基于固定式鉆井平臺的新型雙作業面井架及配套系統

New Dual-Side Derrick and Supporting System Based on Fixed Drilling Platform

Yang XiangqianGuo Hua ZhangFu Du Wenjie （CNOOCResearchInstituteCo.，Ltd.）

Abstract：Due to limited internal space，the arrangement of automated equipment on conventional derrick of traditional offshore platform becomes difficult.The nippling upand down ofcasing and tribble needs tobe carried out on the same monkey board，resulting in crossoperation and low overall eficiency.At present，the hoisting gear of drilling rig is only equipped with one drawworks，resulting in severe wear and tearof driling lineon one side during operation.When the drawworks gets out of order，the operation needs to wait for maintenance，further reducing the operating eficiency.To solve these problems，a new dual-side derrick and supporting system were proposed.The new derick adopts a door-type structure，significantly increasing the internal space of the derrick， meting the installation requirements of string handling equipment，andachieving eficienttribbleoperation simultaneously.The double monkey board layout is combined with the design of retractable top drive，making the nippling up of casing and other preparation be conducted onthe other monkey board while performing driling operation，thereby improving the operating eficiency.The redundancy design of doubledrawworks not only improves thereliabilityof theequipment，but alsosignificantly improvesthedriling efficiency.Through scaledmodel test， the superiorityof the new derrick system in functionand performance was verified.The experimental results show that the equipment such asautomatic catwalk，pipe-lifting manipulator and iron roughneck run smoothly on the new derrick，and can complete various operations eficiently.The new dual-side derrick and its supporting system significantly improve the operating efficiencyand safetyof the drilling platform，which isof great significance for promoting the intelligent and efficient development of offshore drilling equipment.

Keywords：marine drilling platform;dual-side derrick；string handling equipment；double drawworks；drill ingefficiency；retractable topdrive

0 引言

全球對石油資源的需求日益增長，陸地資源的逐漸枯竭促使人們加快開發海洋石油資源。因此，如何以較低的成本獲得更安全、高效的海洋鉆井技術，已成為全球研究的重點[1-2]。傳統海洋鉆井平臺的常規套裝井架內部空間受限，接、卸立根作業在井架前側進行，與頂驅作業存在交叉，影響作業效率并存在安全隱患[3]。管柱自動化系統作為一種有效手段，不僅可以提高鉆井效率，還能減輕工人勞動強度和提升作業安全性[4-7]。其中，門形井架因其結構輕巧和占地面積小的特點，已成為管柱自動化系統中使用較為廣泛的井架[8]。

國外海瑞克公司在2010年推出了TI-350T全液壓雙作業面鉆機，該機型通過液壓機械手臂直接舉升鉆柱至鉆臺面，并利用液壓頂驅連接鉆柱，省略了二層臺，從而提高了效率和安全性[9]。國內海洋地質10號鉆探系統的門形井架使用2個液缸作為提升機構，省略了傳統的游吊系統[10-11]。但這些井架的缺點是均未配套二層臺，起下鉆時鉆具需與地面交接，單根作業效率及油缸提升鉤速均較低，且受限于絞車快繩速度，大鉤速度難以提高。同時，單絞車技術已成為提高鉆井效率的瓶頸，發生故障時，只能停止作業等待維修，影響作業效率。目前，國內廠商雖然可以提供部分管柱自動化處理單元設備，如動力貓道和二層臺排管機械手等，但受限于平臺或井架內部空間，管柱自動化系統設計效率依然較低[12-13]

為解決上述問題，提出一種新型雙作業面井架及其配套系統。該井架采用門形結構，前后各設置一個二層臺，前側二層臺用于套管立根排放，后側二層臺用于鉆桿立根排放。通過這種設計，井架整體跨距和內部可利用空間將大幅增加；立根可通過井口實現前后移位，鉆井的同時可預接套管、優化操作流程以及減輕工人的勞動強度[14-15]。該雙絞車模式和管柱自動處理系統的應用，能夠實現離線建套管、鉆桿立根，不僅提高了鉆井效率，也加快了海洋油氣勘探開發裝備智能化的步伐。

