鉆井平臺(tái)增加井口輔助作業(yè)平臺(tái)可行性分析

楊秋榮，范白濤，宋林松

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452；

2.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部，河北燕郊065201）①

鉆井平臺(tái)增加井口輔助作業(yè)平臺(tái)可行性分析

楊秋榮1，范白濤1，宋林松2

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452；

2.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部，河北燕郊065201）①

為提升鉆井平臺(tái)作業(yè)效率，借鑒深水平臺(tái)一個(gè)半井架的作業(yè)理念，對(duì)渤海油田現(xiàn)有自升式鉆井平臺(tái)井架部分進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，增加井口輔助作業(yè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)離線作業(yè)功能。利用有限元分析方法，對(duì)改造后井架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核。分析結(jié)果表明：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠，穩(wěn)定性好，能夠滿足長(zhǎng)期安全工作的需要。

鉆井平臺(tái)；井口輔助作業(yè)平臺(tái)；離線作業(yè)；有限元分析

隨著渤海油田的開發(fā)，鉆井工作量和產(chǎn)量目標(biāo)逐年提高，對(duì)鉆井平臺(tái)作業(yè)效率的要求也越來(lái)越高。渤海油田所用自升式鉆井平臺(tái)均為傳統(tǒng)單井架，作業(yè)均在井口完成，沒(méi)有脫機(jī)作業(yè)能力。目前，深水鉆井平臺(tái)廣泛應(yīng)用雙井架和一個(gè)半井架的新型鉆機(jī)，在進(jìn)行正常鉆進(jìn)的同時(shí)，并行完成組裝、拆卸鉆柱以及下放隔水管柱、套管柱和下放、回收水下器具等脫機(jī)作業(yè)，鉆井時(shí)間可較常規(guī)鉆機(jī)節(jié)省21%～70%［1］。本文借鑒深水鉆井平臺(tái)一個(gè)半井架的作業(yè)理念，在現(xiàn)有自升式鉆井平臺(tái)上增加井口輔助作業(yè)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿、套管等的離線操作，減少接鉆具的時(shí)間，提高平臺(tái)作業(yè)效率［2］。

1 井口輔助作業(yè)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

由于鉆井平臺(tái)井口區(qū)域有限，為實(shí)現(xiàn)離線作業(yè)功能，設(shè)計(jì)了外掛的井口輔助作業(yè)平臺(tái)，并以渤海油田某在役自升式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)井架進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)。

1.1 井口輔助作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井口輔助作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，共分為2層。上層平臺(tái)與垂直爬梯連接，其上除開口處四周均設(shè)有護(hù)欄，平臺(tái)上設(shè)計(jì)有1號(hào)鼠洞和2號(hào)鼠洞孔。下層平臺(tái)與鉆臺(tái)無(wú)縫連接，1號(hào)鼠洞下層平臺(tái)至上層平臺(tái)間半開口設(shè)計(jì)，下端離自升式平臺(tái)上甲板有一定高度；2號(hào)鼠洞為全閉口設(shè)計(jì)，與1號(hào)鼠洞高度一致。井口輔助作業(yè)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的加工方式為切割與焊接，主要選材為GB713—2011標(biāo)準(zhǔn)中的E36船用結(jié)構(gòu)鋼。

圖1 井口輔助作業(yè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

1.2 井架改造方案

目標(biāo)井架基本參數(shù)：

對(duì)井架前側(cè)進(jìn)行矩形開口改造，開口高度為31.4 m，寬1.66 m。二層臺(tái)高度約25.5 m，每扇平面桁架分成為15個(gè)桁格。井架主體鋼材型號(hào)是JIS SS41（新增部分為EH36），井架改造前后模型如圖2。

1.3 新增配套設(shè)備方案

為使井口輔助作業(yè)平臺(tái)上接好的單根運(yùn)送到2個(gè)立根盒中間，在井架開口處安裝氣動(dòng)葫蘆與導(dǎo)軌。接好的立根可順著導(dǎo)軌運(yùn)送入井架內(nèi)由井架工進(jìn)行排放。導(dǎo)軌安裝高度為井架前端開口最高處，距離鉆臺(tái)面高度為31.4 m。氣動(dòng)葫蘆起升處距離鉆臺(tái)面高度為30 m。

圖2 井架改造前后模型對(duì)比

對(duì)靠近井口輔助平臺(tái)一側(cè)的指梁進(jìn)行改造，改變其固定位置從而改變立根的排放流程。新增滑軌與猴臺(tái)，立根接好后，由滑軌上的氣動(dòng)葫蘆吊起至新增猴臺(tái)與立根盒之間的位置，配合井架工完成立根的排放。新增猴臺(tái)為可翻折式的猴臺(tái)，當(dāng)井口輔助作業(yè)平臺(tái)和靠近船首的立根盒不需要工作時(shí)，猴臺(tái)翻起，不會(huì)影響平臺(tái)原有的工作流程。另需在導(dǎo)軌前端加裝定滑輪，配合氣動(dòng)絞車完成井口輔助作業(yè)平臺(tái)上鉆桿的連接。改造井架后鉆臺(tái)內(nèi)俯視圖如圖3所示。

