關(guān)雙會，王曉雷，陳金穩(wěn)，杜漢文，李寶春.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司機(jī)械設(shè)備技術(shù)服務(wù)中心，天津　3004522.西南石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，四川成都　60500

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海上石油WHPG平臺HXJ180海洋修井機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化

關(guān)雙會1，2，王曉雷1，陳金穩(wěn)1，杜漢文1，李寶春1
1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司機(jī)械設(shè)備技術(shù)服務(wù)中心，天津300452
2.西南石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，四川成都610500

摘要：由于中海油秦皇島32- 6油田WHPG平臺井口分布的特殊設(shè)計(jì)形式，常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的修井機(jī)不能滿足作業(yè)要求。在為該平臺配置的HXJ180海洋修井機(jī)的基本設(shè)計(jì)中雖然確定了新穎的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，但有更多的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)并不利于實(shí)際操作情況，并非最優(yōu)設(shè)計(jì)。經(jīng)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段深入研究，對該型式修井機(jī)在拖鏈設(shè)計(jì)、平臺交叉導(dǎo)軌設(shè)計(jì)、下底座支撐腿與滑移結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備維修平臺及通道設(shè)計(jì)以及井架前支架的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的合理優(yōu)化，使設(shè)計(jì)成果更加符合該平臺現(xiàn)場實(shí)際的使用操作及作業(yè)工況要求，對于類似結(jié)構(gòu)形式海洋修井機(jī)設(shè)計(jì)可以作為參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：海洋石油平臺；海洋修井機(jī)；基本設(shè)計(jì)；詳細(xì)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)中海油秦皇島32- 6油田WHPG平臺的井口分布情況，對為其配置的HXJ180DB型海洋修井機(jī)進(jìn)行了基本設(shè)計(jì)，但其總體、結(jié)構(gòu)以及機(jī)械等專業(yè)設(shè)計(jì)成果中，一些設(shè)計(jì)理念和想法并不符合裝備在海上現(xiàn)場的使用與操作要求，僅是規(guī)劃了裝備基本功能，至于是否為更好或最好的方式則沒有更深入的研究和考慮。因此，在詳細(xì)設(shè)計(jì)以及海上安裝調(diào)試階段，根據(jù)海上現(xiàn)場實(shí)際情況對基本設(shè)計(jì)成果進(jìn)行了較大幅度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)成果與裝備在海上現(xiàn)場的操作使用情況更加符合。

1　基本設(shè)計(jì)

海洋修井機(jī)的基本設(shè)計(jì)工作是依據(jù)平臺（組塊）的設(shè)計(jì)情況和要求來進(jìn)行的，其在安全及安裝空間等方面的設(shè)計(jì)是在平臺（組塊）的安全要求前提下進(jìn)行的，依據(jù)平臺留給海洋修井機(jī)的安裝空間情況來設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)，而在功能設(shè)計(jì)方面則要充分考慮平臺頂甲板的空間情況、設(shè)備設(shè)施布置情況以及井口區(qū)及井口的具體分布情況［1- 3］。但在海洋修井機(jī)基本設(shè)計(jì)中對安全方面需要考慮得更多一些，而對修井機(jī)的功能要求方面規(guī)定的并不是很明確，因此造成海洋修井機(jī)的基本設(shè)計(jì)深度不足，或與最終的實(shí)際要求相差較多。而在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通過更多的優(yōu)化，可使最終成果能夠在最大程度上滿足安全、功能等方面的實(shí)際要求，在功能與安全方面達(dá)到平衡。

秦皇島32- 6油田WHPG平臺配置的修井機(jī)總體布置如圖1所示。

圖1　修井機(jī)總體結(jié)構(gòu)模型

該修井機(jī)型號為HXJ180DB型電驅(qū)動海洋修井機(jī)，適用于海上石油生產(chǎn)平臺修井作業(yè)，工作環(huán)境平均水深為19.5 m，主要技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸為30.0 m×16.0 m×（7.5 + 33）m，最大鉤載為1 800 kN，修井深度為6 500 m，鉆臺高度為7.5 m，鉆臺凈空高度為6.4 m，上滑移導(dǎo)軌跨距為5.8 m，平臺導(dǎo)軌中心距為11.0 m，整體質(zhì)量為210 t。

2　詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容

在詳細(xì)設(shè)計(jì)中，通過理論計(jì)算分析及模擬，以及對對該生產(chǎn)平臺作業(yè)實(shí)際情況的深入調(diào)研與研究，在修井機(jī)總體布局、結(jié)構(gòu)形式以及安全等方面進(jìn)行了較大范圍的優(yōu)化，使最終設(shè)計(jì)成果更加符合實(shí)際使用要求。

