海洋鉆井平臺(tái)井架應(yīng)用及發(fā)展淺談*

向小榮，趙世剛，龐世強(qiáng)

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司青島分公司，山東青島 266520)

0 引言

石油作為一種不可再生資源，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要能源，因此世界上許多國(guó)家都在進(jìn)行石油的勘探和開(kāi)采。由于地球表現(xiàn)的2/3都被海洋覆蓋，目前已探明的世界海洋石油資源占全球石油資源的34%，其中已探明儲(chǔ)量約為380億噸。因此石油的開(kāi)采也從陸地轉(zhuǎn)向海洋，并且從淺海轉(zhuǎn)向深海，全球?qū)ι詈＿M(jìn)行勘探的有50多個(gè)國(guó)家。未來(lái)世界海洋的油氣產(chǎn)量還將穩(wěn)步上升，成為世界油氣產(chǎn)量增長(zhǎng)的源泉。

我國(guó)也有豐富的石油資源，鉆井采礦已有數(shù)千年歷史，早在明代正德末年(公元1521年)，嘉州(今四川樂(lè)山一帶)地區(qū)用頓鉆打出一口深達(dá)1000余米的井，并采出石油;公元1世紀(jì)就有陜西的鴻門(mén)火井，但是深井鉆井起步卻較晚，到目前無(wú)論是陸地鉆井還是海洋鉆井，在鉆井深度方面都落后于其他國(guó)家。要想在海洋石油開(kāi)采領(lǐng)域占有一席之地，必須有自己先進(jìn)的開(kāi)采設(shè)備。海洋鉆井平臺(tái)是石油勘探、開(kāi)發(fā)的必備裝備，而井架作為海洋鉆井平臺(tái)上的重要部件，也越來(lái)越受到大家的重視。

1 海洋鉆井平臺(tái)井架應(yīng)用要求

海洋鉆井平臺(tái)用井架主要用來(lái)安裝天車(chē)、井架附件、存放立根等。作業(yè)時(shí)，井架能懸掛游車(chē)、大鉤、頂驅(qū)、鉆具并承受一定載荷。所以對(duì)海洋鉆井平臺(tái)配套井架應(yīng)用要求是能承受最大鉤載、立根載荷等的組合載荷，同時(shí)要求井架具有足夠的作業(yè)空間［1］。

2 海洋鉆井平臺(tái)主要井架形式

2．1 帶輔助作業(yè)平臺(tái)的井架

為了提高作業(yè)效率，可對(duì)現(xiàn)有的海洋鉆井平臺(tái)進(jìn)行改造，即在普通塔架上增加外掛式輔助作業(yè)平臺(tái)［2－3］。這種外掛式的輔助作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)有1號(hào)鼠洞和2號(hào)鼠洞孔(如圖1)，1號(hào)鼠洞為半開(kāi)口設(shè)計(jì)，下端離自升式平臺(tái)上甲板有一定的高度;2號(hào)鼠洞為全閉口的設(shè)計(jì)，高度與1號(hào)鼠洞一致。輔助作業(yè)平臺(tái)可利用這兩個(gè)鼠洞來(lái)進(jìn)行離線(xiàn)接單根，接好的單根由1號(hào)鼠洞運(yùn)送到立根盒。由于接好的單根較長(zhǎng)，要送至立根盒存放，就需要將靠近井口輔助平臺(tái)的一側(cè)井架進(jìn)行改造(如圖2)。

對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)來(lái)說(shuō)，配置這種輔助作業(yè)平臺(tái)雖然能夠提高作業(yè)效率，但是增加輔助平臺(tái)的同時(shí)還要拆除舊塔架，安裝新的塔架。新塔架比原有塔架多了前開(kāi)口結(jié)構(gòu)改造，使得塔架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核并對(duì)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。因此對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行此類(lèi)改造時(shí)，應(yīng)從平臺(tái)的使用年限、改造成本、效率提高率等幾方面綜合評(píng)估改造的可行性。而對(duì)于新建造的平臺(tái)，特別是超深井海洋鉆井平臺(tái)，要提高作業(yè)效率可從其他方面考慮，不需要增加這種輔助平臺(tái)，并且塔架的高度、跨距和重量都較大，也不適宜采用這種前開(kāi)口的改造塔架。

