海上平台组装式修井装置的设计与计算

盖永革，古青海，江正清

（1.中国石油大学（华东），山东 青岛266555；2.中石化胜利石油工程有限公司a.井下作业公司；b.钻井工艺研究院，山东 东营257000）①

修井作业是提高原油采收率的重要措施。目前，可供海上油田选择的修井设施主要包括平台模块钻机，即1个平台需钻较多的开发井时，选择平台模块钻机完成钻完井工作，后期作为该油田修井设施等［1］。综合考虑投资成本，海上部分采油平台不适合安装固定的修井设备，修井作业主要依靠钻井船重新就位或专用工作船来完成。目前，移动式修井设施的生产任务繁重，无法满足海上修井作业的需求，许多油井不能及时进行修井作业，影响了浅海油田的石油开发，而且移动式修井设施的作业成本较高。目前，仅渤海海域就建有13座无修井机采油平台，所以研制简易、轻型、模块化、修井作业成本低的海上组装式修井装置是非常必要的。

1 海上修井装置的发展趋势

在国内，海洋修井机经过近20a的发展，已初步形成系列化，功能上基本能满足海洋油田的需求。为适应不同海域环境、不同平台类型、不同作业方式以及特殊作业的需要，我国海洋修井机目前呈现出多元化的发展趋势，例如可搬迁式、小模块化海洋修井机和海洋模块钻机等［2］。近年研制成功了多功能海洋3 000m钻修机，标志着我国海洋石油钻采装备研制能力取得重大进展，该钻修井机集钻井、完井、修井3项功能于一体，适用于自升式、自航式海洋多功能钻井船作业。在结构设计上，全部实现模块化和高移运性，可满足海上作业现场频繁拆卸、移运和安装的需要，能大幅提高海洋油气勘探开发的工作效率。

通过引进、国产化、再创新，目前我国海上采油平台已普遍装备了国产海洋钻修井机，但在整机的设计水平、防腐工艺水平、产品质量控制和管理水平、厂家提供的随机技术资料等方面与国外海洋钻修机相比仍存在一定差距［3］，在针对不同平台类型、特殊要求而研制的钻修机与国外存在较大差距，例如国外已针对单井或无承载能力采油平台开发出液压简易修井装置（如图1），国内尚未见类式修井装置研制的相关报道。

图1 国外的海上简易修井装置

钻修井设备的安全性、稳定性、运移性以及设计上的统一性等影响着石油工业相关工程的安全与稳定性，同时也决定着工程的成本投入水平。因此，设备更加安全可靠，寿命较长，性能更优；更趋机械化、自动化、智能化，设备的高效节能特性更为突出；能够满足不同环境条件之下的作业需求等是未来钻修井设备发展的主要方向［5］。

2 海上组装式修井装置总体方案

2.1 技术要求

设计的海上组装式修井装置符合石油钻机和修井机标准 GB／T 23505—2009、API相关标准及中国海洋石油总公司企业标准Q／HS 2007。采用模块化设计，自升式井架，模块质量小于5t。装置作业时采油平台仅承受修井装置的自重力，管柱与提拔载荷可分配到井口上。

主要技术参数［6－7］：

名义小修井深（2″外加厚油管）4 000m

名义大修井深（2″钻杆）3 200m

额定钩载 600kN

最大钩载 900kN

绞车功率 275kW

井架高度 30m（22m）

二层台安装高度单根（双根）8.5m（16.5m）

有效绳数 6根

钢丝绳直径 26mm

大钩最大起升速度 1.2m／s

整机总质量 50t

2.2 总体结构方案

根据整体要求和主要技术参数，通过技术调研和分析研究，确定了总体结构方案，如图2。包括纵横向移动工作台、自升式井架、电机直驱绞车、电机直驱钻盘、天车台、游动系统、司钻控制房及井口连接组件等。

