淺談海洋修井機(jī)總體設(shè)計(jì)

李偉

【摘要】海洋修井機(jī)在海上石油開發(fā)過(guò)程中是關(guān)鍵性的技術(shù)設(shè)備，其主要功能包括能夠自動(dòng)地進(jìn)行井口回接完井；在石油井進(jìn)行作業(yè)時(shí)可以進(jìn)行橫向和縱向的移動(dòng)；可以使用油管進(jìn)行作，3ka：作：常規(guī)的修井作業(yè)可以順利完成。同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)化、可搬遷式的小模塊化鉆井機(jī)是未來(lái)我國(guó)鉆井石油鉆井平臺(tái)上鉆井機(jī)技術(shù)發(fā)展的主流方向，隨著我國(guó)海洋石油鉆井活動(dòng)的日益活躍，為海洋鉆井機(jī)的開發(fā)和發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用空間，對(duì)于未來(lái)我國(guó)海上鉆井機(jī)技術(shù)發(fā)展的展望是：在經(jīng)濟(jì)方面和實(shí)用性等方面應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的鉆井平臺(tái)條件和技術(shù)水平以及相應(yīng)的作業(yè)環(huán)境等因素進(jìn)行綜合考慮，靈活選擇海洋鉆井機(jī)的裝備，進(jìn)一步提高海洋鉆井機(jī)裝備的可靠性經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性。

【關(guān)鍵詞】海洋平臺(tái) 修井機(jī) 設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

修井作業(yè)作為油氣開發(fā)過(guò)程中的增產(chǎn)措施工藝，是保障油、水、氣井正常工作、油氣資源得以充分開發(fā)的重要施工環(huán)節(jié)。油、水、氣井在開發(fā)過(guò)程中，常見(jiàn)的損壞有兩種：一是結(jié)構(gòu)性損害，如油套管的斷裂以及油管絲扣的損壞等：二是注采設(shè)備損壞，如抽油泵的磨損失效以及抽油桿的斷裂等。出現(xiàn)故障后，只有通過(guò)修井作業(yè)來(lái)進(jìn)行如更換油管、更換井下采油設(shè)備等才能恢復(fù)油井正常作業(yè)。

國(guó)外生產(chǎn)海洋修井機(jī)的公司主要有美國(guó)IRI公司、NationalOilwell公司、Cooper公司、HRI公司、Wilson公司、美國(guó)ASW修井公司和挪威Maritime Hydraulics公司（canada）。我國(guó)海洋油田所用的修井機(jī)多數(shù)是引進(jìn)國(guó)外的產(chǎn)品，主要是美國(guó)IRI公司、Virlson公司和加拿大MH公司。最近幾年，隨著國(guó)產(chǎn)海洋修井機(jī)技術(shù)水平的提高，我國(guó)油田也開始使用國(guó)產(chǎn)海洋修井機(jī)。

一、我國(guó)海洋修井機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

修井機(jī)是在修井作業(yè)中進(jìn)行起下油管、抽油泵、抽油桿等設(shè)施的專用機(jī)械和主要設(shè)備。修井機(jī)可分為動(dòng)力、傳動(dòng)、工作及輔助部件四部分。

在現(xiàn)階段，為達(dá)到修井作業(yè)的基本工藝要求，整套修井機(jī)一般需要裝備下列四項(xiàng)設(shè)備。

（1）動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備：為修井機(jī)的各個(gè)工作部件提供源動(dòng)力，一般由柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)等組成。

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備：為修井機(jī)傳遞動(dòng)力的設(shè)備及配件，此外還包含液控設(shè)備、電控設(shè)備、控制臺(tái)等各種控制設(shè)備。

（3）工作系統(tǒng)設(shè)備：由底盤行走系統(tǒng)、井架起升系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤（動(dòng)力水龍頭）旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等組成，用以完成修井主要施工作業(yè)。

（4）輔助系統(tǒng)設(shè)備：修井機(jī)還應(yīng)配套泥漿凈化系統(tǒng)、野營(yíng)房、消防安全設(shè)備、井場(chǎng)照明設(shè)備、防噴器組以及各類連接接頭等其它配合井下作業(yè)用的井口工具。

國(guó)內(nèi)廠家從90年代開始著手設(shè)計(jì)用于海洋平臺(tái)作業(yè)用的修井機(jī)。該類型的修井機(jī)的井架一般為塔型或套裝伸縮型井架，為了節(jié)省空間，所設(shè)計(jì)的井架為無(wú)繃?yán)K結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的海洋無(wú)繃?yán)K修井作業(yè)機(jī)井架鉤載系列為900kN～2200kN多種系列的產(chǎn)品，修井深度已高達(dá)7500m（采用31/2鉆桿），生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)完全能夠與國(guó)外技術(shù)相媲美。我國(guó)首套自主研發(fā)設(shè)計(jì)的海洋變頻電動(dòng)修井機(jī)是2004年為科麥奇研發(fā)設(shè)計(jì)制造的KM G/HXJ 180DB修井機(jī)，安裝風(fēng)冷液壓盤式剎車，能耗制動(dòng)，絞車為單滾筒形式，泥漿循環(huán)泵組傳動(dòng)方式為AC SCR DC，滾筒絞車和機(jī)械轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)方式為AC-VVVF-AC，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆。該井架屬于無(wú)繃?yán)K套裝自升式井架，由五段結(jié)構(gòu)套裝組成，由絞車動(dòng)力依次提升各段井架到達(dá)指定位置，可達(dá)到41m的有效工作高度，能夠達(dá)到平臺(tái)吊機(jī)的要求，井架底部開檔為4.6m*5m，司鉆及作業(yè)工的操作空間開闊。

