海上平臺組裝式修井裝置的設計與計算

蓋永革，古青海，江正清

（1.中國石油大學（華東），山東 青島266555；2.中石化勝利石油工程有限公司a.井下作業公司；b.鉆井工藝研究院，山東 東營257000）①

修井作業是提高原油采收率的重要措施。目前，可供海上油田選擇的修井設施主要包括平臺模塊鉆機，即1個平臺需鉆較多的開發井時，選擇平臺模塊鉆機完成鉆完井工作，后期作為該油田修井設施等［1］。綜合考慮投資成本，海上部分采油平臺不適合安裝固定的修井設備，修井作業主要依靠鉆井船重新就位或專用工作船來完成。目前，移動式修井設施的生產任務繁重，無法滿足海上修井作業的需求，許多油井不能及時進行修井作業，影響了淺海油田的石油開發，而且移動式修井設施的作業成本較高。目前，僅渤海海域就建有13座無修井機采油平臺，所以研制簡易、輕型、模塊化、修井作業成本低的海上組裝式修井裝置是非常必要的。

1 海上修井裝置的發展趨勢

在國內，海洋修井機經過近20a的發展，已初步形成系列化，功能上基本能滿足海洋油田的需求。為適應不同海域環境、不同平臺類型、不同作業方式以及特殊作業的需要，我國海洋修井機目前呈現出多元化的發展趨勢，例如可搬遷式、小模塊化海洋修井機和海洋模塊鉆機等［2］。近年研制成功了多功能海洋3 000m鉆修機，標志著我國海洋石油鉆采裝備研制能力取得重大進展，該鉆修井機集鉆井、完井、修井3項功能于一體，適用于自升式、自航式海洋多功能鉆井船作業。在結構設計上，全部實現模塊化和高移運性，可滿足海上作業現場頻繁拆卸、移運和安裝的需要，能大幅提高海洋油氣勘探開發的工作效率。

通過引進、國產化、再創新，目前我國海上采油平臺已普遍裝備了國產海洋鉆修井機，但在整機的設計水平、防腐工藝水平、產品質量控制和管理水平、廠家提供的隨機技術資料等方面與國外海洋鉆修機相比仍存在一定差距［3］，在針對不同平臺類型、特殊要求而研制的鉆修機與國外存在較大差距，例如國外已針對單井或無承載能力采油平臺開發出液壓簡易修井裝置（如圖1），國內尚未見類式修井裝置研制的相關報道。

圖1 國外的海上簡易修井裝置

鉆修井設備的安全性、穩定性、運移性以及設計上的統一性等影響著石油工業相關工程的安全與穩定性，同時也決定著工程的成本投入水平。因此，設備更加安全可靠，壽命較長，性能更優；更趨機械化、自動化、智能化，設備的高效節能特性更為突出；能夠滿足不同環境條件之下的作業需求等是未來鉆修井設備發展的主要方向［5］。

2 海上組裝式修井裝置總體方案

2.1 技術要求

設計的海上組裝式修井裝置符合石油鉆機和修井機標準 GB／T 23505—2009、API相關標準及中國海洋石油總公司企業標準Q／HS 2007。采用模塊化設計，自升式井架，模塊質量小于5t。裝置作業時采油平臺僅承受修井裝置的自重力，管柱與提拔載荷可分配到井口上。

主要技術參數［6－7］：

名義小修井深（2″外加厚油管）4 000m

名義大修井深（2″鉆桿）3 200m

額定鉤載 600kN

最大鉤載 900kN

絞車功率 275kW

井架高度 30m（22m）

二層臺安裝高度單根（雙根）8.5m（16.5m）

有效繩數 6根

鋼絲繩直徑 26mm

大鉤最大起升速度 1.2m／s

整機總質量 50t

2.2 總體結構方案

根據整體要求和主要技術參數，通過技術調研和分析研究，確定了總體結構方案，如圖2。包括縱橫向移動工作臺、自升式井架、電機直驅絞車、電機直驅鉆盤、天車臺、游動系統、司鉆控制房及井口連接組件等。

