海洋鉆井平臺井架應用及發展淺談*

向小榮，趙世剛，龐世強

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司青島分公司，山東青島 266520)

0 引言

石油作為一種不可再生資源，是國民經濟發展中的重要能源，因此世界上許多國家都在進行石油的勘探和開采。由于地球表現的2/3都被海洋覆蓋，目前已探明的世界海洋石油資源占全球石油資源的34%，其中已探明儲量約為380億噸。因此石油的開采也從陸地轉向海洋，并且從淺海轉向深海，全球對深海進行勘探的有50多個國家。未來世界海洋的油氣產量還將穩步上升，成為世界油氣產量增長的源泉。

我國也有豐富的石油資源，鉆井采礦已有數千年歷史，早在明代正德末年(公元1521年)，嘉州(今四川樂山一帶)地區用頓鉆打出一口深達1000余米的井，并采出石油;公元1世紀就有陜西的鴻門火井，但是深井鉆井起步卻較晚，到目前無論是陸地鉆井還是海洋鉆井，在鉆井深度方面都落后于其他國家。要想在海洋石油開采領域占有一席之地，必須有自己先進的開采設備。海洋鉆井平臺是石油勘探、開發的必備裝備，而井架作為海洋鉆井平臺上的重要部件，也越來越受到大家的重視。

1 海洋鉆井平臺井架應用要求

海洋鉆井平臺用井架主要用來安裝天車、井架附件、存放立根等。作業時，井架能懸掛游車、大鉤、頂驅、鉆具并承受一定載荷。所以對海洋鉆井平臺配套井架應用要求是能承受最大鉤載、立根載荷等的組合載荷，同時要求井架具有足夠的作業空間［1］。

2 海洋鉆井平臺主要井架形式

2．1 帶輔助作業平臺的井架

為了提高作業效率，可對現有的海洋鉆井平臺進行改造，即在普通塔架上增加外掛式輔助作業平臺［2－3］。這種外掛式的輔助作業平臺設計有1號鼠洞和2號鼠洞孔(如圖1)，1號鼠洞為半開口設計，下端離自升式平臺上甲板有一定的高度;2號鼠洞為全閉口的設計，高度與1號鼠洞一致。輔助作業平臺可利用這兩個鼠洞來進行離線接單根，接好的單根由1號鼠洞運送到立根盒。由于接好的單根較長，要送至立根盒存放，就需要將靠近井口輔助平臺的一側井架進行改造(如圖2)。

對現有平臺來說，配置這種輔助作業平臺雖然能夠提高作業效率，但是增加輔助平臺的同時還要拆除舊塔架，安裝新的塔架。新塔架比原有塔架多了前開口結構改造，使得塔架的強度和穩定性降低，必須進行強度校核并對塔架結構進行優化。因此對現有平臺進行此類改造時，應從平臺的使用年限、改造成本、效率提高率等幾方面綜合評估改造的可行性。而對于新建造的平臺，特別是超深井海洋鉆井平臺，要提高作業效率可從其他方面考慮，不需要增加這種輔助平臺，并且塔架的高度、跨距和重量都較大，也不適宜采用這種前開口的改造塔架。

圖1 輔助作業平臺

圖2 井架改造前后

2．2 自升式井架

海洋鉆井平臺上的自升式井架結構與陸地K型井架結構相似，主體分成4～5段(如圖3)，但起升方式和普通K型井架有很大差別。自升式井架起升前，先將底段和起升工裝安裝在平臺上，再將頂段放在起升工裝上，頂段上安裝有天車，通過起升裝置將底段和天車起升到位后，將與頂段相鄰的一段套裝在底段內部中心，連接固定，再通過起升裝置起升這一段。同理依次從上向下安裝各段并起升［4－5］。

