彭紹源++李任戈++胡哲++熊偉

摘 要：本文為推進深水鉆井裝備研發(fā)與技術進步，分析了現(xiàn)有深水鉆井井架應用環(huán)境、結構形式及各自特點，提出了深水鉆井井架選型原則以及設計計算的注意事項，對深水鉆井井架的方案設計與結構計算具有指導意義。

關鍵詞：深水鉆井平臺 一個半井架 雙井架 選型 計算

中圖分類號：TE923 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（b）-0067-02

海洋蘊藏了豐富的油氣資源，海上油氣開發(fā)，尤其是深水油氣開發(fā)受到各海洋大國的重視。目前，中國對國外能源的依存度已超過60%，油氣開發(fā)從內陸走向深水成為必然。海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)是當前國家重點培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006—2020年）把大型海洋工程技術與裝備列入制造業(yè)重點領域和優(yōu)先主題之一。

雖然，目前由于受到全球經(jīng)濟低迷等多種因素影響，油氣價格相對10年前大幅降低，整個油氣勘探、開發(fā)及裝備制造行業(yè)均受到嚴重影響，投資與生產(chǎn)均處于歷史低位，但是對于深水勘探和開發(fā)新技術，及其裝備制造新技術的研發(fā)從未停止。相反，深水裝備技術研發(fā)更加貼近工程實踐，或者更加可靠、智能，或者更加實用、經(jīng)濟。

在深水裝備領域，在“十三五”期間，既有“十二五”項目的延續(xù)，也有許多新的立項。井架作為深水鉆井裝備的重要部件，持續(xù)受到各生產(chǎn)廠商和科研院所的關注。

1 深水鉆井井架分類及選型

深水鉆井平臺目前主要形式有半潛式平臺和鉆井船。配套的井架按結構形式，主要有塔形井架、液壓缸鉆機A形井 架等結構，見圖1～圖4。按功能分類，又分為單井架、雙井架和一個半井架。

雙井架適合于單/雙井口作業(yè)，采用雙鉆井系統(tǒng)[1-2]，一套系統(tǒng)用于正常鉆井，另一套系統(tǒng)用于隔水管及水下防噴器作業(yè)，兩套系統(tǒng)交替使用，具有協(xié)同和并行作業(yè)的特點，可以簡化鉆井路線，提高鉆井效率。雙井架最早由Transocean公司申請了專利（專利號：US6068069），其專利有效地區(qū)包括美國、澳大利亞、新西蘭、日本、韓國、新加坡和挪威[1]，國外雙絞車、雙井架系統(tǒng)專利還包括US6217258B1等。國內廠家在雙井架研究方面做了一些有益的探索[3-4]，例如：寶雞石油機械有限責任公司申報了一種雙作業(yè)塔形井架實用新型專利（專利號：CN200820029813.3），中國石油天然氣集團公司等申報了一種陸地雙聯(lián)鉆機井架（專利號：CN201120120060.9）。

一個半井架與常規(guī)單井架相似，只有一套鉆井系統(tǒng)、一個作業(yè)井口，通常配備有隔水管移運機、防噴器移運及吊裝機（在月池，可利用此設備離線下放套管作業(yè)），井架內部配備兩套或兩套以上管柱處理系統(tǒng)，其中一套管柱處理系統(tǒng)用于離線作業(yè)（例如井架內部配置一套單根提升機、二層臺及井口機械手，配合井場折臂機、貓道輸送機等，在正常鉆進時，在鉆臺進行另一單根準備工作），降低鉆井過程中對接或拆卸管柱用輔助時間，其鉆井效率低于雙井架，但高于單井架。與雙井架相比，一個半井架配置相對較少，重量較輕，運營及維護成本也相對較低。一個半井架結構見圖5[5]。

雙井架和一個半井架都成為深水浮式鉆井平臺的主流配置。塔形雙井架由于其寬闊的井口空間、較強的整體穩(wěn)定性，在深水鉆井平臺上配置相對較多。

當深水鉆井平臺日租費用相對較低時，或者深水鉆井平臺有效工作時間相對較少，采用一個半井架或一個半井架的改進型，成本與收益會更合理，更加具有競爭性。

2 深水鉆井井架設計及計算

2.1 深水鉆井井架特點

（1）除了具備常規(guī)井架安放天車、安裝高壓泥漿管匯、懸掛游動系統(tǒng)、提升鉆柱等功能外，還需要充分考慮隔水管提升和下放作業(yè)、防噴器作業(yè)等。

