鉆井平臺增加井口輔助作業平臺可行性分析

楊秋榮，范白濤，宋林松

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；

2.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部，河北燕郊065201）①

鉆井平臺增加井口輔助作業平臺可行性分析

楊秋榮1，范白濤1，宋林松2

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；

2.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部，河北燕郊065201）①

為提升鉆井平臺作業效率，借鑒深水平臺一個半井架的作業理念，對渤海油田現有自升式鉆井平臺井架部分進行改造設計，增加井口輔助作業平臺，實現離線作業功能。利用有限元分析方法，對改造后井架的結構強度進行了校核。分析結果表明：系統結構可靠，穩定性好，能夠滿足長期安全工作的需要。

鉆井平臺；井口輔助作業平臺；離線作業；有限元分析

隨著渤海油田的開發，鉆井工作量和產量目標逐年提高，對鉆井平臺作業效率的要求也越來越高。渤海油田所用自升式鉆井平臺均為傳統單井架，作業均在井口完成，沒有脫機作業能力。目前，深水鉆井平臺廣泛應用雙井架和一個半井架的新型鉆機，在進行正常鉆進的同時，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作業，鉆井時間可較常規鉆機節省21%～70%［1］。本文借鑒深水鉆井平臺一個半井架的作業理念，在現有自升式鉆井平臺上增加井口輔助作業平臺，從而實現鉆桿、套管等的離線操作，減少接鉆具的時間，提高平臺作業效率［2］。

1 井口輔助作業平臺方案設計

由于鉆井平臺井口區域有限，為實現離線作業功能，設計了外掛的井口輔助作業平臺，并以渤海油田某在役自升式鉆井平臺為例，對井架進行了改造設計。

1.1 井口輔助作業平臺結構設計

井口輔助作業平臺結構如圖1所示，共分為2層。上層平臺與垂直爬梯連接，其上除開口處四周均設有護欄，平臺上設計有1號鼠洞和2號鼠洞孔。下層平臺與鉆臺無縫連接，1號鼠洞下層平臺至上層平臺間半開口設計，下端離自升式平臺上甲板有一定高度；2號鼠洞為全閉口設計，與1號鼠洞高度一致。井口輔助作業平臺主體結構的加工方式為切割與焊接，主要選材為GB713—2011標準中的E36船用結構鋼。

圖1 井口輔助作業平臺整體結構

1.2 井架改造方案

目標井架基本參數：

對井架前側進行矩形開口改造，開口高度為31.4 m，寬1.66 m。二層臺高度約25.5 m，每扇平面桁架分成為15個桁格。井架主體鋼材型號是JIS SS41（新增部分為EH36），井架改造前后模型如圖2。

1.3 新增配套設備方案

為使井口輔助作業平臺上接好的單根運送到2個立根盒中間，在井架開口處安裝氣動葫蘆與導軌。接好的立根可順著導軌運送入井架內由井架工進行排放。導軌安裝高度為井架前端開口最高處，距離鉆臺面高度為31.4 m。氣動葫蘆起升處距離鉆臺面高度為30 m。

圖2 井架改造前后模型對比

對靠近井口輔助平臺一側的指梁進行改造，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，立根接好后，由滑軌上的氣動葫蘆吊起至新增猴臺與立根盒之間的位置，配合井架工完成立根的排放。新增猴臺為可翻折式的猴臺，當井口輔助作業平臺和靠近船首的立根盒不需要工作時，猴臺翻起，不會影響平臺原有的工作流程。另需在導軌前端加裝定滑輪，配合氣動絞車完成井口輔助作業平臺上鉆桿的連接。改造井架后鉆臺內俯視圖如圖3所示。

圖3 改造井架后鉆臺內俯視圖

2 井口輔助作業平臺工作原理

2.1 接立根流程

首先氣動絞車抓取第1根鉆桿放入2號鼠洞內，緊接著抓取第2根鉆桿放入1號鼠洞內；之后氣動葫蘆提起2號鼠洞中鉆桿，氣動絞車抓取第3根鉆桿置于2號鼠洞中，氣動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。氣動葫蘆提起連好的2根鉆桿置于1號鼠洞鉆桿上方，由鐵鉆工或操作工輔助液壓大鉗完成立根的連接。接好的立根沿導軌由1號鼠洞的半開口處運出井口輔助作業平臺，進入井架內部由井架工排放入立根盒內。

