小跨距海洋修井機穩定性分析

王曉雷

(中海油天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452)①

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開發應用

小跨距海洋修井機穩定性分析

王曉雷

(中海油天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452)①

摘要：海洋修井機受平臺結構的限制，有些需要設計成小跨距結構。小跨距修井機的穩定性較差，必須更加重視抗傾覆能力計算。通過分析小跨距修井機的抗傾覆因素，提出提高修井機穩定性的幾種方法。通過調整鉆臺面上設備的布局，特別是采用增加配重的方法，顯著提高了修井機的穩定性。

關鍵詞：修井機；小跨距；穩定性

渤海許多老平臺修井機的提升能力有限，無法滿足大載荷措施井、調整井的作業要求，對修井機進行升級改造成為一種發展趨勢[1]。在修井機升級改造項目中，受平臺承重能力、主梁跨距、井槽分布等情況的限制，造成修井機的下底座跨距較小，邊緣井槽與修井機導軌距離過小，從而對修井機的穩定性造成不利影響。

常規修井機的穩定性計算是根據API Spec 4F進行，由于風載因素對穩定性影響較大，一般只分析最大風載工況，即井架直立狀態。小跨距修井機由于其特殊結構，在不考慮外部因素(風載)的工況下也容易出現失穩情況，因此應增加此工況下的穩定性分析。本文針對渤海某平臺小跨距修井機出現的上底座失穩情況，分析了影響修井機穩定性的因素，提出幾種提高修井機穩定性的方法。

1修井機的布置方式

海洋修井機的布置方式主要有2種類型。

1)平行布置。修井機的上移動底座和下移動底座的主梁方向一致，如圖1。

優點：結構簡單，質量輕。下底座主梁寬度與上底座主梁寬度一致，能夠覆蓋到離平臺邊緣比較近的井位。

缺點：下底座兩個支腿跨距較小時，極限井位的穩定性較差。

圖1　平行布置的海洋修井機

2)垂直布置。修井機的上移動底座和下移動底座的主梁方向垂直，如圖2。

優點：下底座縱橫滑移性能較好，能夠覆蓋多個井區。穩定性較好，不同井位時，下底座支點受力相對均勻。

缺點：結構尺寸大，質量大。井槽距離平臺邊緣較近時，修井機就位難度大。部分井位坡道安裝可能會受到下底座連桿結構影響。

圖2　垂直布置的海洋修井機

2小跨距修井機的穩定性分析

2.1小跨距修井機的模型

以某平臺配置的HXJ158型修井機為例，其下底座導軌跨距7.5 m，平行布置。因油田開發需要，該平臺進行外掛平臺改造，從而形成新、舊2個井區。為滿足2個井區的修井作業需要，對修井機進行了升級改造。因受到平臺布局的限制，升級改造后，修井機采用平行布置方式，兩側甩鉆的安裝方式。

由于平臺導軌梁跨距只有7.5 m，極限井位距離導軌梁只有1.5 m(如圖3)，造成修井機在極限井位Ⅲ時結構自重偏心較大(如圖4～5)，因此存在較大的失穩風險。

圖3　小跨距修井機

圖4　極限井位工況上底座支腿翹起

2.2穩定性分析[2]

修井機整體穩定性，是指修井機抗傾覆能力和相對滑動計算分析。穩定性系數是衡量修井機安全性的重要指標，它是指無繃繩修井機在最大載荷工況下，設備自重(除井架外)與離井口最近的兩支腿連線產生的彎矩與最大起重質量和井架的質量與離井口最近的兩支腿連線轉動的彎矩比[3]。海洋獨立式鉆井結構的最低傾覆安全系數為1.50。

常規修井機穩定性計算僅對修井機最大受力工況進行分析計算，即：修井機在無鉤載滿立根時承受47.8 m/s風速，以及無鉤載無立根時承受55 m/s風速[4]。小跨距修井機由于其特殊結構，在極限井位時不考慮風載的情況下，失穩風險仍較大，因此，需要分析不考慮外部因素(風載)工況下的穩定性。

2.2.1修井機穩定性分析

修井機穩定性主要取決于自身結構自重、重心分布和環境因素。由于修井機在極限井位Ⅲ的結構重心偏重最嚴重，因此，只需對極限井位Ⅲ的穩定性進行分析。

以極限井位Ⅲ的井口中心為坐標原點，建立右手坐標系，如圖5～6。

圖5　極限井位坐標

圖6　下底座位置(A、B、C、D表示下底座支點)

通過計算，得出在極限井位時，修井機的重心如表1。通過對表1進行分析，表明在極限井位Ⅲ，井架直立狀態時，修井機的整機重心位于修井機兩個支腿(A、B)之間，且距離修井機支點(B、C支腿)中心位置62 mm。在極限井位Ⅲ，井架放倒(水平)狀態時，修井機的整機重心在主梁C的北側，且距離修井機支點(B、C支腿)中心2 652.8 mm。