圖3 改造井架后鉆臺(tái)內(nèi)俯視圖

2 井口輔助作業(yè)平臺(tái)工作原理

2.1 接立根流程

首先氣動(dòng)絞車抓取第1根鉆桿放入2號(hào)鼠洞內(nèi)，緊接著抓取第2根鉆桿放入1號(hào)鼠洞內(nèi)；之后氣動(dòng)葫蘆提起2號(hào)鼠洞中鉆桿，氣動(dòng)絞車抓取第3根鉆桿置于2號(hào)鼠洞中，氣動(dòng)葫蘆下放提起的鉆桿置于第3根鉆桿上方，由鐵鉆工或操作工輔助液壓大鉗完成2根鉆桿的連接。氣動(dòng)葫蘆提起連好的2根鉆桿置于1號(hào)鼠洞鉆桿上方，由鐵鉆工或操作工輔助液壓大鉗完成立根的連接。接好的立根沿導(dǎo)軌由1號(hào)鼠洞的半開口處運(yùn)出井口輔助作業(yè)平臺(tái)，進(jìn)入井架內(nèi)部由井架工排放入立根盒內(nèi)。

2.2 立根排放與取用順序

改造井架內(nèi)俯視圖如圖4，鉆井作業(yè)時(shí)將2號(hào)立根盒第7列與第8列空出，等待排放井口輔助作業(yè)平臺(tái)上接好的立根。當(dāng)鉆井深度超過(guò)3 000 m需要補(bǔ)充鉆桿時(shí)，開始離線接立根工作，接好的立根由滑軌運(yùn)送至2號(hào)立根盒對(duì)應(yīng)列位置，新增猴臺(tái)上的井架工配合地面井架工由第7列到第8列，按每一列由第8行到第1行的順序排放立根。當(dāng)2號(hào)立根盒中前6列立根盡數(shù)下放到井內(nèi)后，繼續(xù)下鉆時(shí)先取第7列中的立根，后取第8列中的立根。當(dāng)?shù)?列中的立根全部取出后，可利用第8列中立根的取用時(shí)間繼續(xù)向第7列中補(bǔ)充立根，當(dāng)?shù)?列中立根取盡后，下鉆即可使用第7列中的立根，依次類推，直到鉆進(jìn)工作完成。

圖4 改造井架內(nèi)俯視圖

3 改造后井架的有限元分析

根據(jù)目標(biāo)井架的具體尺寸參數(shù)，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立井架的有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，忽略二層臺(tái)、天車、游車系統(tǒng)以及各種設(shè)備所占空間大小，僅考慮井架和設(shè)備自重力。

3.1 靜力學(xué)分析

平臺(tái)井架所承受的靜載荷主要包括井架和各種設(shè)備自重力、最大鉤載、風(fēng)載荷以及立根載荷。其中：井架自重可通過(guò)有限元軟件直接導(dǎo)入；天車及游車系統(tǒng)自重力147 k N；二層臺(tái)自重力35.6 k N；立根重力7.85 k N；導(dǎo)軌伸出長(zhǎng)度5.2 m，氣動(dòng)葫蘆重力1.4 k N；新增小平臺(tái)自重力392 k N；新增滑軌、氣動(dòng)葫蘆、氣動(dòng)絞車、猴臺(tái)自重力19.6 k N。

僅考慮靜載荷，作業(yè)時(shí)大鉤載荷即為懸掛在大鉤上的立根重力。最大鉤載為鉆至最大井深時(shí)的大鉤載荷，計(jì)算公式為

式中：q為鉆桿單位重力，q＝0.284 4 k N／m；Lmax為名義最大鉆井深度，Lmax＝6 000 m。

計(jì)算得大鉤載荷Q＝1 706.4 k N，實(shí)際作業(yè)中應(yīng)考慮動(dòng)載系數(shù)，大鉤載荷Qmax＝1.2Q＝2 047.68 k N。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)將大鉤載荷以等效集中力形式分布在井架頂端的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上［3］。

風(fēng)載荷計(jì)算公式為

式中：A為構(gòu)件的迎風(fēng)面積，m2；vz為風(fēng)速，m／s；Ch為受風(fēng)桿件的高度系數(shù)；Cs為受風(fēng)桿件的形狀系數(shù)，Cs＝1.8。

立根載荷包括立根自重對(duì)井架產(chǎn)生的作用力（水平作用力）及立根所受風(fēng)載施加給井架的作用力，計(jì)算時(shí)將該載荷通過(guò)二層臺(tái)的指梁按水平方向作用到井架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。目標(biāo)鉆井井架內(nèi)部立根盒的容量為?127 mm（5英寸）鉆桿104柱。

立根自重對(duì)井架產(chǎn)生的水平作用力為

式中：l為立根的長(zhǎng)度，m；n為存放的立根總數(shù)；θ為立根與鉆臺(tái)面的傾斜角，（°）。

立根所受風(fēng)載荷［4］為

式中：p為風(fēng)壓，取414.6 Pa；n1為指梁上每排的立根數(shù)，n1＝15；d為立根的外徑，一般取接頭或接箍外徑，12.7 cm；Ch為高度系數(shù)，取1.05；Cs為形狀系數(shù)，取0.8。