1 新型雙作業面井架設計基礎

1. 1 設計參數

并架設計的主要目標是確保高效性和穩定性，同時兼顧安全性和成本效益。該設計嚴格遵循APISpec4F（第4版）16和美國鋼結構規范AISC335—2022的相關規定，并根據特定的鉆井作業需求進行方案選型。綜合考慮了以下關鍵技術參數：鉆臺面鉆柱上卸扣操作所需空間 1.2m ，三單根立柱的長度為 28.0m ；游吊系統的長度設為 9.6m ，同時安全防碰所需空間 6m 。綜合計算后，井架的總高度至少需要達到 44.8m ，為確保有足夠的余量，最終設定井架高度為 46.0m ；井架雙作業面開口高度主要是為了滿足立根與二層臺交接的需要，通過詳細放樣后確定為鉆臺面以上 26.5m ；井架的前后跨度設計以適應側置頂驅雙導軌的安裝需求，而左右跨度則是為了確保左側頂驅與右側提管機械手及鐵鉆工的順利作業。新型雙作業面井架的關鍵技術參數如表1所示。

1.2 設計方案

新型雙作業面井架采用門形雙立柱框架結構，由左右兩側的分段框架式立柱構成，頂端通過天車、連接梁及斜拉桿連接形成整體（見圖1）。井架下端固定在鉆臺井架支座上，前側配置用于離線建立根的二層臺，后側配置鉆井作業所需的二層臺；二層臺下方的左右立柱間為敞開式結構設計，旨在滿足 28m 立根作業中整套管柱自動化設備的布置需求；井架的主結構主要承擔鉆井載荷，立柱等關鍵構件采用WH型或箱型截面，橫斜撐等構件均采用標準H型鋼截面。

井架游車為可旋轉 90^° 設計，便于立根的前后移位；提管機械手安裝在井架前端兩側的軌道上，能夠夾持鉆具，并通過絞車實現鉆具的垂直運輸；平移小車通過鉆臺面上的導軌前后移動，將左右立柱分別送入基段；基段的立柱內配備滾輪，立柱截面的槽型結構作為滾輪的導向軌道（見圖2）。4臺高性能液壓提升小絞車安裝在井架基段，負責提供動力，逐段從下至上推升立柱至預設位置，完成井架的垂直起升工作。

與傳統方案相比，該新型雙作業面井架的主要優勢如下：

（1）采用液壓絞車垂直舉升方式，無需翻轉或搭建腳手架等輔助設施，從而簡化井架安裝過程。（2）井架采用門形結構，前后貫通增大內部空間，立根從井口前后移動，有效避免人員交叉作業，減少了操作人員在同一作業面上的集中，降低了操作的復雜性和安全風險。（3）采用雙絞車提升系統，增加鉤速，提升鉆井效率。

（4）雙作業面的設計優化了操作流程，有效地提高了作業效率，縮短了作業周期。

1.3 總體布局

鉆井平臺總體布局需要充分考慮作業效率和安全性能[17-18]，鉆井平臺總體布局如圖3所示。其具體內容如下：

（1）司鉆房設在井架左側底部的空襠內，鐵鉆工布置在司鉆房的對側，以滿足井口和雙小鼠洞的操作需求，從而提高作業效率和安全性。（2）節流壓井閥閥組和液氣分離器位于動力貓道旁，用于控制井下壓力和分離井內氣液；立管閥閥組設置在井架兩側，用于控制立管流體。（3）井架左右兩側各配置1臺絞車，通過天車滑輪操作，可以單獨提升游吊系統，實現主絞車的冗余配備；頂驅控制房位于左側絞車的頂棚上，便于操作和監控頂驅；后側立根臺兩側安裝液壓貓頭，可提供更高的操作精度和可靠性。

（4）動力貓道位于排管架和鉆臺之間，實現管柱自動處理功能，以適應叢式井的作業需求；平臺吊機設置在貓道和排管架之間，用于轉運鉆具，進一步提升作業的靈活性和效率。

2 新型雙作業面井架配套系統

2.1 配套頂驅

新型雙作業面井架前、后側立根通道存在被占用的問題，為進一步提高平臺作業效率，將井架左右支腳中心向左側偏離井口 450mm ，頂驅導軌設置在井架的左側，并配置帶伸縮架的頂驅[19-22]。頂驅設定示意圖如圖4所示。由圖4可知：伸縮架伸出后，頂驅能夠到達井口位置；縮回后，頂驅與井口立根互不干涉。此時，頂驅在快繩的懸持下仍可沿導軌上下運動，立根也可在前、后立根臺以及井口之間進行移位操作，從而實現交叉作業、縮短作業時間。另外，由于頂驅鉆井時其伸縮架處于伸出狀態，傳遞的力臂相對較大，為增加其作業時的穩定性，設定為雙導軌結構。

