提管機(jī)械手及鐵鉆工的順利作業(yè)。新型雙作業(yè)面井架的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 設(shè)計(jì)方案

新型雙作業(yè)面井架采用門形雙立柱框架結(jié)構(gòu)，由左右兩側(cè)的分段框架式立柱構(gòu)成，頂端通過天車、連接梁及斜拉桿連接形成整體（見圖1）。井架下端固定在鉆臺井架支座上，前側(cè)配置用于離線建立根的二層臺，后側(cè)配置鉆井作業(yè)所需的二層臺；二層臺下方的左右立柱間為敞開式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在滿足 28m 立根作業(yè)中整套管柱自動(dòng)化設(shè)備的布置需求；井架的主結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)鉆井載荷，立柱等關(guān)鍵構(gòu)件采用WH型或箱型截面，橫斜撐等構(gòu)件均采用標(biāo)準(zhǔn)H型鋼截面。

井架游車為可旋轉(zhuǎn) 90^° 設(shè)計(jì)，便于立根的前后移位；提管機(jī)械手安裝在井架前端兩側(cè)的軌道上，能夠夾持鉆具，并通過絞車實(shí)現(xiàn)鉆具的垂直運(yùn)輸；平移小車通過鉆臺面上的導(dǎo)軌前后移動(dòng)，將左右立柱分別送入基段；基段的立柱內(nèi)配備滾輪，立柱截面的槽型結(jié)構(gòu)作為滾輪的導(dǎo)向軌道（見圖2）。4臺高性能液壓提升小絞車安裝在井架基段，負(fù)責(zé)提供動(dòng)力，逐段從下至上推升立柱至預(yù)設(shè)位置，完成井架的垂直起升工作。

與傳統(tǒng)方案相比，該新型雙作業(yè)面井架的主要優(yōu)勢如下：

（1）采用液壓絞車垂直舉升方式，無需翻轉(zhuǎn)或搭建腳手架等輔助設(shè)施，從而簡化井架安裝過程。（2）井架采用門形結(jié)構(gòu)，前后貫通增大內(nèi)部空間，立根從井口前后移動(dòng)，有效避免人員交叉作業(yè)，減少了操作人員在同一作業(yè)面上的集中，降低了操作的復(fù)雜性和安全風(fēng)險(xiǎn)。（3）采用雙絞車提升系統(tǒng)，增加鉤速，提升鉆井效率。

（4）雙作業(yè)面的設(shè)計(jì)優(yōu)化了操作流程，有效地提高了作業(yè)效率，縮短了作業(yè)周期。

1.3 總體布局

鉆井平臺總體布局需要充分考慮作業(yè)效率和安全性能[17-18]，鉆井平臺總體布局如圖3所示。其具體內(nèi)容如下：

（1）司鉆房設(shè)在井架左側(cè)底部的空襠內(nèi)，鐵鉆工布置在司鉆房的對側(cè)，以滿足井口和雙小鼠洞的操作需求，從而提高作業(yè)效率和安全性。（2）節(jié)流壓井閥閥組和液氣分離器位于動(dòng)力貓道旁，用于控制井下壓力和分離井內(nèi)氣液；立管閥閥組設(shè)置在井架兩側(cè)，用于控制立管流體。（3）井架左右兩側(cè)各配置1臺絞車，通過天車滑輪操作，可以單獨(dú)提升游吊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主絞車的冗余配備；頂驅(qū)控制房位于左側(cè)絞車的頂棚上，便于操作和監(jiān)控頂驅(qū)；后側(cè)立根臺兩側(cè)安裝液壓貓頭，可提供更高的操作精度和可靠性。

（4）動(dòng)力貓道位于排管架和鉆臺之間，實(shí)現(xiàn)管柱自動(dòng)處理功能，以適應(yīng)叢式井的作業(yè)需求；平臺吊機(jī)設(shè)置在貓道和排管架之間，用于轉(zhuǎn)運(yùn)鉆具，進(jìn)一步提升作業(yè)的靈活性和效率。