圖1 輔助作業(yè)平臺(tái)

圖2 井架改造前后

2．2 自升式井架

海洋鉆井平臺(tái)上的自升式井架結(jié)構(gòu)與陸地K型井架結(jié)構(gòu)相似，主體分成4～5段(如圖3)，但起升方式和普通K型井架有很大差別。自升式井架起升前，先將底段和起升工裝安裝在平臺(tái)上，再將頂段放在起升工裝上，頂段上安裝有天車(chē)，通過(guò)起升裝置將底段和天車(chē)起升到位后，將與頂段相鄰的一段套裝在底段內(nèi)部中心，連接固定，再通過(guò)起升裝置起升這一段。同理依次從上向下安裝各段并起升［4－5］。

海洋鉆井平臺(tái)使用自升式井架時(shí)需要的安裝空間小，不用大型吊機(jī)配合安裝，可利用鉆臺(tái)面的絞車(chē)完成井架的起升工作。并且井架可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)拆裝快速化及海運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了作業(yè)資源、工期和費(fèi)用。目前這種井架已在9000米鉆深的海洋鉆井平臺(tái)得到應(yīng)用。但是這種井架的整體剛度和穩(wěn)定性相對(duì)較差，而且它的結(jié)構(gòu)域陸地鉆機(jī)的井架結(jié)構(gòu)相似，立根盒位于井架空間的外面，影響司鉆觀察坡道上的作業(yè)情況。海上作業(yè)環(huán)境對(duì)井架的防腐蝕性要求高，這種模塊化設(shè)計(jì)的井架要求進(jìn)行防腐措施，對(duì)井架的各模塊設(shè)計(jì)的尺寸有限制要求，因此對(duì)于海洋的特深井鉆機(jī)來(lái)說(shuō)，使用自升式井架還要從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，制造工藝性及安裝效率等幾方面綜合考慮。

2．3 塔形井架

圖3 自升式井架

塔形井架本體是封閉的整體結(jié)構(gòu)，井架所有桿件型心相交。井架立柱和橫、斜桿通過(guò)連接角鋼和高強(qiáng)度螺栓群組連接成一個(gè)整體，在降低安裝難度的同時(shí)提高了過(guò)渡部位的強(qiáng)度和剛度。目前普遍采用的一種塔型井架為單斜式塔形井架(如圖4)，即絞車(chē)面從鉆臺(tái)處傾斜至天車(chē)，其余三面從二層臺(tái)處傾斜至天車(chē);也有一些塔架設(shè)計(jì)成從鉆臺(tái)面傾斜至二層臺(tái)，再?gòu)亩优_(tái)傾斜至天車(chē)。單斜式塔形井架的結(jié)構(gòu)不僅滿(mǎn)足了立根排放及頂驅(qū)安裝要求，而且減小了井架橫截面的尺寸，減輕了重量［6］。

塔形井架在海洋鉆井平臺(tái)的使用非常廣泛，從淺海到深海，從淺井到深井。塔形井架的強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，抗震能力和抗風(fēng)載能力較強(qiáng)，同時(shí)由于底部開(kāi)檔較大，使得井口活動(dòng)范圍大、立根容量足，司鉆視野開(kāi)闊，但是整個(gè)結(jié)構(gòu)連接件較多，安裝和制造相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算難度大。

