魏 海，楊 光，賈東輝

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300459)

0 引 言

隨著我國(guó)海洋油氣勘探開發(fā)力度增加，油田調(diào)整、改造、大修等作業(yè)量持續(xù)攀升。海洋修井機(jī)作為海洋平臺(tái)修井和井下作業(yè)施工的關(guān)鍵設(shè)備，在提高采油速率、采收率以及改善油井作業(yè)條件、油/水井技術(shù)狀況方面貢獻(xiàn)突出。海洋修井機(jī)具備自重大、作業(yè)效率高、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)和功能往往比陸上傳統(tǒng)修井機(jī)更復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)日常巡檢和隱患排查工作量大，故障處理和解決也需要綜合考慮分析多方面的影響因素。

趙耕[1]提到做好修井設(shè)備的維修養(yǎng)護(hù)是石油企業(yè)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，系統(tǒng)闡述設(shè)備組成和維修重要性，并對(duì)故障類別和檢修措施進(jìn)行詳細(xì)的描述。羅福慶[2]對(duì)修井作業(yè)過程中的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)措施進(jìn)行總結(jié)，旨在延長(zhǎng)修井機(jī)的使用壽命、提高作業(yè)效率。趙暕等[3]對(duì)海洋鉆修機(jī)常見滑軌表面損傷進(jìn)行研究，提出滑移裝置優(yōu)化方案。上述對(duì)鉆修設(shè)備常規(guī)維護(hù)保養(yǎng)和修復(fù)的研究未涉及井口鉆具對(duì)中的調(diào)整和處理方案的論述，需要結(jié)合平臺(tái)組塊及修井機(jī)等的原始設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)調(diào)研數(shù)據(jù)等內(nèi)容，尋求有針對(duì)性的處理解決措施。

1 修井機(jī)模塊主要參數(shù)

某海洋石油平臺(tái)為4腿井口平臺(tái)，平臺(tái)位置水深為16.8 m，上部組塊設(shè)置上層甲板、中層甲板、下層甲板、帶纜層甲板，上層甲板布置修井機(jī)模塊和1臺(tái)起重機(jī)。修井機(jī)(見圖1)安裝在平臺(tái)上甲板南北走向與主梁焊接的滑軌上，上甲板標(biāo)高為(+)29.0 m，上甲板尺寸為35.5 m×25.0 m。修井機(jī)型號(hào)為HZJ315型，交流變頻驅(qū)動(dòng)，最大鉤載為3 150 kN，有效高度為46.0 m，井架質(zhì)量為116 065 kg。

圖1 修井機(jī)總體示例

2 故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

在某次修井作業(yè)前檢查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)修井機(jī)滑移至某作業(yè)井位后，緩慢提升游車大鉤至井架二層臺(tái)，此時(shí)游車距二層臺(tái)最小距離僅33 cm，遠(yuǎn)小于規(guī)定的安全距離(95 cm)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員采取游車吊裝鉆具方式，在自然下垂?fàn)顟B(tài)下測(cè)量鉆具與轉(zhuǎn)盤中心距離偏差，測(cè)量數(shù)值為30 cm，已遠(yuǎn)超出設(shè)備制造商推薦值和標(biāo)準(zhǔn)要求的2 cm。對(duì)井架調(diào)整墊片厚度等進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)調(diào)整墊片已達(dá)最大允許調(diào)整厚度，無法通過常規(guī)的井架墊片調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)井口鉆具對(duì)中?，F(xiàn)場(chǎng)初步檢查發(fā)現(xiàn)下底座滑軌存在部分變形的情況，目視檢查梁柱結(jié)構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)漆皮脫落、鼓泡、裂紋等異常情況。因鉆具偏離井口的數(shù)據(jù)已遠(yuǎn)超過限值且發(fā)現(xiàn)滑軌變形等情況，修井機(jī)已不能滿足作業(yè)的安全要求和能力。

2.2 原因分析

2.2.1 修井機(jī)不合理操

作業(yè)者對(duì)設(shè)備性能不熟悉、不良的操作習(xí)慣、井下異常作業(yè)情況等都可能造成修井機(jī)超負(fù)荷最終引起井架主體結(jié)構(gòu)輕微變形，造成鉆具與轉(zhuǎn)盤中心不對(duì)中。

2.2.2 修井機(jī)對(duì)中調(diào)整功能缺失

修井機(jī)長(zhǎng)期處于海洋潮濕環(huán)境，并且隨著使用頻率的增加，修井機(jī)井架底座墊片可能會(huì)逐漸腐蝕或者承受井架下壓的力量導(dǎo)致?lián)p壞，從而導(dǎo)致鉆具不對(duì)中。