2 新型雙作業(yè)面井架配套系統(tǒng)

2.1 配套頂驅(qū)

新型雙作業(yè)面井架前、后側(cè)立根通道存在被占用的問題，為進(jìn)一步提高平臺作業(yè)效率，將井架左右支腳中心向左側(cè)偏離井口 450mm ，頂驅(qū)導(dǎo)軌設(shè)置在井架的左側(cè)，并配置帶伸縮架的頂驅(qū)[19-22]。頂驅(qū)設(shè)定示意圖如圖4所示。由圖4可知：伸縮架伸出后，頂驅(qū)能夠到達(dá)井口位置；縮回后，頂驅(qū)與井口立根互不干涉。此時(shí)，頂驅(qū)在快繩的懸持下仍可沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，立根也可在前、后立根臺以及井口之間進(jìn)行移位操作，從而實(shí)現(xiàn)交叉作業(yè)、縮短作業(yè)時(shí)間。另外，由于頂驅(qū)鉆井時(shí)其伸縮架處于伸出狀態(tài)，傳遞的力臂相對較大，為增加其作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)定為雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。

2.2 雙絞車作業(yè)模式

常規(guī)陸地和海洋鉆機(jī)多采用單絞車作業(yè)模式，受滾筒快繩速度的限制，平均鉤速一般不超過1.3m/s ，極大地限制了鉆井效率。在固定式鉆井平臺上，基于新型雙作業(yè)面井架，可配置2臺絞車，2臺絞車設(shè)置在新型雙作業(yè)面井架的左右兩側(cè)，其布局如圖5所示。

2臺絞車經(jīng)天車滑輪可同時(shí)提升游吊系統(tǒng)，或者單獨(dú)提升游吊系統(tǒng)[23-24]，實(shí)現(xiàn)了絞車的冗余配備；當(dāng)一臺絞車出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺絞車完全滿足作業(yè)需求。此時(shí)，2臺絞車鉤速可達(dá)到單絞車的2倍，通過電控限定至安全鉤速 1.6m/s 。表2為雙絞車模式和單絞車模式的配套設(shè)備及性能對比。由表2可知，雙絞車作業(yè)模式的質(zhì)量和購置成本高于常規(guī)單絞車作業(yè)模式，從購置成本和使用經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，單絞車作業(yè)模式具有一定的優(yōu)勢。但雙絞車作業(yè)模式提高系統(tǒng)效率明顯，比單絞車節(jié)省燃油 8.7% ；且提升鉤速范圍大，鉤速是單絞車作業(yè)的2倍，滿足高起下鉆速要求；雙絞車滑繩和切繩比單絞車操作方便、壽命更長，在相同鉤速的情況下，雙絞車加減速對絞車滾筒、滑輪、鋼絲繩的磨損小，具有推廣使用價(jià)值[25]。

2.3 天車結(jié)構(gòu)

基于新型雙作業(yè)面井架的雙絞車提升系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新的天車結(jié)構(gòu)（見圖6）。該結(jié)構(gòu)中除了配備常規(guī)的主滑輪組、死繩輪、快繩輪等，還額外配備2組導(dǎo)向滑輪。快繩輪和其對應(yīng)的導(dǎo)向輪位于天車架的左后側(cè)，導(dǎo)向輪用于從快繩輪向主滑輪的提升繩導(dǎo)向；死繩輪和其對應(yīng)的導(dǎo)向輪位于天車架的右前側(cè)，導(dǎo)向輪用于主滑輪向死繩輪的提升繩導(dǎo)向。導(dǎo)向滑輪與快繩輪呈“二”字形分布，可最大限度地減少提升鋼絲繩的纏繞路徑，避免提升繩的側(cè)向磨損，延長繩索的使用壽命。

2.4 管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)