因此，可以得出如下結論：

1)在不考慮外部載荷的因素下，理論上修井機(井架直立狀態)在極限井位Ⅲ時，是穩定的。考慮到海洋實際環境因素，其穩定性存在較大風險。

2)在不考慮外部載荷的因素下，理論上修井機(井架放倒狀態)在極限井位Ⅲ時，是失穩的。因此，應嚴禁在此井位放倒井架。

2.2.2提高穩定性措施

為提高小跨距修井機的穩定性，提出幾種優化措施：

1)優化修井機鉆臺結構，減小鉆臺長度。通過優化設備布局、鉆臺結構，將鉆臺長度由原設計的1 6000 mm優化為15 500 mm，長度縮短了500 mm。鉆臺長度減小能夠有效減小傾覆力矩，但受限于鉆臺設備布置，能夠優化的余地有限。

2)優化鉆臺布局，盡量將設備擺放至立根盒一側。將液壓站位置向立根盒方向移動(如圖7)。柴油機附近只保留一個燃油箱。優化鉆臺設備布局能夠改善修井機受力情況，減小傾覆力，但考慮到設備使用性能，僅能對部分設備進行優化。此方案僅能改善修井機穩定性，但無法徹底消除穩定性風險。

圖7　鉆臺布局

3)增加配重。在下底座立根盒一側(存在上翹傾向)增加配重，設置1個1.6 m3的配重箱，配重箱內填充7.85 t鐵砂(如圖3)。通過增加配重，平衡極限井位時的傾覆力。增加配重的質量越大，修井機穩定性的安全系數越大。此方案能夠有效解決修井機穩定性風險高的問題，可操作性強，易于實施。

但增加配重的方案在一定程度上導致修井機支點反力略有增加，因此需要按照優化方案的支點反力校核平臺承重能力。對樁基承載能力有限的老平臺，應調研該平臺的井深，校核修井機實際最大作業井深的支點反力。

2.2.3分析及結論

綜合分析3種優化方案，對優化前后修井機整機重心以及4個支腿的支反力[5]進行計算，將計算結果進行對比，如表2～3。

表2　優化前后的修井機重心位置

表3　優化前后的修井機支腿反力

注：1)工況：自重力+0°操作風(21.6 m/s)。

2)“-”表示受拉力。

通過表2～3的數據對比，可以看出，優化后，在極限井位Ⅲ，井架直立狀態時，修井機的整機重心由原來的-1.438 m變為-1.046 m。修井機重心位于修井機兩個支腿(A、B)之間，且距離修井機支點(B、C支腿)中心位置由62 mm變為454 mm。如圖8。優化后，A、D兩個支點由拉力變為壓力，修井機4個支點反力均為壓力，表明該工況下修井機穩定，優化方案取得明顯效果。特別是增加配重的方案對改善穩定性的效果顯著。

圖8　優化前后修井機重心對比

3結論

1)通過3種方案的優化，小跨距海洋修井機的穩定性顯著提高，解決了現場實際問題。

2)結合油田實際情況，合理增加配重的方案既考慮了平臺承重能力的要求，又顯著地改善了修井機失穩的問題。為改善小跨距修井機的穩定性提供了一種切實可行的方法。

3)在今后的小跨距修井機設計工作中，應更加重視穩定性問題。應在設計階段做好優化設計，提高修井機的穩定性；在建造過程中應重點做好結構尺寸、質量控制。

4)在設備使用說明書中應對失穩的風險進行特別說明；在現場應懸掛明顯的警示牌以及操作規程；在操作培訓時應對修井機穩定性風險以及相關特殊要求進行重點培訓。

參考文獻 ：

[1]王曉雷.海洋修井機升級改造可行性分析[J].石油和化工設備，2015，18(7)：47-50.

[2]GB/T 25428—2010，鉆井和采油設備 鉆井和修井井架、底座[S].

[3]馬昌林.無繃繩修井機穩定性仿真分析[J].石油礦場機械，2011，40(9)：53-56.

[4]丁輝.K80海洋修井機穩定性分析及加固設計[J].石油機械，2012，40(6)：59-61.

[5]王祥偉.HXJ158海洋修井機使用說明書[Z].

文章編號：1001-3482(2016)07-0060-04

收稿日期：①2016-01-12

作者簡介：王曉雷(1979-)，男，山東青島人，工程師，2003年畢業于青島科技大學，現從事海洋鉆/修井機、海洋鉆采設備設計及技術研究工作，E-mail：wangxl22@cnooc.com.cn 。

中圖分類號：TE952

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.013

Small Span Ocean Workover Rig Stability Analysis

WANG Xiaolei

(BohaiOilResearchInstitute，TianjinBranchofCNOOCLtd.，Tianjin300452，China)

Abstract：Restricted by the structure of the platform，ocean workover rig sometimes need to be designed into small span structure.The stability of small span of workover rig is poorer，and more attention must be paid to anti-overturning calculation.Through the analysis of anti overturning factors on small span of workover rig，several methods for improving the stability of the workover rig are proposed.The stability of workover rig can be improved significantly by adjusting the equipment position on the drilling platform，especially by increasing the counterweight.

Keywords：workover rig；small span；stability