2.1拖鏈與避讓

海洋修井機(jī)根據(jù)設(shè)備滑移要求配置拖鏈，分為中層甲板拖鏈和主甲板拖鏈，中層甲板拖鏈用于實(shí)現(xiàn)上、下底座之間相對滑移功能，主甲板拖鏈用于實(shí)現(xiàn)海洋修井機(jī)整機(jī)滑移功能。其附屬的供應(yīng)管道、供電電纜及儀表數(shù)據(jù)電纜等固定在其內(nèi)，并隨拖鏈同時(shí)移動。由于主甲板拖鏈只能滿足井口作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)的整機(jī)滑移需求，而在整機(jī)進(jìn)行鉆井作業(yè)避讓時(shí)，該甲板拖鏈則不能滿足相關(guān)滑移功能要求，甚至?xí)蔀樾蘧畽C(jī)避讓滑移的障礙，但考慮到修井機(jī)避讓的頻率低，基本設(shè)計(jì)中采取的措施是拆除，使其與修井機(jī)進(jìn)行脫離，以使修井機(jī)能進(jìn)行避讓滑移作業(yè)。該方法實(shí)施起來十分繁瑣，不利于現(xiàn)場的操作，在詳細(xì)設(shè)計(jì)中優(yōu)化為拖鏈兩端設(shè)置快速拆裝接頭和控制箱，可避免對拖鏈內(nèi)所有管道電纜的拆裝工作，進(jìn)而提高效率。

2.2作業(yè)導(dǎo)軌與避讓導(dǎo)軌

該平臺井口槽設(shè)計(jì)較為密集［4］，在作業(yè)導(dǎo)軌通長范圍內(nèi)均設(shè)計(jì)有井口。為了滿足后期平臺調(diào)整井作業(yè)的需要，該修井機(jī)需要具備避讓功能，并且能夠避讓出鉆井船作業(yè)需要的安全距離。為此在平臺頂甲板上，不僅設(shè)計(jì)有井口區(qū)作業(yè)滑移導(dǎo)軌，還設(shè)計(jì)有鉆井平臺調(diào)整井作業(yè)時(shí)修井機(jī)避讓滑移導(dǎo)軌。由于兩組導(dǎo)軌是呈垂直狀態(tài)分布的，因此兩者存在交叉點(diǎn)，基本設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)布置如圖2中節(jié)點(diǎn)Ⅰ所示。該種設(shè)計(jì)方式，導(dǎo)致后期修井機(jī)作業(yè)滑移過程中，需要頻繁拆卸修井機(jī)滑靴導(dǎo)向限位結(jié)構(gòu)，不但給操作工作帶來不必要的繁重工作，而且也使得修井機(jī)滑移工作出現(xiàn)更多的不安全工況?？紤]到海洋修井機(jī)生產(chǎn)作業(yè)滑移頻率要遠(yuǎn)高于修井機(jī)避讓作業(yè)頻率，將作業(yè)滑移導(dǎo)軌與避讓滑移導(dǎo)軌的交叉點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2中節(jié)點(diǎn)Ⅱ所示。僅僅只是導(dǎo)軌方位的一個(gè)變化，但卻使得修井作業(yè)中滑移工作的流程不再繁瑣，滑移作業(yè)的安全性也得到了保障。

圖2　導(dǎo)軌交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式

2.3下底座支腿滑移結(jié)構(gòu)

2.3.1支撐腿優(yōu)化

該套修井機(jī)在海上平臺安裝后，整機(jī)需要具備X軸和Y軸兩個(gè)方向的滑移功能［5］?；驹O(shè)計(jì)中給定的結(jié)構(gòu)模式為兩側(cè)4個(gè)支撐腿結(jié)構(gòu)，如圖3所示，結(jié)構(gòu)剛度及極限支點(diǎn)反力情況均不理想。在詳細(xì)設(shè)計(jì)中對該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化，由4支撐腿調(diào)整為8支撐腿，主要是考慮修井機(jī)支點(diǎn)反力的均衡，減小個(gè)別支點(diǎn)在極限井位和極限工況下出現(xiàn)超大值支點(diǎn)反力情況，但該結(jié)構(gòu)形式不能很好地滿足整機(jī)縱橫滑移的需要，會在一個(gè)方向上的滑移工作中出現(xiàn)卡阻問題。根據(jù)CB- B平臺修井機(jī)改造設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對秦皇島32- 6油田WHPG平臺的實(shí)際情況，又進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，將8個(gè)支撐腿的8組支點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)為4組支點(diǎn)，也即一組支點(diǎn)內(nèi)的2個(gè)支撐腿設(shè)計(jì)為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖3　基本設(shè)計(jì)中下底座總成及支撐腿設(shè)計(jì)形式（單側(cè)）

圖4　詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化后支撐腿及支點(diǎn)形式（單側(cè)）