2.2 雙絞車作業模式

常規陸地和海洋鉆機多采用單絞車作業模式，受滾筒快繩速度的限制，平均鉤速一般不超過1.3m/s ，極大地限制了鉆井效率。在固定式鉆井平臺上，基于新型雙作業面井架，可配置2臺絞車，2臺絞車設置在新型雙作業面井架的左右兩側，其布局如圖5所示。

2臺絞車經天車滑輪可同時提升游吊系統，或者單獨提升游吊系統[23-24]，實現了絞車的冗余配備；當一臺絞車出現故障時，另一臺絞車完全滿足作業需求。此時，2臺絞車鉤速可達到單絞車的2倍，通過電控限定至安全鉤速 1.6m/s 。表2為雙絞車模式和單絞車模式的配套設備及性能對比。由表2可知，雙絞車作業模式的質量和購置成本高于常規單絞車作業模式，從購置成本和使用經濟性綜合考慮，單絞車作業模式具有一定的優勢。但雙絞車作業模式提高系統效率明顯，比單絞車節省燃油 8.7% ；且提升鉤速范圍大，鉤速是單絞車作業的2倍，滿足高起下鉆速要求；雙絞車滑繩和切繩比單絞車操作方便、壽命更長，在相同鉤速的情況下，雙絞車加減速對絞車滾筒、滑輪、鋼絲繩的磨損小，具有推廣使用價值[25]。

2.3 天車結構

基于新型雙作業面井架的雙絞車提升系統，設計新的天車結構（見圖6）。該結構中除了配備常規的主滑輪組、死繩輪、快繩輪等，還額外配備2組導向滑輪。快繩輪和其對應的導向輪位于天車架的左后側，導向輪用于從快繩輪向主滑輪的提升繩導向；死繩輪和其對應的導向輪位于天車架的右前側，導向輪用于主滑輪向死繩輪的提升繩導向。導向滑輪與快繩輪呈“二”字形分布，可最大限度地減少提升鋼絲繩的纏繞路徑，避免提升繩的側向磨損，延長繩索的使用壽命。

2.4 管柱自動化處理系統

基于新型雙作業面井架，固定式鉆井平臺可配置全套管柱處理設備，實現鉆臺無人化作業，在井口鉆井或起下鉆的同時，實現離線建套管或建立根。配套管柱處理系統如圖7所示。

管柱從堆場到井口經過以下步驟：

（1）管柱輸送系統。管柱輸送系統布置于井口正前側，動力貓道與井口、1號鼠洞對齊，具備自行走功能，實現管柱的縱向移動；采用平臺吊機實現管柱的橫向移動，鉆具從管排架送至動力貓道的過程通過平臺吊機實現，然后動力貓道將鉆具送至鉆臺的設定位置。

（2）離線建立根系統。滑移軌道固連在井架前側，大梁上的提管機械手抓取動力貓道送至的鉆具，并在提管機械手抓取范圍內合理布置雙小鼠洞；鐵鉆工布置位置需滿足到達雙小鼠洞和井口，實現離線建套管和鉆桿立根。

（3）立柱排放系統。井架前側設輔助二層臺，離線建立的立根可直接排放至該二層臺內；井架后側設主二層臺，用于起下鉆等鉆井工況下的立根排放；頂驅吊環下段設液壓吊卡，實現對鉆具在游吊上的懸持；井口設動力卡瓦，實現對井口鉆柱的懸持。并架右后側設扶管機械手，實現立根與井口鉆柱的快速連接[26]；鐵鉆工布置在井架右前側，用于涂抹螺紋油。