2.2 立根排放與取用順序

改造井架內俯視圖如圖4，鉆井作業時將2號立根盒第7列與第8列空出，等待排放井口輔助作業平臺上接好的立根。當鉆井深度超過3 000 m需要補充鉆桿時，開始離線接立根工作，接好的立根由滑軌運送至2號立根盒對應列位置，新增猴臺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2號立根盒中前6列立根盡數下放到井內后，繼續下鉆時先取第7列中的立根，后取第8列中的立根。當第7列中的立根全部取出后，可利用第8列中立根的取用時間繼續向第7列中補充立根，當第8列中立根取盡后，下鉆即可使用第7列中的立根，依次類推，直到鉆進工作完成。

圖4 改造井架內俯視圖

3 改造后井架的有限元分析

根據目標井架的具體尺寸參數，應用ABAQUS有限元軟件建立井架的有限元模型進行強度校核，忽略二層臺、天車、游車系統以及各種設備所占空間大小，僅考慮井架和設備自重力。

3.1 靜力學分析

平臺井架所承受的靜載荷主要包括井架和各種設備自重力、最大鉤載、風載荷以及立根載荷。其中：井架自重可通過有限元軟件直接導入；天車及游車系統自重力147 k N；二層臺自重力35.6 k N；立根重力7.85 k N；導軌伸出長度5.2 m，氣動葫蘆重力1.4 k N；新增小平臺自重力392 k N；新增滑軌、氣動葫蘆、氣動絞車、猴臺自重力19.6 k N。

僅考慮靜載荷，作業時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的大鉤載荷，計算公式為

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。

計算得大鉤載荷Q＝1 706.4 k N，實際作業中應考慮動載系數，大鉤載荷Qmax＝1.2Q＝2 047.68 k N。結構計算時將大鉤載荷以等效集中力形式分布在井架頂端的4個節點上［3］。

風載荷計算公式為

式中：A為構件的迎風面積，m2；vz為風速，m／s；Ch為受風桿件的高度系數；Cs為受風桿件的形狀系數，Cs＝1.8。

立根載荷包括立根自重對井架產生的作用力（水平作用力）及立根所受風載施加給井架的作用力，計算時將該載荷通過二層臺的指梁按水平方向作用到井架相應節點上。目標鉆井井架內部立根盒的容量為?127 mm（5英寸）鉆桿104柱。

立根自重對井架產生的水平作用力為

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

立根所受風載荷［4］為

式中：p為風壓，取414.6 Pa；n1為指梁上每排的立根數，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，取1.05；Cs為形狀系數，取0.8。

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

圖5 改造后井架應力與位移云圖

3.2 動力學分析

為了確定改造后井架對不同類型動載荷的響應情況，需要對其進行模態分析，以確定井架的振動特性，并得出其固有頻率和振型［5］。本文采用Lanczos法對改造后井架進行模態分析，提取前30階頻率和振型。計算分析得出井架固有頻率中低頻占主導地位，低階振型主要是井架整體的彎曲和扭轉，沒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。

鉆機在起下鉆時，吊環、吊卡以及頂驅之間存在著較大的間隙，當絞車滾筒纏繞鋼絲繩時，頂驅承受沖擊性載荷。本文考慮井架在極端情況（即“猛提、猛剎”）下作業時的動態特性，分析其在隨時間變化的外載荷作用下的瞬態動力特性。設計加載時間為6 s，沖擊部位為井架頂部的4個節點。圖6為井架大鉤在起升鉆桿時的載荷-時間曲線，并計算得出井架出現最大應力值時的應力與位移云圖，如圖7。

圖6 大鉤加載歷程曲線

圖7 最大應力時應力與位移云圖

由分析結果可知：井架在0.53 s時處于應力最大狀態，最大應力為137 MPa，發生在井架前扇的中間部位。整個過程中，井架的最大應力小于許用應力，其強度性能滿足要求。

4 結論

1） 井口輔助作業平臺能夠在保證井口正常作業的同時，實現離線接鉆桿、套管等作業，能有效縮短鉆井周期，提高平臺作業效率。

2） 對改造后井架進行有限元分析的結果表明，系統結構可靠，穩定性好，能夠滿足長期安全工作的需要。

3） 該方案適用于對現有平臺鉆機的改造，也可應用于新建鉆機井架部分的設計。

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

［2］ 劉洋，段夢蘭，范曉，等.導管架式鉆井平臺新增樁腿加掛井槽改造技術［J］.石油礦場機械，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.鉆機井架、底座的設計計算［M］.北京：石油工業出版社，1994：155-207.

［5］ 彭太鋒.井架結構形式及其起升安裝方式探討.［J］.石油天然氣學報，2010，32（4）：383-388.

Feasibility Analysis of Using Secondary Wellhead Platform in Drilling Platform

YANG Qiu-rong1，FAN 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）有限公司科研項目“渤海油田提升鉆井效率系統優化研究及其應用”（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研究，E-mail：yangqr＠cnooc.com.cn。