2．4 一個(gè)半塔架

一個(gè)半井架就是在單井架的基礎(chǔ)上將井架內(nèi)部向一邊擴(kuò)展半個(gè)井架的空間，作為預(yù)接鉆柱使用，以減少鉆前準(zhǔn)備時(shí)間，提高作業(yè)效率(如圖5)。原有的一個(gè)作業(yè)中心進(jìn)行正常起下鉆工作，兩個(gè)鼠洞用來(lái)接、卸立根盒套管以及懸持隔水管等，同時(shí)配備預(yù)接鉆柱用的自動(dòng)管子處理系統(tǒng)［7］。前文中提到的輔助作業(yè)平臺(tái)實(shí)際就是講一個(gè)半塔架中多出的半個(gè)塔架區(qū)域的作業(yè)功能轉(zhuǎn)移至輔助平臺(tái)上。

圖4 單斜式塔形井架

圖5 一個(gè)半塔架

一個(gè)半塔架目前在自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)以及鉆井船都得到應(yīng)用，成為一種提高作業(yè)效率的主要手段，它相對(duì)普通塔架的作業(yè)效率提高17%。由于鉆臺(tái)面增加了預(yù)接鉆柱的區(qū)域，使得井架跨距和鉆塔面積都增大，相應(yīng)重量也增加，并且使用一個(gè)半塔架必須配置系列的自動(dòng)管具處理系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)提高作業(yè)效率的目的。

2．5 雙聯(lián)井架

雙聯(lián)井架就是采用兩個(gè)單井架的空間，兩套游動(dòng)系統(tǒng)，并利用兩個(gè)井口同時(shí)進(jìn)行作業(yè)(如圖6)。一套起升系統(tǒng)用于載荷相對(duì)較小的正常鉆井的起下鉆，另一套起升系統(tǒng)用于速度相對(duì)較慢的起升和下放隔水管與防噴器［7］。

雙聯(lián)井架主要在半潛式平臺(tái)和鉆井船上應(yīng)用。它有兩套提升系統(tǒng)和兩個(gè)井口可同時(shí)作業(yè)，作業(yè)效率相對(duì)普通塔架可提高23%。為了滿(mǎn)足兩套起升系統(tǒng)都順利工作，井架需要配置兩套自動(dòng)管具處理系統(tǒng)，井架四周均設(shè)置相應(yīng)的鉆具操作區(qū)域，因此井架的跨距，鉆臺(tái)面積以及整個(gè)鉆井系統(tǒng)的重量都相應(yīng)增大。由于雙井口的作業(yè)概念已有專(zhuān)利注冊(cè)，新建平臺(tái)在選擇使用雙聯(lián)井架時(shí)應(yīng)從作業(yè)效率、建造成本、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及專(zhuān)利附帶的風(fēng)險(xiǎn)支出等多方面綜合考慮。

2．6 DMPT 箱式井架

DMPT 即 doublemulti－purpose tower(如圖7)，它的設(shè)計(jì)理念是以井架的基本功能－－懸掛游動(dòng)系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)井架的外形進(jìn)行變化，采用箱式結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的框架式井架。兩套游動(dòng)系統(tǒng)懸掛在箱式井架的外部，立根盒也在箱式井架的外部，因此立根容量設(shè)計(jì)時(shí)可不受常規(guī)井架外形及跨距限制。井架還配置雙滾筒絞車(chē)和分體游車(chē)，來(lái)提高作業(yè)效率。

圖6 雙聯(lián)井架

圖7 DMPT箱式井架

DMPT箱式井架目前在自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)以及鉆井船都有應(yīng)用。這種箱式井架占地面積較小，沒(méi)有V型門(mén)高度限制，由于防噴器和采油樹(shù)的操作程序發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可取消底座，鉆臺(tái)與甲板共面，因此有足夠的鉆臺(tái)空間供設(shè)備擺放和操作。

3 海洋鉆井平臺(tái)井架的發(fā)展

(1)對(duì)自升式井架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和優(yōu)化，使之用于特深井海洋鉆井平臺(tái)，特別是自升式鉆井平臺(tái)，來(lái)縮小鉆臺(tái)面積，減少鉆臺(tái)及懸臂梁承受的重量。

(2)發(fā)展可預(yù)接鉆柱的塔架，使之具有一個(gè)半塔架的功能，又兼顧跨距較小，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，提高作業(yè)效率的同時(shí)控制鉆臺(tái)和懸臂梁承受的重量。

