王曉雷

(中海油天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452)①

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小跨距海洋修井機(jī)穩(wěn)定性分析

王曉雷

(中海油天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452)①

摘要：海洋修井機(jī)受平臺(tái)結(jié)構(gòu)的限制，有些需要設(shè)計(jì)成小跨距結(jié)構(gòu)。小跨距修井機(jī)的穩(wěn)定性較差，必須更加重視抗傾覆能力計(jì)算。通過分析小跨距修井機(jī)的抗傾覆因素，提出提高修井機(jī)穩(wěn)定性的幾種方法。通過調(diào)整鉆臺(tái)面上設(shè)備的布局，特別是采用增加配重的方法，顯著提高了修井機(jī)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：修井機(jī)；小跨距；穩(wěn)定性

渤海許多老平臺(tái)修井機(jī)的提升能力有限，無法滿足大載荷措施井、調(diào)整井的作業(yè)要求，對(duì)修井機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造成為一種發(fā)展趨勢(shì)[1]。在修井機(jī)升級(jí)改造項(xiàng)目中，受平臺(tái)承重能力、主梁跨距、井槽分布等情況的限制，造成修井機(jī)的下底座跨距較小，邊緣井槽與修井機(jī)導(dǎo)軌距離過小，從而對(duì)修井機(jī)的穩(wěn)定性造成不利影響。

常規(guī)修井機(jī)的穩(wěn)定性計(jì)算是根據(jù)API Spec 4F進(jìn)行，由于風(fēng)載因素對(duì)穩(wěn)定性影響較大，一般只分析最大風(fēng)載工況，即井架直立狀態(tài)。小跨距修井機(jī)由于其特殊結(jié)構(gòu)，在不考慮外部因素(風(fēng)載)的工況下也容易出現(xiàn)失穩(wěn)情況，因此應(yīng)增加此工況下的穩(wěn)定性分析。本文針對(duì)渤海某平臺(tái)小跨距修井機(jī)出現(xiàn)的上底座失穩(wěn)情況，分析了影響修井機(jī)穩(wěn)定性的因素，提出幾種提高修井機(jī)穩(wěn)定性的方法。

1修井機(jī)的布置方式

海洋修井機(jī)的布置方式主要有2種類型。

1)平行布置。修井機(jī)的上移動(dòng)底座和下移動(dòng)底座的主梁方向一致，如圖1。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕。下底座主梁寬度與上底座主梁寬度一致，能夠覆蓋到離平臺(tái)邊緣比較近的井位。

缺點(diǎn)：下底座兩個(gè)支腿跨距較小時(shí)，極限井位的穩(wěn)定性較差。

圖1　平行布置的海洋修井機(jī)

2)垂直布置。修井機(jī)的上移動(dòng)底座和下移動(dòng)底座的主梁方向垂直，如圖2。

優(yōu)點(diǎn)：下底座縱橫滑移性能較好，能夠覆蓋多個(gè)井區(qū)。穩(wěn)定性較好，不同井位時(shí)，下底座支點(diǎn)受力相對(duì)均勻。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)尺寸大，質(zhì)量大。井槽距離平臺(tái)邊緣較近時(shí)，修井機(jī)就位難度大。部分井位坡道安裝可能會(huì)受到下底座連桿結(jié)構(gòu)影響。

圖2　垂直布置的海洋修井機(jī)

2小跨距修井機(jī)的穩(wěn)定性分析

2.1小跨距修井機(jī)的模型

以某平臺(tái)配置的HXJ158型修井機(jī)為例，其下底座導(dǎo)軌跨距7.5 m，平行布置。因油田開發(fā)需要，該平臺(tái)進(jìn)行外掛平臺(tái)改造，從而形成新、舊2個(gè)井區(qū)。為滿足2個(gè)井區(qū)的修井作業(yè)需要，對(duì)修井機(jī)進(jìn)行了升級(jí)改造。因受到平臺(tái)布局的限制，升級(jí)改造后，修井機(jī)采用平行布置方式，兩側(cè)甩鉆的安裝方式。

由于平臺(tái)導(dǎo)軌梁跨距只有7.5 m，極限井位距離導(dǎo)軌梁只有1.5 m(如圖3)，造成修井機(jī)在極限井位Ⅲ時(shí)結(jié)構(gòu)自重偏心較大(如圖4～5)，因此存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖3　小跨距修井機(jī)