2.3.2滑移結(jié)構(gòu)同步性

由圖4可以看出，該修井機(jī)下底座結(jié)構(gòu)由左右兩部分結(jié)構(gòu)通過銷軸連接在一起，共同構(gòu)成下底主體結(jié)構(gòu)，由于修井機(jī)整體需要在作業(yè)導(dǎo)軌上滑移，以實(shí)現(xiàn)與任一作業(yè)井口中心對中，由此產(chǎn)生一個(gè)問題，圖4所示的左右兩部分結(jié)構(gòu)在滑移過程中，會由于受力不均、變形、建造公差以及裝配誤差等各種不利因素而產(chǎn)生不同步問題，步進(jìn)機(jī)構(gòu)的液壓缸在推拉過程中只作用于同一側(cè)支腿結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵因素之一，此外，左右兩部分結(jié)構(gòu)底部沒有設(shè)計(jì)同步連接梁也是問題出現(xiàn)的另一個(gè)關(guān)鍵因素。據(jù)此，通過理論計(jì)算并分析后，設(shè)計(jì)出強(qiáng)度足夠的滑移同步連接梁（見圖4中滑移同步連接梁），將左右兩部分結(jié)構(gòu)在底部連接起來，不同步、卡阻、異響等問題都一并解決了。

2.4鉆臺外圍設(shè)備設(shè)施維修通道

由于修井機(jī)上下底座結(jié)構(gòu)形式的特殊設(shè)計(jì)，不能滿足鉆臺部分設(shè)備設(shè)施的維修工作條件，且設(shè)計(jì)中并未考慮相關(guān)設(shè)備設(shè)施的維修通道的設(shè)置，導(dǎo)致在鉆臺底座安裝的設(shè)備設(shè)施維修工作難度增大。如圖1所示，自下底座甲板面到鉆臺底面約5 m，自平臺頂甲板面算起則有近7.5 m的高度。并且，鉆臺底面配套安裝的設(shè)備設(shè)施多為舷外狀態(tài)，因此，造成海上現(xiàn)場安裝、維護(hù)等工作困難。

基本設(shè)計(jì)中，沒有充分考慮修井機(jī)自身所需要的維修作業(yè)通道及操作平臺。由于該平臺總體結(jié)構(gòu)形式的特殊性，其多個(gè)部位的設(shè)備安裝以及后期維修等的作業(yè)通道是不能通過正常的主體結(jié)構(gòu)來提供的，需要根據(jù)設(shè)備、管道配置的位置進(jìn)行特殊考慮，才能滿足相關(guān)要求。針對此種情況，在詳細(xì)設(shè)計(jì)中對多處部位的設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行了維修通道及維修操作平臺的優(yōu)化，使設(shè)備滿足了修井機(jī)后期安裝及維修、更換、檢查等作業(yè)的需要。

2.5井架前支架

根據(jù)秦皇島32- 6油田WHPG平臺井口布置情況，在基本設(shè)計(jì)階段確定的總體布置形式，使得井架總成放倒后的前支撐架結(jié)構(gòu)被設(shè)置在了平臺甲板面上，以確保修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如圖5所示。但由此帶來的問題是修井機(jī)在作業(yè)操作過程中的諸多不便。如按基本設(shè)計(jì)形式設(shè)置甲板支架，那么當(dāng)修井機(jī)需在支架位置及附近的井口上進(jìn)行修井作業(yè)時(shí)，由于甲板支架與修井機(jī)的妨礙，則需要搬移，搬移則需要吊機(jī)作業(yè)，而吊機(jī)處于甲板支架的另一端，不能滿足對支架的吊裝能力；當(dāng)修井機(jī)作業(yè)完成后，甲板支架又需要復(fù)位。因此，設(shè)計(jì)是不合理的，使得此種設(shè)計(jì)模式難以被接受。此外，這種形式也使平臺甲板增加了許多不必要的承載結(jié)構(gòu)，造成平臺整體重量的增加。

圖5　基本設(shè)計(jì)的井架甲板支架

為了消除上述問題，最大程度地簡化作業(yè)過程中不必要的以及繁重的操作，在詳細(xì)階段進(jìn)行了很大程度的優(yōu)化。經(jīng)對修井機(jī)上底座、下底座以及井架總成結(jié)構(gòu)形式的組合研究以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全的前提下，最終對總體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了如下優(yōu)化：其一，取消修井機(jī)井架甲板支架結(jié)構(gòu)（相應(yīng)的平臺結(jié)構(gòu)方面在甲板支架位置及避讓位置處的承載結(jié)構(gòu)也予以取消）；其二，簡化修井機(jī)使用操作程序；其三，將相應(yīng)的井架支架結(jié)構(gòu)設(shè)置在鉆臺結(jié)構(gòu)的前端，以滿足井架總成放倒操作的需要；其四，對鉆臺底座支撐腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的局部補(bǔ)強(qiáng)；其五，對支撐腳底部的滑移結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核與補(bǔ)強(qiáng)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的形式如圖6所示。該設(shè)計(jì)優(yōu)化成果經(jīng)海上現(xiàn)場實(shí)際檢驗(yàn)，強(qiáng)度及剛度符合結(jié)構(gòu)安全要求，結(jié)構(gòu)形式也完全符合修井機(jī)實(shí)際作業(yè)要求。