海洋鉆井平臺使用自升式井架時需要的安裝空間小，不用大型吊機配合安裝，可利用鉆臺面的絞車完成井架的起升工作。并且井架可進行模塊化設計，實現拆裝快速化及海運方便等優點，節省了作業資源、工期和費用。目前這種井架已在9000米鉆深的海洋鉆井平臺得到應用。但是這種井架的整體剛度和穩定性相對較差，而且它的結構域陸地鉆機的井架結構相似，立根盒位于井架空間的外面，影響司鉆觀察坡道上的作業情況。海上作業環境對井架的防腐蝕性要求高，這種模塊化設計的井架要求進行防腐措施，對井架的各模塊設計的尺寸有限制要求，因此對于海洋的特深井鉆機來說，使用自升式井架還要從結構穩定性，制造工藝性及安裝效率等幾方面綜合考慮。

2．3 塔形井架

圖3 自升式井架

塔形井架本體是封閉的整體結構，井架所有桿件型心相交。井架立柱和橫、斜桿通過連接角鋼和高強度螺栓群組連接成一個整體，在降低安裝難度的同時提高了過渡部位的強度和剛度。目前普遍采用的一種塔型井架為單斜式塔形井架(如圖4)，即絞車面從鉆臺處傾斜至天車，其余三面從二層臺處傾斜至天車;也有一些塔架設計成從鉆臺面傾斜至二層臺，再從二層臺傾斜至天車。單斜式塔形井架的結構不僅滿足了立根排放及頂驅安裝要求，而且減小了井架橫截面的尺寸，減輕了重量［6］。

塔形井架在海洋鉆井平臺的使用非常廣泛，從淺海到深海，從淺井到深井。塔形井架的強度高，結構穩定性好，抗震能力和抗風載能力較強，同時由于底部開檔較大，使得井口活動范圍大、立根容量足，司鉆視野開闊，但是整個結構連接件較多，安裝和制造相對復雜，計算難度大。

2．4 一個半塔架

一個半井架就是在單井架的基礎上將井架內部向一邊擴展半個井架的空間，作為預接鉆柱使用，以減少鉆前準備時間，提高作業效率(如圖5)。原有的一個作業中心進行正常起下鉆工作，兩個鼠洞用來接、卸立根盒套管以及懸持隔水管等，同時配備預接鉆柱用的自動管子處理系統［7］。前文中提到的輔助作業平臺實際就是講一個半塔架中多出的半個塔架區域的作業功能轉移至輔助平臺上。

圖4 單斜式塔形井架

圖5 一個半塔架

一個半塔架目前在自升式平臺、半潛式平臺以及鉆井船都得到應用，成為一種提高作業效率的主要手段，它相對普通塔架的作業效率提高17%。由于鉆臺面增加了預接鉆柱的區域，使得井架跨距和鉆塔面積都增大，相應重量也增加，并且使用一個半塔架必須配置系列的自動管具處理系統，來實現提高作業效率的目的。

2．5 雙聯井架

雙聯井架就是采用兩個單井架的空間，兩套游動系統，并利用兩個井口同時進行作業(如圖6)。一套起升系統用于載荷相對較小的正常鉆井的起下鉆，另一套起升系統用于速度相對較慢的起升和下放隔水管與防噴器［7］。

雙聯井架主要在半潛式平臺和鉆井船上應用。它有兩套提升系統和兩個井口可同時作業，作業效率相對普通塔架可提高23%。為了滿足兩套起升系統都順利工作，井架需要配置兩套自動管具處理系統，井架四周均設置相應的鉆具操作區域，因此井架的跨距，鉆臺面積以及整個鉆井系統的重量都相應增大。由于雙井口的作業概念已有專利注冊，新建平臺在選擇使用雙聯井架時應從作業效率、建造成本、結構穩定性以及專利附帶的風險支出等多方面綜合考慮。

2．6 DMPT 箱式井架

DMPT 即 doublemulti－purpose tower(如圖7)，它的設計理念是以井架的基本功能－－懸掛游動系統為出發點，對井架的外形進行變化，采用箱式結構代替了傳統的框架式井架。兩套游動系統懸掛在箱式井架的外部，立根盒也在箱式井架的外部，因此立根容量設計時可不受常規井架外形及跨距限制。井架還配置雙滾筒絞車和分體游車，來提高作業效率。