（2）由于鉆井井架處在深水作業(yè)環(huán)境，通常作業(yè)水深400～3000m，需要承受颶風的直接作用，以及颶風、巨浪、海流引起平臺運動而帶來的動態(tài)載荷。

（3）由于新型深水鉆井井架通常采用四立根作業(yè)，配套升沉補償裝置、較多的自動化作業(yè)工具，因而井架高度高、橫截面尺寸大，以海洋石油981為例，橫截面尺寸約15.85m×14 m，高約64m，總重量約980t。

（4）深水鉆井井架遠離海岸，在維護保養(yǎng)方面，需具有較強的自適應能力或較大的冗余。

2.2 深水鉆井井架設計計算注意事項

深水鉆井井架的設計計算與陸上或淺海鉆井井架不同，需要充分考慮隔水管和水下防噴器的下放與回收，考慮復雜和惡劣的海上作業(yè)工況。由于深水作業(yè)設備失效帶來的風險更大，因而在井架設計與計算時，需要充分考慮以下因素[6-10]。

（1）在方案設計時，充分考慮作業(yè)的海況和作業(yè)的鉆井深度，綜合分析其可能遭遇的種種靜載荷、剎車載荷，以及鉆井平臺升沉運動所引起的動態(tài)載荷來確定井架最大鉤載。

（2）根據(jù)井架配套的平臺或鉆井船型、預期的作業(yè)海域、鉆井工作量，以及設備投資收益分析，確定井架的主要結構形式。并且，井架結構形狀的選擇及桿件布置要有利于減小風阻，有利于主載荷路徑上力的傳遞。

（3）在設計井架主體結構的同時，充分考慮井架各種附屬設備及鉆臺設備與工具的布置，預留安裝位置及支承結構，最大限度提高井架及井口作業(yè)效率。

（4）在井架方案確定之后，基本設計階段按照規(guī)范的要求及使用要求進行全工況計算。

（5）井架詳細設計完成后，對關鍵連接、重要焊縫等細節(jié)部位均進行校核計算。

（6）根據(jù)計算結果進行安全性評估。

（7）必要時，對結構進行改進或優(yōu)化設計。

3 結語

我國深水鉆井裝備的研制目前還處于起步階段，大型深水鉆井井架的完全自主研制與應用仍是空白。在進行深水鉆井井架的自主開發(fā)時，需進行仔細論證，敢于創(chuàng)新、敢于實踐。設計階段應打破先設計、后校核的傳統(tǒng)習慣，應采用先進的設計計算及試驗驗證手段，確保深水鉆井井架安全可靠、適用科學，進而實現(xiàn)深水鉆井井架的國產(chǎn)化。

參考文獻

[1] 楊軼普，肖文生，王凌寒.深水半潛式鉆井平臺井架經(jīng)濟性分析[J].中國海洋平臺，2008，23（6）：46-50.

[2] 孫寶江，曹式敬，李昊，等.深水鉆井技術裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油鉆探技術，2011，39（2）：8-13.

[3] 張勇.海洋鉆機井架技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油機械，2009，37（8）：92-95.

[4] 寶雞石油機械有限責任公司.雙作業(yè)塔形井架：中國，CN200820029813.3[P].2009-07-01.

[5] 林瑤生，晏紹枝，李浪清，等.“海洋石油981”深水鉆井平臺鉆井系統(tǒng)的優(yōu)化設計[J].中國造船，2013，54（a01）：29-35.

[6] 許亮斌，蔣世全，謝彬，等.深水鉆井平臺鉆機大鉤載荷計算方法[J].中國海上油氣，2009，21（5）：338-342.

[7] API Spec 4F.Specification for Drilling and Well Servicing Structures[S].2013.

[8] 任化斌，何軍國.水井鉆機井架及其焊接接頭設計計算和驗證[J].機械設計與研究，2017，33（2）：101-103.

[9] 任化斌，何軍國，周莉莉.石油鉆井和修井井架設計的安全性評估[J].河南科技，2017（3）：57-59.

[10] 尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2005.endprint