圖6　詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的井架甲板支架

2.6下底座總成結(jié)構(gòu)

根據(jù)該修井機(jī)作業(yè)平臺頂甲板設(shè)備及井口區(qū)的布置情況，該修井機(jī)下移動底座結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)有別于常規(guī)形式［6- 8］，常規(guī)多為“門式”桁架結(jié)構(gòu)，而該修井機(jī)下移動底座主體結(jié)構(gòu)形式為“口”字型，且設(shè)計(jì)為兩組對接形式，如圖1所示。此種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)會對配套設(shè)備安裝及操作產(chǎn)生一系列影響。如對BOP系統(tǒng)（防噴器組）的安裝及操作產(chǎn)生很大影響，以致不能符合安全生產(chǎn)要求：BOP移動空間不足；BOP關(guān)斷操作手柄安裝空間沒有考慮；BOP加長操作桿安裝與操作空間沒有留。造成這種情況的最主要原因是下底座整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)高度問題，下底座主體結(jié)構(gòu)位于不高不低的位置，恰好與BOP系統(tǒng)的安裝、移運(yùn)及操作空間產(chǎn)生干涉，如圖6所示。設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)將下底座高度根據(jù)BOP系統(tǒng)的使用要求設(shè)計(jì)低一些高一些，即可避免上述問題的出現(xiàn)。此種結(jié)構(gòu)形式的下底座在設(shè)計(jì)時(shí)需要引起足夠的注意，否則即使想在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段予以優(yōu)化，而最終進(jìn)入這個(gè)階段后也將難以實(shí)現(xiàn)。

3　優(yōu)化前后效果對比

根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的詳細(xì)設(shè)計(jì)成果建造的海洋修井機(jī)，在海上現(xiàn)場安裝應(yīng)用后的實(shí)用性、適用性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性與基本設(shè)計(jì)的對比如表1。

表1　基本設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化后比較

4　結(jié)束語

通過對該平臺海洋修井機(jī)在基本設(shè)計(jì)階段及詳細(xì)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)成果的全面性、有效性、符合性以及實(shí)用性的對比分析，建議類似結(jié)構(gòu)形式的海洋修井機(jī)的設(shè)計(jì)工作應(yīng)在以下幾個(gè)方面著重考慮并進(jìn)行優(yōu)化，以便使得基本設(shè)計(jì)成果更加有效，更加適合現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)要求。

（1）在滿足安全性及經(jīng)濟(jì)性要求的前提下，應(yīng)最大限度地考慮對修井機(jī)的可操作性要求。

（2）應(yīng)全面考慮所有配套安裝設(shè)備的安裝、操作、移動所需要的空間情況，并給予足夠的設(shè)計(jì)。

（3）應(yīng)充分考慮修井機(jī)所有配套設(shè)備設(shè)施在逃生、操作、維修、檢查等各工作環(huán)節(jié)中所需要的各類通道及作業(yè)平臺的設(shè)置，并充分保證其有效性與安全性。

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Design Optimization of HXJ180 Marine Workover Rig for WHPGOffshore Platform

GUAN Shuanghui1，2，WANG Xiaolei1，CHEN Jinwen1，DU Hanwen1，LIBaochun1
1. Mechanical Equipment Technology Service Center，CNOOC Energy Development and Equipment Technology Limited Company，Tianjin 300452，China
2. Schoolof Economics and Management，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China

Abstra ct：Because of the design form of wellhead distribution of WHPG offshore platform in CNOOC QHD32- 6 Oilfield，conventional workover rig can’t meet the operation requirement. The innovative overall structural design form of HXJ180 marine workover rig is determined in the basic design. But because there are more designs of detailed structure form being not conducive to the actual operation situation，this design is not optimal. After in- depth research in the detailed design phases，the articulated chain，cross- guide of platform，supporting legs and slip structure of lower seat，platform of equipment maintenance，channel and fore stent of derrick are more optimized for this type of workover rig. The design results meet the platform actual demand for the operation condition more than before. Those designs can be used as a reference for the marine workover rigs with the similar structure.

Keywords：offshore oilplatform；marine workover rig；basic design；detailed design；design optimization

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.006

作者簡介：

關(guān)雙會（1975-），男，黑龍江寧安人，高級工程師，1999年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，主要從事海洋鉆修井裝備研究。

Email：guanshh@cnooc.com.cn

收稿日期：2015- 08- 16；修回日期：2015- 12- 08