基于新型雙作業(yè)面井架，固定式鉆井平臺可配置全套管柱處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鉆臺無人化作業(yè)，在井口鉆井或起下鉆的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)離線建套管或建立根。配套管柱處理系統(tǒng)如圖7所示。

管柱從堆場到井口經(jīng)過以下步驟：

（1）管柱輸送系統(tǒng)。管柱輸送系統(tǒng)布置于井口正前側(cè)，動(dòng)力貓道與井口、1號鼠洞對齊，具備自行走功能，實(shí)現(xiàn)管柱的縱向移動(dòng)；采用平臺吊機(jī)實(shí)現(xiàn)管柱的橫向移動(dòng)，鉆具從管排架送至動(dòng)力貓道的過程通過平臺吊機(jī)實(shí)現(xiàn)，然后動(dòng)力貓道將鉆具送至鉆臺的設(shè)定位置。

（2）離線建立根系統(tǒng)?；栖壍拦踢B在井架前側(cè)，大梁上的提管機(jī)械手抓取動(dòng)力貓道送至的鉆具，并在提管機(jī)械手抓取范圍內(nèi)合理布置雙小鼠洞；鐵鉆工布置位置需滿足到達(dá)雙小鼠洞和井口，實(shí)現(xiàn)離線建套管和鉆桿立根。

（3）立柱排放系統(tǒng)。井架前側(cè)設(shè)輔助二層臺，離線建立的立根可直接排放至該二層臺內(nèi)；井架后側(cè)設(shè)主二層臺，用于起下鉆等鉆井工況下的立根排放；頂驅(qū)吊環(huán)下段設(shè)液壓吊卡，實(shí)現(xiàn)對鉆具在游吊上的懸持；井口設(shè)動(dòng)力卡瓦，實(shí)現(xiàn)對井口鉆柱的懸持。并架右后側(cè)設(shè)扶管機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)立根與井口鉆柱的快速連接[26]；鐵鉆工布置在井架右前側(cè)，用于涂抹螺紋油。

除以上直接接觸管柱的系統(tǒng)外，還需要配備司鉆控制房。司鉆控制房是鉆機(jī)的控制中心，設(shè)雙司鉆操作工位。主司鉆操作臺實(shí)現(xiàn)對絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、鉆井泵、卡瓦、吊卡及貓頭等設(shè)備的控制和操作；管柱操作臺實(shí)現(xiàn)對動(dòng)力貓道、鐵鉆工、提管機(jī)械手、二層臺機(jī)械手等設(shè)備的控制和操作[27]。

3 縮比模型及功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新型雙作業(yè)面井架及其配套系統(tǒng)的功能和作業(yè)性能，建立一個(gè)精確至 1：30 的縮比模型。圖8和圖9分別為雙作業(yè)面井架系統(tǒng)的三維仿真圖和縮比模型圖。

該系統(tǒng)包括提管機(jī)械手、鐵鉆工、頂驅(qū)及排管機(jī)等設(shè)備，并進(jìn)行了詳細(xì)的模擬測試。試驗(yàn)過程涉及以下作業(yè)：

（1）自動(dòng)化貓道作業(yè)。模擬自動(dòng)化貓道的往返動(dòng)作1次，驗(yàn)證其自動(dòng)化運(yùn)行的可靠性和效率。

（2）提管機(jī)械手作業(yè)。提管機(jī)械手進(jìn)行提升和下降的往返動(dòng)作1次，以確保其能穩(wěn)定高效地操作鉆具。

（3）鐵鉆工作業(yè)。鉆臺鐵鉆工進(jìn)行伸縮往返動(dòng)作1次，驗(yàn)證其操作的精準(zhǔn)度和可靠性。

（4）鉆臺機(jī)械手作業(yè)。鉆臺機(jī)械手進(jìn)行前后移動(dòng)往返動(dòng)作1次，測試其在不同位置間的移動(dòng)能力和靈活性。

