自升式鉆井平臺懸臂梁及鉆臺稱重試驗研究

陳忠明，周浩，馬志會

渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010

自升式鉆井平臺懸臂梁及鉆臺稱重試驗研究

陳忠明，周浩，馬志會

渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010

自升式鉆井平臺懸臂梁及鉆臺、井架是構成自升式鉆井平臺重量的重要部分，其重量和重心參數對于精確確定整個鉆井平臺的重量、重心及相關操作十分重要。文章以某作業水深為91.44 m（300 ft）的自升式鉆井平臺為例，對懸臂梁及鉆臺進行海上整體稱重試驗的方法、實施過程及作業風險進行了研究。試驗結果表明，相對于傳統方法，文章所論述的海上整體稱重方法可以更加準確地測量平臺建造完工后懸臂梁和鉆臺的重量、重心。

自升式平臺；懸臂梁；稱重試驗

0 引言

自升式鉆井平臺已經從早期的槽口式發展到當今的懸臂梁式，懸臂梁的使用對自升式鉆井平臺的發展起了重大作用，使其性能得到重大改善。它作為鉆井設備和鉆井工具的主要載體，實現了鉆臺的縱、橫向移動，使平臺一次定位后可以鉆探多口井，從而減少了平臺的移動頻次，降低了升降系統的損耗，提高了鉆井效率。自升式鉆井平臺結構如圖1所示。

自升式鉆井平臺的建造包括主船體建造、輪機電氣設備安裝、舾裝件安裝、平臺下水、懸臂梁滑移、系統調試等階段。在平臺建造階段結束后、交付使用前，為了確認其重量和重心、驗證其功能，需要進行一系列大型試驗，其中包括懸臂梁及鉆臺稱重試驗、懸臂梁及井架滑移試驗、懸臂梁負荷及井架拉力試驗、平臺升降試驗以及傾斜試驗。

圖1 自升式鉆井平臺結構示意

懸臂梁及鉆臺稱重試驗的目的是測量懸臂梁及鉆臺的重量重心。懸臂梁及鉆臺重量較大，進行鉆井作業時，需要整體滑移出主船體，其整體的重量、重心移動，將使整個平臺的重心發生變化，從而使各條樁腿的支撐反力重新分布，對平臺性能產生重大影響。為使這種影響保持在可控范圍內，設計階段需要確定平臺各部分重量分布，制訂重量控制方案，并由平臺建造方嚴格執行。

傳統的稱重方法是在懸臂梁滑移進平臺主體之前在陸地上測量其結構重量，后續安裝的懸臂梁及鉆臺上的設備、管道、電纜等附件需要按照相關技術規格書中的參數一一進行統計計算（重量較大的設備還需要測量其實際重量），最終加到陸地稱重的結果中。此方法雖然比較容易實現，但是總重量采取后期加成的方法無法獲得令人滿意的精度。

平臺建造完工后在海上對懸臂梁及鉆臺進行整體稱重，可以一次性得到包括結構、設備、管道、電纜及附件的總重量，測量結果更加精確，為其他后續試驗提供更可靠的數據基礎。

本文以某自升式鉆井平臺為例，對懸臂梁及鉆臺海上稱重試驗的方案設計及實施進行研究。

1 自升式鉆井平臺稱重方案的選擇

平臺型長60.96 m、型寬55.78 m、型深7.62 m，作業水深91.44 m，鉆井深度9 000 m，樁腿長度125.3 m。海上稱重需要在平臺整體建造完工后，懸臂梁及鉆臺滑移試驗之前進行，此時懸臂梁及鉆臺已經達到完工狀態，可以準確地測出其重量、重心。

1.1 懸臂梁的主要結構參數

（1）長×寬×高：39.4 m×18.28 m×7.62 m。

（2）理論重量（包括鉆井模塊）：1 246.4 kN。

1.2 稱重試驗的設計

1.2.1 稱重支撐點反力的預估和布置

懸臂梁主要承載鉆臺、井架及相關設備的重量，在懸臂梁伸出工況下，懸臂梁、鉆臺及井架的重量大部分集中在懸臂梁的首部（鉆井平臺的尾部），即井架的下方?？紤]到懸臂梁、鉆臺及井架的重量分布情況，選取稱重支撐點的數量在懸臂梁首部較多、尾部較少。根據懸臂梁及鉆臺的重量分布，粗略計算各個支撐點的承重范圍：1號點～5號點承重為80～140 kN，6號點～10號點承重為50～90 kN，11號點～13號點承重為40～60 kN，14號點～17號點承重為40～70 kN。考慮風載荷的影響，1號點～5號點預計承重都有可能超過150 kN，但不會超過千斤頂的量程。最終確定支撐點布置，如圖2所示。

