深水鉆井井架選型與設計計算概述

彭紹源++李任戈++胡哲++熊偉

摘 要：本文為推進深水鉆井裝備研發與技術進步，分析了現有深水鉆井井架應用環境、結構形式及各自特點，提出了深水鉆井井架選型原則以及設計計算的注意事項，對深水鉆井井架的方案設計與結構計算具有指導意義。

關鍵詞：深水鉆井平臺 一個半井架 雙井架 選型 計算

中圖分類號：TE923 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（b）-0067-02

海洋蘊藏了豐富的油氣資源，海上油氣開發，尤其是深水油氣開發受到各海洋大國的重視。目前，中國對國外能源的依存度已超過60%，油氣開發從內陸走向深水成為必然。海洋工程裝備產業是當前國家重點培育和發展的戰略性新興產業。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》（2006—2020年）把大型海洋工程技術與裝備列入制造業重點領域和優先主題之一。

雖然，目前由于受到全球經濟低迷等多種因素影響，油氣價格相對10年前大幅降低，整個油氣勘探、開發及裝備制造行業均受到嚴重影響，投資與生產均處于歷史低位，但是對于深水勘探和開發新技術，及其裝備制造新技術的研發從未停止。相反，深水裝備技術研發更加貼近工程實踐，或者更加可靠、智能，或者更加實用、經濟。

在深水裝備領域，在“十三五”期間，既有“十二五”項目的延續，也有許多新的立項。井架作為深水鉆井裝備的重要部件，持續受到各生產廠商和科研院所的關注。

1 深水鉆井井架分類及選型

深水鉆井平臺目前主要形式有半潛式平臺和鉆井船。配套的井架按結構形式，主要有塔形井架、液壓缸鉆機A形井 架等結構，見圖1～圖4。按功能分類，又分為單井架、雙井架和一個半井架。

雙井架適合于單/雙井口作業，采用雙鉆井系統[1-2]，一套系統用于正常鉆井，另一套系統用于隔水管及水下防噴器作業，兩套系統交替使用，具有協同和并行作業的特點，可以簡化鉆井路線，提高鉆井效率。雙井架最早由Transocean公司申請了專利（專利號：US6068069），其專利有效地區包括美國、澳大利亞、新西蘭、日本、韓國、新加坡和挪威[1]，國外雙絞車、雙井架系統專利還包括US6217258B1等。國內廠家在雙井架研究方面做了一些有益的探索[3-4]，例如：寶雞石油機械有限責任公司申報了一種雙作業塔形井架實用新型專利（專利號：CN200820029813.3），中國石油天然氣集團公司等申報了一種陸地雙聯鉆機井架（專利號：CN201120120060.9）。

一個半井架與常規單井架相似，只有一套鉆井系統、一個作業井口，通常配備有隔水管移運機、防噴器移運及吊裝機（在月池，可利用此設備離線下放套管作業），井架內部配備兩套或兩套以上管柱處理系統，其中一套管柱處理系統用于離線作業（例如井架內部配置一套單根提升機、二層臺及井口機械手，配合井場折臂機、貓道輸送機等，在正常鉆進時，在鉆臺進行另一單根準備工作），降低鉆井過程中對接或拆卸管柱用輔助時間，其鉆井效率低于雙井架，但高于單井架。與雙井架相比，一個半井架配置相對較少，重量較輕，運營及維護成本也相對較低。一個半井架結構見圖5[5]。

雙井架和一個半井架都成為深水浮式鉆井平臺的主流配置。塔形雙井架由于其寬闊的井口空間、較強的整體穩定性，在深水鉆井平臺上配置相對較多。

當深水鉆井平臺日租費用相對較低時，或者深水鉆井平臺有效工作時間相對較少，采用一個半井架或一個半井架的改進型，成本與收益會更合理，更加具有競爭性。

2 深水鉆井井架設計及計算

2.1 深水鉆井井架特點

（1）除了具備常規井架安放天車、安裝高壓泥漿管匯、懸掛游動系統、提升鉆柱等功能外，還需要充分考慮隔水管提升和下放作業、防噴器作業等。

（2）由于鉆井井架處在深水作業環境，通常作業水深400～3000m，需要承受颶風的直接作用，以及颶風、巨浪、海流引起平臺運動而帶來的動態載荷。

（3）由于新型深水鉆井井架通常采用四立根作業，配套升沉補償裝置、較多的自動化作業工具，因而井架高度高、橫截面尺寸大，以海洋石油981為例，橫截面尺寸約15.85m×14 m，高約64m，總重量約980t。

（4）深水鉆井井架遠離海岸，在維護保養方面，需具有較強的自適應能力或較大的冗余。

2.2 深水鉆井井架設計計算注意事項

深水鉆井井架的設計計算與陸上或淺海鉆井井架不同，需要充分考慮隔水管和水下防噴器的下放與回收，考慮復雜和惡劣的海上作業工況。由于深水作業設備失效帶來的風險更大，因而在井架設計與計算時，需要充分考慮以下因素[6-10]。

（1）在方案設計時，充分考慮作業的海況和作業的鉆井深度，綜合分析其可能遭遇的種種靜載荷、剎車載荷，以及鉆井平臺升沉運動所引起的動態載荷來確定井架最大鉤載。

（2）根據井架配套的平臺或鉆井船型、預期的作業海域、鉆井工作量，以及設備投資收益分析，確定井架的主要結構形式。并且，井架結構形狀的選擇及桿件布置要有利于減小風阻，有利于主載荷路徑上力的傳遞。

（3）在設計井架主體結構的同時，充分考慮井架各種附屬設備及鉆臺設備與工具的布置，預留安裝位置及支承結構，最大限度提高井架及井口作業效率。

（4）在井架方案確定之后，基本設計階段按照規范的要求及使用要求進行全工況計算。

（5）井架詳細設計完成后，對關鍵連接、重要焊縫等細節部位均進行校核計算。

（6）根據計算結果進行安全性評估。

（7）必要時，對結構進行改進或優化設計。

3 結語

我國深水鉆井裝備的研制目前還處于起步階段，大型深水鉆井井架的完全自主研制與應用仍是空白。在進行深水鉆井井架的自主開發時，需進行仔細論證，敢于創新、敢于實踐。設計階段應打破先設計、后校核的傳統習慣，應采用先進的設計計算及試驗驗證手段，確保深水鉆井井架安全可靠、適用科學，進而實現深水鉆井井架的國產化。

參考文獻

[1] 楊軼普，肖文生，王凌寒.深水半潛式鉆井平臺井架經濟性分析[J].中國海洋平臺，2008，23（6）：46-50.

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[3] 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.

[4] 寶雞石油機械有限責任公司.雙作業塔形井架：中國，CN200820029813.3[P].2009-07-01.

[5] 林瑤生，晏紹枝，李浪清，等.“海洋石油981”深水鉆井平臺鉆井系統的優化設計[J].中國造船，2013，54（a01）：29-35.

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[7] API Spec 4F.Specification for Drilling and Well Servicing Structures[S].2013.

[8] 任化斌，何軍國.水井鉆機井架及其焊接接頭設計計算和驗證[J].機械設計與研究，2017，33（2）：101-103.

[9] 任化斌，何軍國，周莉莉.石油鉆井和修井井架設計的安全性評估[J].河南科技，2017（3）：57-59.

[10] 尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2005.endprint