（5）頂驅(qū)作業(yè)。頂驅(qū)液缸依次完成伸出、下降、提升和小液缸縮回的動(dòng)作循環(huán)，確保頂驅(qū)在各種工況下的正常運(yùn)作。

（6）排管機(jī)作業(yè)。二層臺排管機(jī)械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作1次，驗(yàn)證其操作的靈活性和精度。

（7）建立根作業(yè)。包括貓道伸出、提管機(jī)械手下降和提升、鐵鉆工操作以及二層臺和鉆臺面機(jī)械手的同步動(dòng)作，確保各設(shè)備協(xié)調(diào)工作，完成立根操作。

（8）下鉆作業(yè)。模擬二層臺排管機(jī)械手旋轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作、頂驅(qū)液缸伸出抓立根動(dòng)作、鐵鉆工上扣、頂驅(qū)下降和提升以及相關(guān)機(jī)械手的配合作業(yè)，驗(yàn)證整個(gè)下鉆過程的流暢性和安全性。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：自動(dòng)化貓道在往返動(dòng)作中運(yùn)行平穩(wěn)，提管機(jī)械手在不同高度下保持高精度操作，鐵鉆工的伸縮動(dòng)作準(zhǔn)確無誤，鉆臺機(jī)械手前后移動(dòng)順暢且定位準(zhǔn)確，頂驅(qū)系統(tǒng)在所有測試動(dòng)作中穩(wěn)定運(yùn)行，二層臺排管機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作精確無誤，建立根作業(yè)中各設(shè)備協(xié)調(diào)性良好，下鉆過程各設(shè)備配合無誤；各設(shè)備在操作過程中均能保持高度的協(xié)調(diào)性和精確性，未出現(xiàn)任何空間干涉或操作錯(cuò)誤；雙二層臺的設(shè)計(jì)將套管立根和鉆桿立根分別安排在前側(cè)和后側(cè)的二層臺上，這種并行的作業(yè)方式提高了設(shè)備利用率，使得鉆井作業(yè)不再因?yàn)槟骋粏我蛔鳂I(yè)的進(jìn)行而停滯，從而加快了整體作業(yè)進(jìn)程。

4結(jié)論

基于固定式鉆井平臺，設(shè)計(jì)了一種新型雙作業(yè)面井架及其配套系統(tǒng)，克服了常規(guī)井架內(nèi)部空間小、效率低等缺點(diǎn)，提高了鉆井效率和設(shè)備操作的安全性。對井架建立縮比模型并進(jìn)行功能驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）新型雙作業(yè)面井架采用雙門形結(jié)構(gòu)，不僅增加了井架內(nèi)部空間，滿足了管柱處理設(shè)備的安裝需求，同時(shí)也保證了立根操作的高效進(jìn)行。

（2）通過雙二層臺結(jié)構(gòu)和可伸縮頂驅(qū)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鉆井與接套管的同步進(jìn)行，有效避免了交叉作業(yè)，提高了作業(yè)安全性和效率。（3）采用雙絞車作業(yè)模式，解決了傳統(tǒng)鉆井中鉤速難以提高的技術(shù)瓶頸；冗余設(shè)計(jì)顯著增強(qiáng)了鉆井平臺的工作可靠性，確保設(shè)備在極端條件下的持續(xù)運(yùn)作。（4）通過三維仿真及縮比模型的制作和測試，全面驗(yàn)證了新型雙作業(yè)面井架及其配套系統(tǒng)的功能和性能，證明其具備實(shí)際應(yīng)用條件，具有推廣使用價(jià)值。

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第一

作者簡介：楊向前，高級工程師，生于1970年，1994年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院礦業(yè)機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事鉆完井裝備設(shè)計(jì)及研發(fā)工作。地址：（100028）北京市朝陽區(qū)。電話：（010）84523639，email：yangxq15@cnooc.com.cn。通信作者：杜文杰，工程師。email：duwj7@cnooc.com.cn。

收稿日期：2024-06-26 修改稿收到日期：2024-10-30（本文編輯任武）