图2 海上组装式修井装置结构方案

特点：

1） 通过液压驱动使底座横向及纵向移动，可进行丛式井作业。

2） 采油平台仅承受海上简易修井装置的自重力，作业过程中的起升重力和作业管柱的重力由井口承担。

3） 井架为自升式结构，利用梯形基础座的油缸进行井架的起升操作。井架分段、分片制造，便于运输，节约运输成本，且安装简便、起升平稳、工作可靠。

4） 工作台移动、井架起升、井口承载控制等均采用液压技术，充分发挥液压驱动的优势。在液压件的选用、液压系统和阀板的设计上均以高可靠性和节能为原则，减小装机功率。考虑液压系统工作的非同时性，可采用统一的液压泵站，提高设备的利用率。

5） 绞车、转盘采用低速大扭矩交流电机直接驱动，较少了传动环节，效率高、维修方便，控制方便。

6） 游车、天车等均采用相关标准规定的通用件，性能可靠。

7） 操作室采用侧挂室安装，减小工作台的面积。控制方式采用集中控制及远程气控操作相结合的方案。

8） 井架设计有4个绷绳点，可根据现场实际情况确定是否安装绷绳。

9） 整机结构为模块化设计，模块质量均小于5t，适用于采油平台小型吊车安装的需要。

3 关键部件结构

3.1 横纵向移动式工作台

横纵向移动式工作台由横向工作台、横向移动导轨、横向支腿、纵向工作台、纵向移动导轨、支撑油缸等组成，结构方案如图3。

图3 横纵向移动式工作台结构方案

3.1.1 技术特点

1） 横纵向移动式工作台由6个油缸支撑，每个支撑油缸下部连接4个滚轮，通过驱动机构可使修井机整体沿轨道移动，以对准待修井井口。每组滚轮设置轨道制动器，可使钻台与轨道相互固定。

2） 支撑油缸活塞伸出，可使工作台整体上升。在整体沿着轨道前后移动过程中其下端的重力传递短节不与井口法兰发生干涉碰撞。对准井眼后，油缸活塞缩回，使工作台整体下移，接近井口法兰时停止下移，并微调井口重力传递短节下部的法兰，使螺栓孔对准，穿上法兰螺栓；进一步下放钻台，使井口连接短节法兰与井口法兰接触，再固定法兰螺栓。

3） 6个支撑油缸采用同步控制回路和稳压控制回路：同步回路确保工作台起落时6个支撑油缸伸缩同步平稳；稳压控制回路则用于分配载荷，即支撑油缸以承担修井机自重力为主，起升过程的其余重力由井口参与负担。具体原理是：随着钩载的上升，支撑油缸内的油压随之上升，达到设定数值后，稳压回路起作用，排出少量油液从而维持缸内油压不变（即承载力不再增加）。通过与工作台固连的重力传递短节必然将多出的载荷转移到井口上，这样做的目的在于控制采油平台自身承受的载荷，不至于过载。

4） 移动工作台采用单元构件设计，每个单元构件质量不超过5t，以利于在采油平台上安装。转盘及重力传替短节安装于横向工作台上。

3.1.2 主要技术参数

油缸支撑力根据作业平台的允许承受载荷设定

纵向工作台长宽尺寸 9 600mm×8 980mm

横向工作台长宽尺寸 9 600mm×6 000mm

工作台平均移动速度 0.3m／min

驱动液缸最大理论推力 800（200×4）kN

3.2 自升式井架

自升式井架由天车台、顶部井架单元、中间井架单元、提升基础架、二层台组成，结构方案如图4。

3.2.1 技术特点

井架整体为龙门架结构，各井架单元为矩形桁架结构，提升基础架为梯形结构，提升基础架与纵向工作台通过销轴连接。用吊车依次将各井架单元送入提升基础架内，进行自提升安装。底部井架单元固定在提升基础架内与纵向工作台通过销轴连接。各井架单元之间通过销轴连接，根据自升式井架高度需要，中间井架单元可以为一组或多组。天车通过螺栓或销轴与顶部井架单元上端连接，二层台根据安装高度的需要通过螺栓或销轴与中间井架单元连接。