(3)發(fā)展新型的箱式井架。這種井架的使用不受海洋鉆井平臺(tái)的限制，并且鉆臺(tái)面積寬裕，配置的雙滾筒絞車(chē)可以同時(shí)工作，提升速度遠(yuǎn)高于一個(gè)絞車(chē)單獨(dú)工作。分體游車(chē)可實(shí)現(xiàn)快速換繩，提升能力和提升速度也隨之提高或降低。

(4)發(fā)展帶有自動(dòng)管具處理系統(tǒng)的井架配套設(shè)備。自動(dòng)管具處理系統(tǒng)是鉆井作業(yè)自動(dòng)化操作的關(guān)鍵部分。要提高鉆井作業(yè)效率，不僅僅是減少起下鉆作業(yè)的時(shí)間，鉆桿、套管和隔水管的搬運(yùn)和排放也嚴(yán)重影響著鉆井計(jì)劃。因此在鉆井的同時(shí)離線(xiàn)接立根、自動(dòng)傳送和排放鉆桿等操作也會(huì)大大節(jié)省鉆井時(shí)間，提高整體作業(yè)效率［8］。

4 結(jié)語(yǔ)

海洋鉆機(jī)上的井架類(lèi)型多變，不同的海域環(huán)境，不同的平臺(tái)形式選擇的井架也不同。從傳統(tǒng)的塔形井架到節(jié)省安裝空間的自升式井架，還有根據(jù)新型鉆井工藝改造的一個(gè)半塔架和雙聯(lián)井架，以及新式的箱式井架，都有各自的優(yōu)勢(shì)及其使用領(lǐng)域。

從目前石油儲(chǔ)量的地域以及深度分析來(lái)看，發(fā)展適合海洋超深井鉆機(jī)的井架是必要的:①對(duì)現(xiàn)有自升式井架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和優(yōu)化，使之能夠用于超深井鉆機(jī);②配合新的鉆井工藝開(kāi)發(fā)新型的可預(yù)接鉆柱。提高作業(yè)效率的特殊塔架;③配備自動(dòng)化的管具處理系統(tǒng)。根據(jù)目前世界的海洋鉆井平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀以及我國(guó)的海洋平臺(tái)制造技術(shù)現(xiàn)狀，我們應(yīng)積極開(kāi)發(fā)出適用于12 000m鉆深的自升式平臺(tái)和15 000 m鉆深的半潛式平臺(tái)用井架類(lèi)型。

［1］ 李繼志．石油鉆采機(jī)械概論［M］．北京:中國(guó)石油大學(xué)出版社，2009．

［2］ 范 曉，宋林松，段夢(mèng)蘭，等．實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)操作的自升式平臺(tái)鉆臺(tái)面改造設(shè)計(jì)［J］．石油機(jī)械，2013，41(8):47－51．

［3］ 楊秋榮，范白濤，宋林松．鉆井平臺(tái)增加井口輔助作業(yè)平臺(tái)可行性分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43(7):16－19．

［4］ 葛運(yùn)春，劉孔忠，魏柳興，等．9 000 m自升式海洋井架的研制［J］．石油機(jī)械，2014，42(11):151－154．

［5］ 郝玉忠．JJ450型海洋鉆機(jī)井架制造工藝［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2003，32(3):63－65．

［6］ 侯 敏，黃 潔，王世軍，等．超深井海洋鉆機(jī)井架的研制［J］．石油機(jī)械，2014，42(11):88－92．

［7］ 晏紹枝，李浪清，黃映城．海洋石油981超深水平臺(tái)鉆井模塊的優(yōu)化布置設(shè)計(jì)［C］．2011年度鉆井技術(shù)研討會(huì)暨第十一屆石油鉆井院所長(zhǎng)會(huì)議論文集［A］．2011．

［8］ 張 勇．海洋鉆機(jī)井架技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．石油機(jī)械，2009，37(8):92－95．