2.2.3 修井機(jī)滑軌及承載結(jié)構(gòu)變形

修井機(jī)上下滑軌可能存在安裝質(zhì)量問題或在初始安裝時(shí)受滑軌平直度、焊接質(zhì)量等因素影響產(chǎn)生高度差，在長(zhǎng)期使用過程中，受長(zhǎng)期受力不均等因素影響，偏差持續(xù)增大，導(dǎo)致滑軌產(chǎn)生變形。同時(shí)，也有可能是滑軌基座的承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化產(chǎn)生塑性變形。

2.2.4 組塊整體沉降

海上石油平臺(tái)受其基礎(chǔ)地質(zhì)條件的影響，在靜荷載和動(dòng)荷載等外力作用下可能發(fā)生沉降。同時(shí)，平臺(tái)更新改造、增加結(jié)構(gòu)或更換設(shè)備會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)質(zhì)量增加和質(zhì)量分布變化，有可能影響各樁基的下沉幅度。對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)資料和歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)總體偏移量較小，但仍會(huì)對(duì)修井機(jī)的對(duì)中產(chǎn)生影響。因此，不能排除組塊整體沉降的影響。

3 分析評(píng)估與治理

3.1 數(shù)據(jù)信息采集

為準(zhǔn)確分析井口鉆具對(duì)中偏差產(chǎn)生的原因，分別對(duì)修井機(jī)的安裝原始數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、滑軌和各層甲板的水平度等進(jìn)行重新梳理和檢查：(1)對(duì)以往各項(xiàng)油井作業(yè)項(xiàng)目、打井深度和工況的原始作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排查，未見超負(fù)荷使用情況，基本排除超載運(yùn)行造成井架、滑軌變形的可能性；(2)重新檢查梳理修井機(jī)建造完畢后安裝時(shí)的稱重?cái)?shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)結(jié)果無明顯差異；復(fù)查確認(rèn)井架E1和E3腿均存在18～20 mm的調(diào)整墊板，狀態(tài)完好，說明在出廠或者初期安裝調(diào)試井架調(diào)整對(duì)中時(shí)，鉆修機(jī)2條下滑軌存在水平高度差，調(diào)整后可滿足水平要求，也在合理的調(diào)校范圍內(nèi)。

對(duì)上部組塊、導(dǎo)軌的場(chǎng)地安裝檢測(cè)報(bào)告及導(dǎo)管架過渡段跨距檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行復(fù)查，數(shù)據(jù)基本滿足要求。在對(duì)工程階段施工作業(yè)的信息收集過程中了解到平臺(tái)曾在打樁過程中受地質(zhì)影響出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象，因此不能完全排除平臺(tái)組塊安裝后受海洋基礎(chǔ)地質(zhì)條件等因素的影響，樁腿出現(xiàn)不均勻沉降從而導(dǎo)致滑軌產(chǎn)生高程差。

對(duì)修井機(jī)下滑軌和平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的水平度進(jìn)行測(cè)量，平臺(tái)下滑軌和各層甲板的水平度最大高差的數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本吻合，都在B1樁腿處存在水平偏移現(xiàn)象。通過數(shù)據(jù)分析，初步判定平臺(tái)結(jié)構(gòu)存在變形現(xiàn)象，進(jìn)而影響修井機(jī)的鉆具對(duì)中。

3.1.1 修井機(jī)下底座滑軌檢測(cè)

對(duì)修井機(jī)位于不同井位的下底座軌道各檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)修井機(jī)下底座滑軌不在同一水平面上，兩側(cè)滑軌沿長(zhǎng)度方向均向8號(hào)點(diǎn)方向傾斜，最大高差為28.50 mm，同時(shí)MCC側(cè)滑軌比泥漿罐側(cè)滑軌高，平行方向最大高差為15.10 mm。修井機(jī)不同井位測(cè)量點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 修井機(jī)不同井位測(cè)量點(diǎn)分布示例

3.1.2 平臺(tái)各層甲板水平度檢測(cè)

選取該平臺(tái)上層甲板、中層甲板、下層甲板和帶纜走道層的4個(gè)樁腿中心位置進(jìn)行相對(duì)高度的測(cè)量，每層均選取B1樁腿的位置為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 平臺(tái)樁腿各層檢測(cè)點(diǎn)平面布置