考慮正常作業(yè)工況，最大風(fēng)速19.4 m／s，得到改造后井架的應(yīng)力與位移云圖，如圖5。由圖5可以看出：改造后的井架在正常作業(yè)工況下的最大應(yīng)力為118.2 MPa，小于材料的許用應(yīng)力；最大位移為31.14 mm，滿足井架長(zhǎng)期安全工作的需要。

圖5 改造后井架應(yīng)力與位移云圖

3.2 動(dòng)力學(xué)分析

為了確定改造后井架對(duì)不同類型動(dòng)載荷的響應(yīng)情況，需要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，以確定井架的振動(dòng)特性，并得出其固有頻率和振型［5］。本文采用Lanczos法對(duì)改造后井架進(jìn)行模態(tài)分析，提取前30階頻率和振型。計(jì)算分析得出井架固有頻率中低頻占主導(dǎo)地位，低階振型主要是井架整體的彎曲和扭轉(zhuǎn)，沒(méi)有明顯的局部剛度薄弱的部位；高階振型中局部桿件的彎曲和扭轉(zhuǎn)振型所占比例較大，主要以2根立柱及左右V形門承載為主。

鉆機(jī)在起下鉆時(shí)，吊環(huán)、吊卡以及頂驅(qū)之間存在著較大的間隙，當(dāng)絞車滾筒纏繞鋼絲繩時(shí)，頂驅(qū)承受沖擊性載荷。本文考慮井架在極端情況（即“猛提、猛剎”）下作業(yè)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，分析其在隨時(shí)間變化的外載荷作用下的瞬態(tài)動(dòng)力特性。設(shè)計(jì)加載時(shí)間為6 s，沖擊部位為井架頂部的4個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖6為井架大鉤在起升鉆桿時(shí)的載荷-時(shí)間曲線，并計(jì)算得出井架出現(xiàn)最大應(yīng)力值時(shí)的應(yīng)力與位移云圖，如圖7。

圖6 大鉤加載歷程曲線

圖7 最大應(yīng)力時(shí)應(yīng)力與位移云圖

由分析結(jié)果可知：井架在0.53 s時(shí)處于應(yīng)力最大狀態(tài)，最大應(yīng)力為137 MPa，發(fā)生在井架前扇的中間部位。整個(gè)過(guò)程中，井架的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，其強(qiáng)度性能滿足要求。

4 結(jié)論

1） 井口輔助作業(yè)平臺(tái)能夠在保證井口正常作業(yè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)離線接鉆桿、套管等作業(yè)，能有效縮短鉆井周期，提高平臺(tái)作業(yè)效率。

2） 對(duì)改造后井架進(jìn)行有限元分析的結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠，穩(wěn)定性好，能夠滿足長(zhǎng)期安全工作的需要。

3） 該方案適用于對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)鉆機(jī)的改造，也可應(yīng)用于新建鉆機(jī)井架部分的設(shè)計(jì)。

［1］ 方華燦.深水平臺(tái)用的石油裝備的新發(fā)展［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2010，25（1）：3.

［2］ 劉洋，段夢(mèng)蘭，范曉，等.導(dǎo)管架式鉆井平臺(tái)新增樁腿加掛井槽改造技術(shù)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，42（2）：65-70.

［3］ Keener C，Keji-A jayi I.Development modeling-matching rigs with programs［R］.SPE／IADC 92251-MS，2005.

［4］ 常玉連，劉玉泉.鉆機(jī)井架、底座的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：155-207.

［5］ 彭太鋒.井架結(jié)構(gòu)形式及其起升安裝方式探討.［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2010，32（4）：383-388.

Feasibility Analysis of Using Secondary Wellhead Platform in Drilling Platform

YANG Qiu-rong1，F(xiàn)AN Bai-tao1，SONG Lin-song2
（1.CNOOC Tianjin Ltd.，Tianjin 300452，China；2.Drilling Division of China Offshore Services Limited，Yanjiao 065201，China）

In order to enhance the efficiency of drilling platform，the derrick of jack-up drilling platform of Bohai in existence has been reconstructed and designed from consulted idea of one and a half derrick of deepwater platform.The derrick has been designed to add a secondary structure to realize operation out of wellhead.The structure strength of derrick has been checked using FEM analysis method.The analysis result indicated that the structure of this system is in reason and has good stability，and it can meet long period of drilling safely.

drilling platform；secondary wellhead platform；operation out of wellhead；FEM analysis

TE928

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.005

1001-3482（2014）07-0016-04

2014-03-10

中海石油（中國(guó)）有限公司科研項(xiàng)目“渤海油田提升鉆井效率系統(tǒng)優(yōu)化研究及其應(yīng)用”（YXKY-2010-TJ-04）

楊秋榮（1982-），女，山東梁山人，碩士，工程師，主要從事海上石油鉆完井技術(shù)研究，E-mail：yangqr＠cnooc.com.cn。