圖6 雙聯井架

圖7 DMPT箱式井架

DMPT箱式井架目前在自升式平臺、半潛式平臺以及鉆井船都有應用。這種箱式井架占地面積較小，沒有V型門高度限制，由于防噴器和采油樹的操作程序發生改變，結構設計時可取消底座，鉆臺與甲板共面，因此有足夠的鉆臺空間供設備擺放和操作。

3 海洋鉆井平臺井架的發展

(1)對自升式井架進行結構強化和優化，使之用于特深井海洋鉆井平臺，特別是自升式鉆井平臺，來縮小鉆臺面積，減少鉆臺及懸臂梁承受的重量。

(2)發展可預接鉆柱的塔架，使之具有一個半塔架的功能，又兼顧跨距較小，重量輕的優點，提高作業效率的同時控制鉆臺和懸臂梁承受的重量。

(3)發展新型的箱式井架。這種井架的使用不受海洋鉆井平臺的限制，并且鉆臺面積寬裕，配置的雙滾筒絞車可以同時工作，提升速度遠高于一個絞車單獨工作。分體游車可實現快速換繩，提升能力和提升速度也隨之提高或降低。

(4)發展帶有自動管具處理系統的井架配套設備。自動管具處理系統是鉆井作業自動化操作的關鍵部分。要提高鉆井作業效率，不僅僅是減少起下鉆作業的時間，鉆桿、套管和隔水管的搬運和排放也嚴重影響著鉆井計劃。因此在鉆井的同時離線接立根、自動傳送和排放鉆桿等操作也會大大節省鉆井時間，提高整體作業效率［8］。

4 結語

海洋鉆機上的井架類型多變，不同的海域環境，不同的平臺形式選擇的井架也不同。從傳統的塔形井架到節省安裝空間的自升式井架，還有根據新型鉆井工藝改造的一個半塔架和雙聯井架，以及新式的箱式井架，都有各自的優勢及其使用領域。

從目前石油儲量的地域以及深度分析來看，發展適合海洋超深井鉆機的井架是必要的:①對現有自升式井架的結構強化和優化，使之能夠用于超深井鉆機;②配合新的鉆井工藝開發新型的可預接鉆柱。提高作業效率的特殊塔架;③配備自動化的管具處理系統。根據目前世界的海洋鉆井平臺發展現狀以及我國的海洋平臺制造技術現狀，我們應積極開發出適用于12 000m鉆深的自升式平臺和15 000 m鉆深的半潛式平臺用井架類型。

［1］ 李繼志．石油鉆采機械概論［M］．北京:中國石油大學出版社，2009．

［2］ 范 曉，宋林松，段夢蘭，等．實現離線操作的自升式平臺鉆臺面改造設計［J］．石油機械，2013，41(8):47－51．

［3］ 楊秋榮，范白濤，宋林松．鉆井平臺增加井口輔助作業平臺可行性分析［J］．石油礦場機械，2014，43(7):16－19．

［4］ 葛運春，劉孔忠，魏柳興，等．9 000 m自升式海洋井架的研制［J］．石油機械，2014，42(11):151－154．

［5］ 郝玉忠．JJ450型海洋鉆機井架制造工藝［J］．石油礦場機械，2003，32(3):63－65．

［6］ 侯 敏，黃 潔，王世軍，等．超深井海洋鉆機井架的研制［J］．石油機械，2014，42(11):88－92．

［7］ 晏紹枝，李浪清，黃映城．海洋石油981超深水平臺鉆井模塊的優化布置設計［C］．2011年度鉆井技術研討會暨第十一屆石油鉆井院所長會議論文集［A］．2011．

［8］ 張 勇．海洋鉆機井架技術現狀及發展趨勢［J］．石油機械，2009，37(8):92－95．