圖4　極限井位工況上底座支腿翹起

2.2穩(wěn)定性分析[2]

修井機(jī)整體穩(wěn)定性，是指修井機(jī)抗傾覆能力和相對(duì)滑動(dòng)計(jì)算分析。穩(wěn)定性系數(shù)是衡量修井機(jī)安全性的重要指標(biāo)，它是指無繃?yán)K修井機(jī)在最大載荷工況下，設(shè)備自重(除井架外)與離井口最近的兩支腿連線產(chǎn)生的彎矩與最大起重質(zhì)量和井架的質(zhì)量與離井口最近的兩支腿連線轉(zhuǎn)動(dòng)的彎矩比[3]。海洋獨(dú)立式鉆井結(jié)構(gòu)的最低傾覆安全系數(shù)為1.50。

常規(guī)修井機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算僅對(duì)修井機(jī)最大受力工況進(jìn)行分析計(jì)算，即：修井機(jī)在無鉤載滿立根時(shí)承受47.8 m/s風(fēng)速，以及無鉤載無立根時(shí)承受55 m/s風(fēng)速[4]。小跨距修井機(jī)由于其特殊結(jié)構(gòu)，在極限井位時(shí)不考慮風(fēng)載的情況下，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)仍較大，因此，需要分析不考慮外部因素(風(fēng)載)工況下的穩(wěn)定性。

2.2.1修井機(jī)穩(wěn)定性分析

修井機(jī)穩(wěn)定性主要取決于自身結(jié)構(gòu)自重、重心分布和環(huán)境因素。由于修井機(jī)在極限井位Ⅲ的結(jié)構(gòu)重心偏重最嚴(yán)重，因此，只需對(duì)極限井位Ⅲ的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

以極限井位Ⅲ的井口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立右手坐標(biāo)系，如圖5～6。

圖5　極限井位坐標(biāo)

圖6　下底座位置(A、B、C、D表示下底座支點(diǎn))

通過計(jì)算，得出在極限井位時(shí)，修井機(jī)的重心如表1。通過對(duì)表1進(jìn)行分析，表明在極限井位Ⅲ，井架直立狀態(tài)時(shí)，修井機(jī)的整機(jī)重心位于修井機(jī)兩個(gè)支腿(A、B)之間，且距離修井機(jī)支點(diǎn)(B、C支腿)中心位置62 mm。在極限井位Ⅲ，井架放倒(水平)狀態(tài)時(shí)，修井機(jī)的整機(jī)重心在主梁C的北側(cè)，且距離修井機(jī)支點(diǎn)(B、C支腿)中心2 652.8 mm。

因此，可以得出如下結(jié)論：

1)在不考慮外部載荷的因素下，理論上修井機(jī)(井架直立狀態(tài))在極限井位Ⅲ時(shí)，是穩(wěn)定的。考慮到海洋實(shí)際環(huán)境因素，其穩(wěn)定性存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

2)在不考慮外部載荷的因素下，理論上修井機(jī)(井架放倒?fàn)顟B(tài))在極限井位Ⅲ時(shí)，是失穩(wěn)的。因此，應(yīng)嚴(yán)禁在此井位放倒井架。

2.2.2提高穩(wěn)定性措施

為提高小跨距修井機(jī)的穩(wěn)定性，提出幾種優(yōu)化措施：

1)優(yōu)化修井機(jī)鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)，減小鉆臺(tái)長(zhǎng)度。通過優(yōu)化設(shè)備布局、鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)，將鉆臺(tái)長(zhǎng)度由原設(shè)計(jì)的1 6000 mm優(yōu)化為15 500 mm，長(zhǎng)度縮短了500 mm。鉆臺(tái)長(zhǎng)度減小能夠有效減小傾覆力矩，但受限于鉆臺(tái)設(shè)備布置，能夠優(yōu)化的余地有限。

2)優(yōu)化鉆臺(tái)布局，盡量將設(shè)備擺放至立根盒一側(cè)。將液壓站位置向立根盒方向移動(dòng)(如圖7)。柴油機(jī)附近只保留一個(gè)燃油箱。優(yōu)化鉆臺(tái)設(shè)備布局能夠改善修井機(jī)受力情況，減小傾覆力，但考慮到設(shè)備使用性能，僅能對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。此方案僅能改善修井機(jī)穩(wěn)定性，但無法徹底消除穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。

