海洋鉆井平臺塔型井架安裝方式探討

劉新寶

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452)

0 引 言

鉆井井架是鉆機提升設備的重要組成部分之一，要承受各個方向的載荷。因此鉆井井架必須具有足夠的強度、剛度和整體穩定性。根據海洋鉆井平臺井架的整體結構，可以分為塔型井架和自升式井架。

塔型井架(Derrick)是橫截面為正方形或矩形的四棱截錐形空間桁架結構的塔型井架，是通常由許多單個構件用螺栓連接組成的可拆結構，并在井場組裝或拆散運輸。井架本體是封閉整體結構，穩定性好，承載能力大，其尺寸不受運輸條件限制，內部空間大，起下鉆操作方便、安全。但單件拆裝工作量大，高空作業不安全。

自升式井架(Boot Strap Mast)在井場整體或分段水平組裝，利用自身配備的動力整體或分段起升安裝，分段或整體運輸。包括前開口井架、A形井架、桅形井架等。井架本體截面尺寸比塔型井架小，整體質量輕，便于安裝。但相對于塔式整體結構井架，自升式井架的整體剛度和穩定性差，并且自升式井架的立根盒位于井架空間的外側，影響司鉆觀察坡道上的作業。

由于海洋環境的特殊性和海洋鉆井工藝的復雜性，要求井架強度高、抗風載能力強、司鉆視野開闊和底部開檔寬大，因此大多采用塔型井架。但如何解決塔型井架安裝工作量大，對作業資源、工期、費用需求大等問題成為業界關注的一項研究課題。

1 影響鉆井平臺塔型井架安裝的因素

塔型井架作為海洋平臺的重要設備，能否按時安裝就位，對整體施工進度影響較大。

對于陸地鉆井場，井架供貨商通常將出廠前驗收合格的井架拆卸后，按照工藝要求進行構件編號并裝箱運輸至井場進行散件組裝。但對于海洋鉆井平臺，由于海洋環境的復雜性以及海洋鉆井平臺結構空間的局限性，對塔型井架的安裝有許多要求和限制。因此，需要考慮影響海洋鉆井平臺塔型井架的安裝因素，并進行綜合分析，以確定合適的安裝方式。

影響因素主要為：人員及設施的作業安全性；允許作業的環境與總體施工計劃的吻合性；施工資源是否滿足作業要求，包括吊車、碼頭等；施工方案(包括風險分析等)的可行性；總體施工計劃要求；安裝施工作業的成本等。

對于海洋鉆井平臺井架安裝施工作業，施工資源、周期、投入人力是影響施工成本的關鍵因素，需綜合考慮上述因素，確定安全、可操作性強和整體經濟性高的井架安裝方式。

2 海洋鉆井平臺塔型井架安裝方式

2.1 平臺上散件組裝

與陸地井場對塔型井架的安裝方式類似，在陸地進行預裝后，再將各螺栓連接的構件拆開，按照復原安裝工藝要求，對所有構件進行編號并裝箱。安裝井架時，可通過平臺吊機將井架構件吊至鉆臺面進行組裝。在組裝過程中，根據現場施工條件和機具先組裝成片，然后通過鉆臺上的氣動絞車配合特制的撐桿進行分片安裝。

此種安裝方式不需要動用海上大型吊裝船舶等資源，但是需要投入較多的施工及配合人員，安裝周期長，且需要鉆井平臺在井架組裝初期即回碼頭進行配合作業，同時需要平臺吊機連續配合作業。

該安裝方式屬于海上高危作業，存在很大的安全風險。

2.2 整體吊裝

在陸地進行井架結構及附屬設備(燈具、天車系統)的組裝，并設置吊點，利用具備吊裝能力的吊裝資源進行井架的整體吊裝。

此種安裝方式可提前在陸地將井架組裝完成，不占用鉆井平臺回碼頭等候時間，可縮短鉆井平臺的施工時間。整體吊裝方式需要對井架結構進行吊裝強度計算分析、專用吊點設計、吊裝輔助結構設計、井架吊裝過程的防碰設計和鉆臺面設施的防碰設計。同時由于井架與底座之間為螺栓連接，需要設計井架吊裝過程的導向結構。

此安裝方式對吊裝資源的能力要求比較高，既要滿足吊裝噸位的要求，又要滿足有效高度及覆蓋范圍的要求。

2.3 分段吊裝

為了減少和降低海上環境條件造成船舶待機的時間和風險，考慮吊裝船舶資源的限制，應根據井架結構進行合理分段。一般分為兩段，在二層臺上方的位置進行分段，每段均需設置吊裝吊點，利用具備吊裝能力的資源進行井架的分段吊裝。

此種安裝方式可提前在陸地場地將井架組裝完成，不占用鉆井平臺回碼頭等候時間，可縮短鉆井平臺的施工時間。此方式需要對井架結構進行吊裝強度計算分析、專用吊點設計(較整體吊裝對吊點的強度要求低)、吊裝輔助結構設計、井架吊裝過程的防碰設計和鉆臺面設施的防碰設計。同時由于井架與底座之間、井架上下段直接為螺栓連接，需要設計井架吊裝過程的導向結構。

該安裝方式對吊裝資源的能力要求比較高(兩次吊裝的資源能力可不同)，既要滿足吊裝噸位的要求，又要滿足有效高度及覆蓋范圍的要求。

3 海洋鉆井平臺塔型井架安裝實例

以海洋石油281平臺塔型井架(見圖1)的安裝為例，進行鉆井平臺塔型井架的選擇與設計。

圖1 海洋石油281平臺塔型井架Fig.1 Tower type derrick of the HYSY281 platform

圖2 海洋石油281平臺碼頭停靠方案Fig.2 Berthing scheme for the HYSY281 platform

3.1 安裝方式選擇依據

海洋石油 281的塔型井架，底部開檔尺寸 9.144,m×9.144,m，總高度46.6,m，總質量84,t。根據井架結構，可將井架分為5段，自下而上分為下段、中下段、中段、中上段、上段。

