淺談海洋修井機總體設(shè)計

李偉

【摘要】海洋修井機在海上石油開發(fā)過程中是關(guān)鍵性的技術(shù)設(shè)備，其主要功能包括能夠自動地進行井口回接完井；在石油井進行作業(yè)時可以進行橫向和縱向的移動；可以使用油管進行作，3ka：作：常規(guī)的修井作業(yè)可以順利完成。同時具有標(biāo)準(zhǔn)化、可搬遷式的小模塊化鉆井機是未來我國鉆井石油鉆井平臺上鉆井機技術(shù)發(fā)展的主流方向，隨著我國海洋石油鉆井活動的日益活躍，為海洋鉆井機的開發(fā)和發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用空間，對于未來我國海上鉆井機技術(shù)發(fā)展的展望是：在經(jīng)濟方面和實用性等方面應(yīng)該根據(jù)實際的鉆井平臺條件和技術(shù)水平以及相應(yīng)的作業(yè)環(huán)境等因素進行綜合考慮，靈活選擇海洋鉆井機的裝備，進一步提高海洋鉆井機裝備的可靠性經(jīng)濟性和先進性。

【關(guān)鍵詞】海洋平臺 修井機 設(shè)計參數(shù) 設(shè)計現(xiàn)狀

修井作業(yè)作為油氣開發(fā)過程中的增產(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)過程中，常見的損壞有兩種：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，只有通過修井作業(yè)來進行如更換油管、更換井下采油設(shè)備等才能恢復(fù)油井正常作業(yè)。

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

一、我國海洋修井機發(fā)展現(xiàn)狀

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

在現(xiàn)階段，為達到修井作業(yè)的基本工藝要求，整套修井機一般需要裝備下列四項設(shè)備。

（1）動力驅(qū)動設(shè)備：為修井機的各個工作部件提供源動力，一般由柴油機和電動機等組成。

（2）傳動系統(tǒng)設(shè)備：為修井機傳遞動力的設(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：修井機還應(yīng)配套泥漿凈化系統(tǒng)、野營房、消防安全設(shè)備、井場照明設(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。

國內(nèi)廠家從90年代開始著手設(shè)計用于海洋平臺作業(yè)用的修井機。該類型的修井機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)計的井架為無繃?yán)K結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的海洋無繃?yán)K修井作業(yè)機井架鉤載系列為900kN～2200kN多種系列的產(chǎn)品，修井深度已高達7500m（采用31/2鉆桿），生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)完全能夠與國外技術(shù)相媲美。我國首套自主研發(fā)設(shè)計的海洋變頻電動修井機是2004年為科麥奇研發(fā)設(shè)計制造的KM G/HXJ 180DB修井機，安裝風(fēng)冷液壓盤式剎車，能耗制動，絞車為單滾筒形式，泥漿循環(huán)泵組傳動方式為AC SCR DC，滾筒絞車和機械轉(zhuǎn)盤傳動方式為AC-VVVF-AC，可實現(xiàn)自動送鉆。該井架屬于無繃?yán)K套裝自升式井架，由五段結(jié)構(gòu)套裝組成，由絞車動力依次提升各段井架到達指定位置，可達到41m的有效工作高度，能夠達到平臺吊機的要求，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、海洋修井機井架的設(shè)計現(xiàn)狀

海洋修井機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)還有二層臺高度，上底尺寸和下底尺寸，理論自重及動態(tài)井架的動力特性參數(shù)。

井架的二層臺高度是指從井架大腿底板平面到二層臺底面的垂直距離。二層臺的有效高度則指從鉆臺平面到二層臺底面的垂直距離。二層臺的高度取決于立根的長度和二層臺操作臺的位置，為了便于井架工在二層臺上摘掛吊卡，應(yīng)使二層臺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)計圖紙計算出所有構(gòu)件重量的總和，它表明了井架整體經(jīng)濟性能指標(biāo)。

海洋修井機井架是一大型復(fù)雜的金屬剛架結(jié)構(gòu)，國內(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度，有的研究整體的可靠性，有的從實驗方面開展研究工作，而系統(tǒng)地對井架的靜態(tài)和動態(tài)兩方面進行綜合性的研究不多。

可通過有限元法對井架進行靜強度分析，但早期的分析對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；對海洋井架進行了有限元靜力計算，得出結(jié)論是海洋井架的設(shè)計應(yīng)以最大鉤載為主，而現(xiàn)場使用表明，國產(chǎn)海洋修井機井架曾出現(xiàn)被大風(fēng)刮毀的現(xiàn)象，究其原因可能是由于設(shè)計時以最大鉤載為主而對大風(fēng)的考慮不全面所致。

主要研究井架在鉆機工作荷載和風(fēng)荷載作用下的可靠性問題。在分析井架的可靠性時，早期文獻都沒有涉及結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)統(tǒng)計規(guī)律，而從結(jié)構(gòu)所受荷載的統(tǒng)計分析入手來評價結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)。后來的學(xué)者對井架的穩(wěn)定性進行了研究分析。斜拉桿對前開口井架大腿的穩(wěn)定性存在一定的影響，在設(shè)計時，可充分利用斜拉桿來提高前大腿的穩(wěn)定性；提出一種校核井架彎曲變形后的穩(wěn)定性和計算其承載能力的方法。

通過計算前開口JJ250/42-K型井架前20階振動模態(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、中部抗彎強度不足和前大腿抗彎能力差。對前開口JJ250/42-K型井架進行了模態(tài)試驗，得到了頻響函數(shù)和模型井架動態(tài)特性參數(shù)，指出了模型井架在動態(tài)特性方面存在的薄弱環(huán)節(jié)。計算了ZJ30/1700CZ型鉆機井架前9階振動模態(tài)的固有頻率及相應(yīng)振型，通過對井架的固有頻率與鉆機的設(shè)計工作轉(zhuǎn)速的比較及對各階模態(tài)主振型的分析，認(rèn)為該井架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

三、結(jié)論

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

參考文獻：

[1]程糾.海洋修井機總體設(shè)計淺析[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2015（3）.

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