除以上直接接觸管柱的系統外，還需要配備司鉆控制房。司鉆控制房是鉆機的控制中心，設雙司鉆操作工位。主司鉆操作臺實現對絞車、轉盤、頂驅、鉆井泵、卡瓦、吊卡及貓頭等設備的控制和操作；管柱操作臺實現對動力貓道、鐵鉆工、提管機械手、二層臺機械手等設備的控制和操作[27]。

3 縮比模型及功能驗證

為了驗證新型雙作業面井架及其配套系統的功能和作業性能，建立一個精確至 1：30 的縮比模型。圖8和圖9分別為雙作業面井架系統的三維仿真圖和縮比模型圖。

該系統包括提管機械手、鐵鉆工、頂驅及排管機等設備，并進行了詳細的模擬測試。試驗過程涉及以下作業：

（1）自動化貓道作業。模擬自動化貓道的往返動作1次，驗證其自動化運行的可靠性和效率。

（2）提管機械手作業。提管機械手進行提升和下降的往返動作1次，以確保其能穩定高效地操作鉆具。

（3）鐵鉆工作業。鉆臺鐵鉆工進行伸縮往返動作1次，驗證其操作的精準度和可靠性。

（4）鉆臺機械手作業。鉆臺機械手進行前后移動往返動作1次，測試其在不同位置間的移動能力和靈活性。

（5）頂驅作業。頂驅液缸依次完成伸出、下降、提升和小液缸縮回的動作循環，確保頂驅在各種工況下的正常運作。

（6）排管機作業。二層臺排管機械手進行旋轉和伸縮動作1次，驗證其操作的靈活性和精度。

（7）建立根作業。包括貓道伸出、提管機械手下降和提升、鐵鉆工操作以及二層臺和鉆臺面機械手的同步動作，確保各設備協調工作，完成立根操作。

（8）下鉆作業。模擬二層臺排管機械手旋轉和伸縮動作、頂驅液缸伸出抓立根動作、鐵鉆工上扣、頂驅下降和提升以及相關機械手的配合作業，驗證整個下鉆過程的流暢性和安全性。

試驗結果顯示：自動化貓道在往返動作中運行平穩，提管機械手在不同高度下保持高精度操作，鐵鉆工的伸縮動作準確無誤，鉆臺機械手前后移動順暢且定位準確，頂驅系統在所有測試動作中穩定運行，二層臺排管機械手的旋轉和伸縮動作精確無誤，建立根作業中各設備協調性良好，下鉆過程各設備配合無誤；各設備在操作過程中均能保持高度的協調性和精確性，未出現任何空間干涉或操作錯誤；雙二層臺的設計將套管立根和鉆桿立根分別安排在前側和后側的二層臺上，這種并行的作業方式提高了設備利用率，使得鉆井作業不再因為某一單一作業的進行而停滯，從而加快了整體作業進程。

4結論

基于固定式鉆井平臺，設計了一種新型雙作業面井架及其配套系統，克服了常規井架內部空間小、效率低等缺點，提高了鉆井效率和設備操作的安全性。對井架建立縮比模型并進行功能驗證，得出以下結論：

（1）新型雙作業面井架采用雙門形結構，不僅增加了井架內部空間，滿足了管柱處理設備的安裝需求，同時也保證了立根操作的高效進行。

（2）通過雙二層臺結構和可伸縮頂驅的結合，實現鉆井與接套管的同步進行，有效避免了交叉作業，提高了作業安全性和效率。（3）采用雙絞車作業模式，解決了傳統鉆井中鉤速難以提高的技術瓶頸；冗余設計顯著增強了鉆井平臺的工作可靠性，確保設備在極端條件下的持續運作。（4）通過三維仿真及縮比模型的制作和測試，全面驗證了新型雙作業面井架及其配套系統的功能和性能，證明其具備實際應用條件，具有推廣使用價值。

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第一

作者簡介：楊向前，高級工程師，生于1970年，1994年畢業于大慶石油學院礦業機械專業，現從事鉆完井裝備設計及研發工作。地址：（100028）北京市朝陽區。電話：（010）84523639，email：yangxq15@cnooc.com.cn。通信作者：杜文杰，工程師。email：duwj7@cnooc.com.cn。

收稿日期：2024-06-26 修改稿收到日期：2024-10-30（本文編輯任武）