圖7　鉆臺(tái)布局

3)增加配重。在下底座立根盒一側(cè)(存在上翹傾向)增加配重，設(shè)置1個(gè)1.6 m3的配重箱，配重箱內(nèi)填充7.85 t鐵砂(如圖3)。通過增加配重，平衡極限井位時(shí)的傾覆力。增加配重的質(zhì)量越大，修井機(jī)穩(wěn)定性的安全系數(shù)越大。此方案能夠有效解決修井機(jī)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)高的問題，可操作性強(qiáng)，易于實(shí)施。

但增加配重的方案在一定程度上導(dǎo)致修井機(jī)支點(diǎn)反力略有增加，因此需要按照優(yōu)化方案的支點(diǎn)反力校核平臺(tái)承重能力。對(duì)樁基承載能力有限的老平臺(tái)，應(yīng)調(diào)研該平臺(tái)的井深，校核修井機(jī)實(shí)際最大作業(yè)井深的支點(diǎn)反力。

2.2.3分析及結(jié)論

綜合分析3種優(yōu)化方案，對(duì)優(yōu)化前后修井機(jī)整機(jī)重心以及4個(gè)支腿的支反力[5]進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2～3。

表2　優(yōu)化前后的修井機(jī)重心位置

表3　優(yōu)化前后的修井機(jī)支腿反力

注：1)工況：自重力+0°操作風(fēng)(21.6 m/s)。

2)“-”表示受拉力。

通過表2～3的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出，優(yōu)化后，在極限井位Ⅲ，井架直立狀態(tài)時(shí)，修井機(jī)的整機(jī)重心由原來的-1.438 m變?yōu)?1.046 m。修井機(jī)重心位于修井機(jī)兩個(gè)支腿(A、B)之間，且距離修井機(jī)支點(diǎn)(B、C支腿)中心位置由62 mm變?yōu)?54 mm。如圖8。優(yōu)化后，A、D兩個(gè)支點(diǎn)由拉力變?yōu)閴毫?，修井機(jī)4個(gè)支點(diǎn)反力均為壓力，表明該工況下修井機(jī)穩(wěn)定，優(yōu)化方案取得明顯效果。特別是增加配重的方案對(duì)改善穩(wěn)定性的效果顯著。

圖8　優(yōu)化前后修井機(jī)重心對(duì)比

3結(jié)論

1)通過3種方案的優(yōu)化，小跨距海洋修井機(jī)的穩(wěn)定性顯著提高，解決了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題。

2)結(jié)合油田實(shí)際情況，合理增加配重的方案既考慮了平臺(tái)承重能力的要求，又顯著地改善了修井機(jī)失穩(wěn)的問題。為改善小跨距修井機(jī)的穩(wěn)定性提供了一種切實(shí)可行的方法。

3)在今后的小跨距修井機(jī)設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)更加重視穩(wěn)定性問題。應(yīng)在設(shè)計(jì)階段做好優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高修井機(jī)的穩(wěn)定性；在建造過程中應(yīng)重點(diǎn)做好結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量控制。

4)在設(shè)備使用說明書中應(yīng)對(duì)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行特別說明；在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)懸掛明顯的警示牌以及操作規(guī)程；在操作培訓(xùn)時(shí)應(yīng)對(duì)修井機(jī)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)以及相關(guān)特殊要求進(jìn)行重點(diǎn)培訓(xùn)。

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文章編號(hào)：1001-3482(2016)07-0060-04

收稿日期：①2016-01-12

作者簡(jiǎn)介：王曉雷(1979-)，男，山東青島人，工程師，2003年畢業(yè)于青島科技大學(xué)，現(xiàn)從事海洋鉆/修井機(jī)、海洋鉆采設(shè)備設(shè)計(jì)及技術(shù)研究工作，E-mail：wangxl22@cnooc.com.cn 。

中圖分類號(hào)：TE952

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.013

Small Span Ocean Workover Rig Stability Analysis

WANG Xiaolei

(BohaiOilResearchInstitute，TianjinBranchofCNOOCLtd.，Tianjin300452，China)

Abstract：Restricted by the structure of the platform，ocean workover rig sometimes need to be designed into small span structure.The stability of small span of workover rig is poorer，and more attention must be paid to anti-overturning calculation.Through the analysis of anti overturning factors on small span of workover rig，several methods for improving the stability of the workover rig are proposed.The stability of workover rig can be improved significantly by adjusting the equipment position on the drilling platform，especially by increasing the counterweight.

Keywords：workover rig；small span；stability