圖2 海上組裝式修井裝置結構方案

特點：

1） 通過液壓驅動使底座橫向及縱向移動，可進行叢式井作業。

2） 采油平臺僅承受海上簡易修井裝置的自重力，作業過程中的起升重力和作業管柱的重力由井口承擔。

3） 井架為自升式結構，利用梯形基礎座的油缸進行井架的起升操作。井架分段、分片制造，便于運輸，節約運輸成本，且安裝簡便、起升平穩、工作可靠。

4） 工作臺移動、井架起升、井口承載控制等均采用液壓技術，充分發揮液壓驅動的優勢。在液壓件的選用、液壓系統和閥板的設計上均以高可靠性和節能為原則，減小裝機功率。考慮液壓系統工作的非同時性，可采用統一的液壓泵站，提高設備的利用率。

5） 絞車、轉盤采用低速大扭矩交流電機直接驅動，較少了傳動環節，效率高、維修方便，控制方便。

6） 游車、天車等均采用相關標準規定的通用件，性能可靠。

7） 操作室采用側掛室安裝，減小工作臺的面積。控制方式采用集中控制及遠程氣控操作相結合的方案。

8） 井架設計有4個繃繩點，可根據現場實際情況確定是否安裝繃繩。

9） 整機結構為模塊化設計，模塊質量均小于5t，適用于采油平臺小型吊車安裝的需要。

3 關鍵部件結構

3.1 橫縱向移動式工作臺

橫縱向移動式工作臺由橫向工作臺、橫向移動導軌、橫向支腿、縱向工作臺、縱向移動導軌、支撐油缸等組成，結構方案如圖3。

圖3 橫縱向移動式工作臺結構方案

3.1.1 技術特點

1） 橫縱向移動式工作臺由6個油缸支撐，每個支撐油缸下部連接4個滾輪，通過驅動機構可使修井機整體沿軌道移動，以對準待修井井口。每組滾輪設置軌道制動器，可使鉆臺與軌道相互固定。

2） 支撐油缸活塞伸出，可使工作臺整體上升。在整體沿著軌道前后移動過程中其下端的重力傳遞短節不與井口法蘭發生干涉碰撞。對準井眼后，油缸活塞縮回，使工作臺整體下移，接近井口法蘭時停止下移，并微調井口重力傳遞短節下部的法蘭，使螺栓孔對準，穿上法蘭螺栓；進一步下放鉆臺，使井口連接短節法蘭與井口法蘭接觸，再固定法蘭螺栓。

3） 6個支撐油缸采用同步控制回路和穩壓控制回路：同步回路確保工作臺起落時6個支撐油缸伸縮同步平穩；穩壓控制回路則用于分配載荷，即支撐油缸以承擔修井機自重力為主，起升過程的其余重力由井口參與負擔。具體原理是：隨著鉤載的上升，支撐油缸內的油壓隨之上升，達到設定數值后，穩壓回路起作用，排出少量油液從而維持缸內油壓不變（即承載力不再增加）。通過與工作臺固連的重力傳遞短節必然將多出的載荷轉移到井口上，這樣做的目的在于控制采油平臺自身承受的載荷，不至于過載。

4） 移動工作臺采用單元構件設計，每個單元構件質量不超過5t，以利于在采油平臺上安裝。轉盤及重力傳替短節安裝于橫向工作臺上。

3.1.2 主要技術參數

油缸支撐力根據作業平臺的允許承受載荷設定

縱向工作臺長寬尺寸 9 600mm×8 980mm

橫向工作臺長寬尺寸 9 600mm×6 000mm

工作臺平均移動速度 0.3m／min

驅動液缸最大理論推力 800（200×4）kN

3.2 自升式井架

自升式井架由天車臺、頂部井架單元、中間井架單元、提升基礎架、二層臺組成，結構方案如圖4。

3.2.1 技術特點

井架整體為龍門架結構，各井架單元為矩形桁架結構，提升基礎架為梯形結構，提升基礎架與縱向工作臺通過銷軸連接。用吊車依次將各井架單元送入提升基礎架內，進行自提升安裝。底部井架單元固定在提升基礎架內與縱向工作臺通過銷軸連接。各井架單元之間通過銷軸連接，根據自升式井架高度需要，中間井架單元可以為一組或多組。天車通過螺栓或銷軸與頂部井架單元上端連接，二層臺根據安裝高度的需要通過螺栓或銷軸與中間井架單元連接。