圖2 稱重支撐點布置

1.2.2 稱重儀器的選擇

根據懸臂梁、重量、重心計算結果和稱重需求，選擇由液壓泵站和17個舉升稱重單元組成的稱重系統。舉升單元主要由稱重傳感器和液壓千斤頂構成，傳感器與千斤頂相結合，多只千斤頂由一個同步泵站進行舉升控制，使平臺脫離導軌支撐后進行稱重。傳感器采用高精度數字傳感器，每個舉升稱重單元獨立稱重，根據測量數據進行計算，可得到懸臂梁、鉆臺的重量、重心分布。

此外，液壓稱重系統的每一個液壓單元都有獨立的開關，當某一個支點受力過大或起升過快時，可以通過獨立調節來保證每個支點承載的重量在設計范圍之內。

稱重儀器的主要參數：

（1）液壓泵站：額定工作壓力70 MPa，額定流量1 L/min，可用油量150 L，電源220 V（380 V）/50 Hz，換向方式手動，功率15 kW。

（2）單只傳感器：量程300 kN，使用溫度范圍-20～40℃，綜合精度不低于1%。

（3）液壓千斤頂：舉升行程0～100 mm，量程300 kN。

1.2.3 稱重儀器的擺放位置

考慮到數據、油管線路的長度，以及試驗時的操作方便，液壓泵站擺放于平臺甲板尾端、井口中心的后下方。

由于個別支撐點位置較高，需要工裝支柱支撐，此時單個液壓千斤頂的擺放位置有兩種選擇：放于支柱下邊頂稱支柱或者放在支柱頂端直接頂稱懸臂梁。兩種方式各有優劣，前者安裝簡便、施工安全，但是測量精度差，如果支柱稍有傾斜，測量值就不準確了。后者因為千斤頂直接接觸在懸臂梁上，測量值準確地反映了懸臂梁的重量中心，但是施工難度較大，個別支撐點的千斤頂需要抬升到4～5 m高，而且需要額外搭設腳手架，以便于調試人員在試驗時觀察千斤頂的行程。

1.2.4 稱重工裝的設計

根據使用要求，放置千斤頂的基礎面應平整且能承受30 MPa的壓強，被頂平面應平整且能夠承受250 MPa的壓強，不足時用鋼板墊。

支撐懸臂梁的立柱采用D 273 mm×16 mm管子，支柱低端以及個別不用支柱的千斤頂底端用液壓缸基座支撐，液壓缸基座和主船體甲板之間用350 mm×350 mm的H型鋼連接，千斤頂的上下均布厚16 mm鋼板作為調整墊板。典型結構見圖3。

圖3 稱重工裝布置的典型結構

2 稱重試驗前準備

2.1 組織機構的確定及人員分工

整個懸臂梁稱重試驗由總指揮負責，下設稱重、施工、工藝、安全、起重五個小組，各組負責人分工情況如下：

（1）總指揮：負責整個稱重工作的協調、指揮工作。

（2）稱重負責人：組織協調測量人員，負責控制臺及動力站的操作監控、儀表軟件的操作、千斤頂的頂升與監控、數據的錄入及稱重報告的編制。

（3）施工負責人：負責工裝安裝、千斤頂安裝、在測量人員指導下完成液壓管道及數據線的連接、其他設備及設施與懸臂梁的脫離，協助完成千斤頂頂升過程的監控及工裝、千斤頂、數據線的拆除工作。

（4）技術負責人：指導施工人員安裝工裝、接線，解決現場施工遇到的工藝技術問題，并根據實際情況現場修改施工方案。

（5）安全負責人：劃分警戒區域，布置警戒線，根據JSA分析檢查各項安全工作，組織施工人員撤離施工現場。

2.2 多余重量及不足重量的統計

懸臂梁及鉆臺應盡可能接近完工狀態，施工部門應提供尚未安裝設備重量、重心清單，并填入試驗表格，對各系統工作液體、試驗工裝及多余設備重量進行統計并填入試驗表格中，并在稱重結束后從所得數據中增加或減去該重量值。

2.3 試驗前檢查

試驗前對所準備的千斤頂進行試驗調試和檢查，保證千斤頂液壓缸行程和自鎖功能完好，檢查壓力表是否正常。17個千斤頂稱重負荷均為300 kN，每個油缸均配備壓力傳感器，傳感器計量范圍應與千斤頂配套，并應通過國家計量檢測機構的精度確認，并有檢驗合格證書。試驗前保證所有試驗設備都處于良好工作狀態。