二、海洋修井機(jī)井架的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

海洋修井機(jī)井架的基本特性參數(shù)主要包括最大鉤載、井架高度、二層臺(tái)容量、井架的抗風(fēng)能力及理論自重等。

井架的其他參數(shù)還有二層臺(tái)高度，上底尺寸和下底尺寸，理論自重及動(dòng)態(tài)井架的動(dòng)力特性參數(shù)。

井架的二層臺(tái)高度是指從井架大腿底板平面到二層臺(tái)底面的垂直距離。二層臺(tái)的有效高度則指從鉆臺(tái)平面到二層臺(tái)底面的垂直距離。二層臺(tái)的高度取決于立根的長(zhǎng)度和二層臺(tái)操作臺(tái)的位置，為了便于井架工在二層臺(tái)上摘掛吊卡，應(yīng)使二層臺(tái)的底面比存放在立根盒上的立根高度低1.82.0米。

塔形井架上體、下體尺寸分別指井架相鄰大腿在井架頂面和底面上的大腿軸線間的水平距離。井架的理論自重是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算出所有構(gòu)件重量的總和，它表明了井架整體經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

海洋修井機(jī)井架是一大型復(fù)雜的金屬剛架結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于井架力學(xué)性能的研究已取得許多成果，但對(duì)其研究一般都是從單一角度開展：有的研究井架主要部件的強(qiáng)度，有的研究整體的可靠性，有的從實(shí)驗(yàn)方面開展研究工作，而系統(tǒng)地對(duì)井架的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面進(jìn)行綜合性的研究不多。

可通過(guò)有限元法對(duì)井架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，但早期的分析對(duì)象都是陸地上使用的井架，其工作環(huán)境與海洋環(huán)境有很大的差別；對(duì)海洋井架進(jìn)行了有限元靜力計(jì)算，得出結(jié)論是海洋井架的設(shè)計(jì)應(yīng)以最大鉤載為主，而現(xiàn)場(chǎng)使用表明，國(guó)產(chǎn)海洋修井機(jī)井架曾出現(xiàn)被大風(fēng)刮毀的現(xiàn)象，究其原因可能是由于設(shè)計(jì)時(shí)以最大鉤載為主而對(duì)大風(fēng)的考慮不全面所致。

主要研究井架在鉆機(jī)工作荷載和風(fēng)荷載作用下的可靠性問(wèn)題。在分析井架的可靠性時(shí)，早期文獻(xiàn)都沒(méi)有涉及結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而從結(jié)構(gòu)所受荷載的統(tǒng)計(jì)分析入手來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)。后來(lái)的學(xué)者對(duì)井架的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析。斜拉桿對(duì)前開口井架大腿的穩(wěn)定性存在一定的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，可充分利用斜拉桿來(lái)提高前大腿的穩(wěn)定性；提出一種校核井架彎曲變形后的穩(wěn)定性和計(jì)算其承載能力的方法。

通過(guò)計(jì)算前開口JJ250/42-K型井架前20階振動(dòng)模態(tài)的固有頻率及相應(yīng)振型，認(rèn)為該井架頂部抗扭能力差、中部抗彎強(qiáng)度不足和前大腿抗彎能力差。對(duì)前開口JJ250/42-K型井架進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，得到了頻響函數(shù)和模型井架動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，指出了模型井架在動(dòng)態(tài)特性方面存在的薄弱環(huán)節(jié)。計(jì)算了ZJ30/1700CZ型鉆機(jī)井架前9階振動(dòng)模態(tài)的固有頻率及相應(yīng)振型，通過(guò)對(duì)井架的固有頻率與鉆機(jī)的設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速的比較及對(duì)各階模態(tài)主振型的分析，認(rèn)為該井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

三、結(jié)論

隨著采油新技術(shù)的不斷發(fā)展，老平臺(tái)修井機(jī)升級(jí)改造將成為一種提高原油產(chǎn)量的重要手段，必將越來(lái)越多地應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。更加科學(xué)、合理、規(guī)范地進(jìn)行修井機(jī)升級(jí)改造可行性的論證，將成為海洋石油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大助力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李孟杰，李巨川.淺海作業(yè)平臺(tái)修井系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)海洋平臺(tái)2003，（2）.