圖4 自升式井架結構方案

3.2.2 主要技術參數

大鉤最大載荷（3×4輪系、無風載、無立根）900kN

井架工作高度（由鉆臺面至天車梁下面）30m

頂部開襠（正面）2.0m

底部開襠（正面）3.0m

二層臺安裝高度單根（雙根 ）8.5m（16.5m）

立根容量（3.5in鉆桿10m單根／20m雙根）1 200m／2 400m

井架允許風力

①保全設備（鉤載為零 二層臺無立根）47.8m／s

②等候天氣（鉤載為零 二層臺站滿立根）36m／s

③起放井架 8.3m／s

配套天車型號 TC－90

井架起升液壓油缸額定載荷 240kN

井架各單元尺寸與質量

首節井架尺寸1 500mm×1 000mm×6 000mm，質量1 890kg

中間井架尺寸1 500mm×1 000mm×4 000mm，質量1 450kg

提升基礎架尺寸6 500mm×2 020mm×5 900mm，質量2 500kg

3.3 絞車

絞車采用交流變頻電驅動技術，依據SY／T5532—2010《石油鉆機絞車》技術規范設計。JC18／P型絞車由1臺交流變頻電機、單邊液壓盤式剎車裝置、絞車滾筒、集成式自動送鉆與應急裝置、底座等部件組成，如圖5。

圖5 電機直驅單軸絞車結構

3.4 轉盤

依據SY5080—2004，《石油鉆機和修井機用轉盤》標準設計ZP100型轉盤。采用交流變頻電機直接驅動，結構如圖6。

圖6 ZP100型交流驅動轉盤結構

4 井架強度校核

4.1 載荷工況

根據API Spec 4F標準，修井機井架設計計算應遵循以下工況。

1） 有繃繩、前面來風（風速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

2） 有繃繩、前面來風（風速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

3） 有繃繩、側面來風（風速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

4） 有繃繩、側面來風（風速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

5） 無繃繩、前面來風（風速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

6） 無繃繩、前面來風（風速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

7） 無繃繩、側面來風（風速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

8） 無繃繩、側面來風（風速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

4.2 計算結果

采用ANSYS有限元分析軟件建立井架模型，施加載荷并計算［8］，結果如表1～2。該井架滿足API規定的安全系數要求。

表1 有繃繩時井架的計算結果

表2 無繃繩時井架的計算結果

4 結論

1） 海上組裝式修井裝置設計有橫縱向移動式工作臺，滿足叢式井組的作業需要。自升式井架為龍門架結構，各井架單元采用矩形桁架結構，用吊車依次將每個井架單元送入安裝在底座上的提升基礎架內，進行自提升安裝，占用平臺面積小，適應天氣能力強。各部分均采用模塊化設計，最大模塊質量5t，運輸、吊裝方便，滿足采油平臺小型吊裝的要求。可根據采油平臺的承載能力設定修井裝置作用在采油平臺的最大載荷。

2） 有限元計算分析表明該修井裝置滿足API規定的安全系數要求。

3） 本文的研究成果為下一步研制海上組裝式修井裝置奠定了基礎。

［1］符 翔，李玉光.海上油田修井設施方案選擇［J］.石油機械，2007 ，35（2）：61－63.

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［4］李士斌，王傳平.海洋小平臺修井機井架設計［J］.石油礦場機械，2008，37（12）：80－82.

［5］劉春生.關于石油鉆井作業中鉆修井機械設備發展問題的探究［J］.裝備制造技術，2011（11）：95－96.

［6］GB／T 23505—2009，石油鉆機和修井機［S］.

［7］GB／T 25428—2010，鉆井和采油設備 鉆井和修井井架、底座［S］.

［8］何 下，劉清友.基于Pro／E的海洋修井機井架靜態設計［J］.石油礦場機械，2003，32（6）：34－36.