對鉆井平臺進行調平，使甲板處于水平狀態。拆下懸臂梁左、右舷導軌2的上滑板及其固定板。拆下懸臂梁移動裝置液壓缸的導向板，并將液壓缸鎖銷拉出懸臂梁滑臂止動孔，拆下液壓缸頭部的鎖緊裝置。

3 試驗過程

3.1 千斤頂頂升單獨加載

連接傳感器及顯示器，使測試設備進入工作狀態。核對每個千斤頂及傳感器與液壓管路的對應關系，以免出現混淆。對千斤頂逐個進行加載，先使每個千斤頂液壓缸頂實支柱或加強梁，然后同步對每個千斤頂進行慢慢加載，直至懸臂梁兩個縱向大梁離開主甲板平面。測量現場各個試驗支點坐標。

3.2 千斤頂起升并逐步加載

千斤頂的操作必須統一指揮、同步操作，以免個別位置超載，發生危險，此點尤為重要。

在頂升過程中，總指揮、稱重操作人員和懸臂梁兩側監控人員保持通訊暢通，儀器儀表顯示重量每增加100 kN，總指揮要提示一次，監控人員如發現懸臂梁起升過程中偏移量過多應及時反饋給總指揮。

懸臂梁縱向大梁下面板與兩舷三對導軌共有六個接觸面，對每個接觸面設置一人看護，并隨時用長薄鋼直尺檢查懸臂梁是否已經頂起，懸臂梁最大頂起高度不能超過20 mm。

3.3 穩定讀數

當懸臂梁下面板表面與導軌完全脫離后，傳感器讀數穩定，迅速記錄各個支撐點傳感器讀數；按以上操作，繼續頂升懸臂梁，再選2個時間點記錄數據。如果測量數據有較大偏差，需對現場情況分析處理，追加1到2次讀數。

讀數完成后，千斤頂卸壓，慢慢將懸臂梁放下，當下面板接觸到導軌上時稱重試驗結束。

3.4 加載過程中遇到的問題及解決方案

加載過程中由于操作失誤或者設備故障，會導致諸多問題產生，總結各種可能發生的問題、產生原因及解決方案見表1。

表1 試驗過程中遇到的問題及解決方案

3.5 風險分析

懸臂梁及鉆臺稱重試驗是一項高風險作業，任何一個環節有紕漏，都會出現重大事故。為了保證稱重工作的順利實施，要在稱重工作開始前，對稱重工作各個環節的風險進行分析，并采取相應的預案；在稱重的過程中，對稱重的各個環節進行檢查、監控，如發現有危險因素存在，應及時進行整改，在整改完后再進行下一道工序。在稱重作業中，采取以下具體措施：

（1）稱重開始前，要求無關人員撤離稱重區域，并用警戒帶進行區域封閉，嚴禁無關人員上下船。

（2）由于泵站的最高壓力為70 MPa，危險性高，操作及監控人員在保證順利執行操作及監控的情況下，盡量遠離液壓泵站、千斤頂、液壓軟管等設施。

（3）為了保護千斤頂，在千斤頂的下面和頂部各放置厚5 mm的膠皮。

4 試驗結果分析

懸臂梁及鉆臺稱重試驗的結果見表2，得到的懸臂梁及鉆臺總重量為1 270.5 kN，與理論重量相差只有0.5 kN。然而以往采用平臺陸地稱重然后累計加成的方法，其結果與理論重量差值往往達到5 kN。

試驗結果表明，相對于傳統方法，本文所討論的海上整體稱重方法可以更加準確地測量平臺建造完工后懸臂梁及鉆臺的重量、重心，值得推廣。

Research of Weighing Test for Cantilever Beam and Drill Floor on Jack-up Drilling Platform

Chen Zhongming，Zhou Hao，Ma Zhihui
BohaiEquipment Manufacturing Liaohe Industry Co.，Ltd.，Panjin 124010，China

Cantilever beam，drill floor and derrick are important parts to constitute the weight of a jack-up drilling rig. Parameters of their weights and gravity centers are crucial to accurately determine the weight and the gravity center of the whole rig and to execute related operations.The test method，implementation process and operation risk during whole weighing test of cantilever beam and drill floor in offshore condition are studied in this article by using a jack-up drilling rig at the water depth of 91.44 m（300 ft）as an example.The test results show that compared with traditionalmethod，the whole weighing method applied in offshore condition is able to more accurately measure the whole weight and gravity center of the cantilever beam and drillfloor for the built drilling platform.

jack-up drilling rig；cantilever beam；weighing test

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.005