由于海洋石油 281平臺為可移動自升式海洋鉆井平臺，選擇將其拖至合適碼頭靠岸，再為其安裝井架，從而可避免將井架結構、施工機具、人員等移至海上的工作，同時可大大降低作業費用和風險。

根據文中對塔型井架安裝方式分析，由于海洋石油 281平臺場地有限，同時考慮安裝期間的氣候狀況，且為了避免人員高空作業帶來的高風險，不建議采用在平臺上組裝散件的方式。為此選擇將海洋石油281平臺停靠至碼頭，同時在碼頭進行井架的組裝，利用浮吊吊裝組裝好的井架至海洋石油 281平臺進行安裝。

海洋石油281停靠碼頭方案如圖2所示。

由于海洋石油 281平臺所停靠碼頭的承載能力有限，若采用將井架整體吊裝進行安裝的方式，則需將重達約 84,t的井架載荷全部通過井架大腿支點加載在碼頭上，經過計算超過了碼頭所允許加載的最大載荷。同時，若采用整體吊裝，對浮吊的吊裝能力要求較高，必須選取更高等級的浮吊，大大增加了成本。故不建議采用整體吊裝的方式。

經過對浮吊能力、碼頭能力、施工風險、施工難易程度、井架結構特性等綜合考慮，采用分段吊裝的安裝方式，以二層臺為臨界，即下段、中下段、中段為一吊，結構高度 28.5,m，重約52,t；中上段、上段為一吊，結構高度 22.5,m(含天車吊裝架)，重約 32,t。

組裝后的井架結構如圖3所示。

圖3 井架二層臺以下及以上部分結構圖Fig.3 Structures both above and below the racking platform

根據海洋石油 281的停靠方案以及碼頭允許的組裝場地情況，需要浮吊具備如下條件：吊機起吊高度不小于 76.2,m，井架凈高51,m；井架底部距離主甲板高度10.2,m；主甲板距離水面高度按照 5,m計算；吊索具長度按照 10,m計算。二層臺以下部分中心距前方碼頭邊 44.2,m，最大起升重量為 52,t，二層臺以上部分中心距前方碼頭邊 57.2,m，最大起升重量為32,t，據此確定浮吊的技術要求(包括拔桿高度、跨度、載重要求等)。

3.2 施工過程

3.2.1 井架小組裝

根據圖1的井架分段，分5段進行分別組裝，組裝過程先平面分片組裝，之后通過吊車配合進行“翻身”立體組裝。

3.2.2 井架大組裝

根據圖3井架結構，自下而上進行小組后的分段對接。空中對接采用吊籠作業或采用高空作業車輔助進行。各段阻流放空管線、管線槽、燈具等井架附件隨各節井架段安裝以避免出現井架在平臺上安裝之后再出現高空安裝的高風險作業。

在井架大組過程中，根據井架出廠前測量的井架各段立柱間的距離以及對角線距離，在組裝后保證此距離不變的前提下，將井架各螺栓按照設計扭矩打緊，避免井架在平臺上安裝后再進行高空作業，同時可避免產生過多的井架應力。

3.2.3 井架安裝

按井架大組裝方案，首先把組裝好的井架二層臺以下部分(約52,t)整體吊裝到鉆臺井架支座上，與井架支座用螺栓連接并緊固。預先在鉆臺底座的4個井架連接支座上各點焊2塊導向板，導向板成90 °布置，均向外彎15 °，如圖4所示。

圖4 鉆臺底座處井架安裝導向板Fig.4 Derrick installation guide plate at the drilling floor foundation

圖5 二層臺處井架連接導向板Fig.5 Derrick connection guiding plate at the racking platform

在二層臺以下部分固定完好后，把二層臺以上部分(約32,t)整體吊裝，與二層臺以下部分對接。對接部位在二層臺附近，通過二層臺走道，把內外連接板與井架本體，用高強度連接螺栓連接并緊固。

由于井架均采用螺栓連接，且為框架結構，故二層臺上下兩部分對接過程精度要求非常高，為了保證二層臺以上部分能夠順利與二層臺以下部分對接，二層臺以上部分起吊前，需在四角栓足夠長的牽引繩，輔助二層臺以上部分與二層臺以下部分定位，并先在中段各個立柱頂部安裝井架內聯接板，作為臨時導向板，如圖5所示。

井架導向穩定好以后，先松開其中一處內聯接板，緊接著與外聯接板連接，然后松開另一處內聯接板，緊接著與外聯接板連接，依次完成所有連接。

3 結 語

結合塔型井架在鉆井平臺上安裝的影響因素，分析了塔型井架的安裝方式，并結合實例進行了塔型井架安裝方式的選擇。塔型井架分段吊裝、安裝的方式為業界提供了借鑒，具有很好的工程參考價值。■

［1］ 安國亭，盧佩瓊. 海洋石油開發工藝與設備[M]. 天津：天津大學出版社，2001.

［2］ 李繼志. 石油鉆采設備及工藝概論[M]. 東營：中國石油大學出版社，1992.

［3］ 肖龍，劉孔品.平臺油氣工工藝流程和設備布置[J].中國海上油氣(工程)，1999(12)：9-11.