平臺(tái)上、中、下等3層甲板均向B1樁腿甲板測(cè)點(diǎn)方向傾斜，平臺(tái)上層4個(gè)樁腿甲板測(cè)點(diǎn)之間的最大高差為36.30 mm，平臺(tái)中層4個(gè)樁腿甲板測(cè)點(diǎn)之間的最大高差為54.10 mm，平臺(tái)下層4 個(gè)樁腿甲板測(cè)點(diǎn)之間的最大高差為47.10 mm。平臺(tái)帶纜層圓柱形支撐向B2-B1樁腿方向傾斜，帶纜層4個(gè)樁腿與圓柱形支撐交接處測(cè)點(diǎn)之間的最大高差為129.40 mm。平臺(tái)各層甲板水平度檢測(cè)數(shù)據(jù)分別如表1～表4所示。

表1 平臺(tái)上層甲板樁腿檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程及高差

表2 平臺(tái)中層甲板樁腿檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程及高差

表3 平臺(tái)下層甲板樁腿檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程及高差

表4 平臺(tái)帶纜層樁腿與圓支撐交接處檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程及高差

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和評(píng)估

3.2.1 導(dǎo)管架承載能力分析

結(jié)合設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)據(jù)，樁基承載力安全因數(shù)有較大裕量，如表5所示。綜合分析認(rèn)為當(dāng)前導(dǎo)管架的水平度仍在可接受范圍內(nèi)，且樁基承載力安全因數(shù)較大，目前可不需要對(duì)導(dǎo)管架承載能力進(jìn)行評(píng)估。

表5 樁基承載力安全因數(shù)

3.2.2 水平度超標(biāo)狀態(tài)下上部組塊強(qiáng)度分析

平臺(tái)安裝剛完成時(shí)的初始測(cè)量數(shù)據(jù)缺失，無法與現(xiàn)有實(shí)測(cè)水平度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以明確上部組塊和導(dǎo)管架水平度的變化情況。上部組塊安裝規(guī)格書對(duì)上部組塊水平度的要求為每層甲板水平面任意位置高差不能超過13.00 mm，顯然實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已超出安裝規(guī)格書要求。因此，需要進(jìn)行進(jìn)一步分析以評(píng)估其對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[4]。由于造成上部組塊水平度出現(xiàn)較大差異的真實(shí)原因未知，僅憑上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)無法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完備的評(píng)估，鑒于未在上部組塊觀察到結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形和屈曲失效，假設(shè)甲板水平度發(fā)生的變化不是由上部組塊主結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的，在水平度變化原因不明的情況下，采用原結(jié)構(gòu)分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Structural Analysis Computer System,SACS)計(jì)算模型，在原荷載組合基礎(chǔ)上，假設(shè)B1樁腿發(fā)生下沉，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。根據(jù)實(shí)測(cè)值，上部組塊上、中、下層甲板中最大高差發(fā)生在中層甲板，因此選取54.10 mm(表2中A2樁腿相對(duì)B1樁腿)作為沉降量進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型如圖4所示。

圖4 強(qiáng)制位移加載

采用SACS Combine程序?qū)ι喜拷M塊桿件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行校核，所有結(jié)果均滿足規(guī)范要求。典型應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 ROW A高應(yīng)力桿件分布

3.3 治 理

強(qiáng)度校核評(píng)估結(jié)果顯示導(dǎo)管架的承載力以及上部組塊的桿件和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，在此情況下為盡快恢復(fù)修井機(jī)的功能，對(duì)滑軌進(jìn)行整體更換，重新調(diào)平。新滑軌的制作材料和工藝要求應(yīng)不低于原設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)測(cè)量的高度差重新設(shè)計(jì)T型滑道高度，以滿足滑軌高差要求。通過對(duì)調(diào)整井架支腿墊板的高度進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到技術(shù)規(guī)范水平，從而解決鉆具不對(duì)中的問題。在更換滑軌后，經(jīng)過測(cè)試確認(rèn)其滿足修井作業(yè)的要求。

4 結(jié) 論

因平臺(tái)上部組塊水平度超標(biāo)以及修井機(jī)下滑軌存在變形而影響修井機(jī)鉆具對(duì)中的問題在海洋平臺(tái)鉆修機(jī)的實(shí)際使用過程中較少。針對(duì)鉆具與轉(zhuǎn)盤中心對(duì)中偏差超限值問題進(jìn)行理論分析，通過數(shù)據(jù)強(qiáng)度校核確認(rèn)導(dǎo)管架的承載力、上部組塊的桿件和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度均滿足規(guī)范，并提出對(duì)滑軌進(jìn)行整體更換及重新調(diào)平的方案，經(jīng)過測(cè)試確認(rèn)滿足修井作業(yè)的要求。針對(duì)鉆具與轉(zhuǎn)盤中心對(duì)中偏差超限值具體問題給出有針對(duì)性的分析解決方法，為提升修井機(jī)安全作業(yè)提供技術(shù)保障。