图4 自升式井架结构方案

3.2.2 主要技术参数

大钩最大载荷（3×4轮系、无风载、无立根）900kN

井架工作高度（由钻台面至天车梁下面）30m

顶部开裆（正面）2.0m

底部开裆（正面）3.0m

二层台安装高度单根（双根 ）8.5m（16.5m）

立根容量（3.5in钻杆10m单根／20m双根）1 200m／2 400m

井架允许风力

①保全设备（钩载为零 二层台无立根）47.8m／s

②等候天气（钩载为零 二层台站满立根）36m／s

③起放井架 8.3m／s

配套天车型号 TC－90

井架起升液压油缸额定载荷 240kN

井架各单元尺寸与质量

首节井架尺寸1 500mm×1 000mm×6 000mm，质量1 890kg

中间井架尺寸1 500mm×1 000mm×4 000mm，质量1 450kg

提升基础架尺寸6 500mm×2 020mm×5 900mm，质量2 500kg

3.3 绞车

绞车采用交流变频电驱动技术，依据SY／T5532—2010《石油钻机绞车》技术规范设计。JC18／P型绞车由1台交流变频电机、单边液压盘式刹车装置、绞车滚筒、集成式自动送钻与应急装置、底座等部件组成，如图5。

图5 电机直驱单轴绞车结构

3.4 转盘

依据SY5080—2004，《石油钻机和修井机用转盘》标准设计ZP100型转盘。采用交流变频电机直接驱动，结构如图6。

图6 ZP100型交流驱动转盘结构

4 井架强度校核

4.1 载荷工况

根据API Spec 4F标准，修井机井架设计计算应遵循以下工况。

1） 有绷绳、前面来风（风速47.8m／s）、无立根载荷组合工况。

2） 有绷绳、前面来风（风速36m／s）、满立根载荷组合工况。

3） 有绷绳、侧面来风（风速47.8m／s）、无立根载荷组合工况。

4） 有绷绳、侧面来风（风速36m／s）、满立根载荷组合工况。

5） 无绷绳、前面来风（风速47.8m／s）、无立根载荷组合工况。

6） 无绷绳、前面来风（风速36m／s）、满立根载荷组合工况。

7） 无绷绳、侧面来风（风速47.8m／s）、无立根载荷组合工况。

8） 无绷绳、侧面来风（风速36m／s）、满立根载荷组合工况。

4.2 计算结果

采用ANSYS有限元分析软件建立井架模型，施加载荷并计算［8］，结果如表1～2。该井架满足API规定的安全系数要求。

表1 有绷绳时井架的计算结果

表2 无绷绳时井架的计算结果

4 结论

1） 海上组装式修井装置设计有横纵向移动式工作台，满足丛式井组的作业需要。自升式井架为龙门架结构，各井架单元采用矩形桁架结构，用吊车依次将每个井架单元送入安装在底座上的提升基础架内，进行自提升安装，占用平台面积小，适应天气能力强。各部分均采用模块化设计，最大模块质量5t，运输、吊装方便，满足采油平台小型吊装的要求。可根据采油平台的承载能力设定修井装置作用在采油平台的最大载荷。

2） 有限元计算分析表明该修井装置满足API规定的安全系数要求。

3） 本文的研究成果为下一步研制海上组装式修井装置奠定了基础。

［1］符 翔，李玉光.海上油田修井设施方案选择［J］.石油机械，2007 ，35（2）：61－63.

［2］徐田甜，张美荣.我国海洋钻修井机的应用［J］.船舶工程，2008 ，30（4）：6－10.

［3］鲁 献.对国产在役海洋修井机存在问题的探讨［J］.长江大学学报：自然科学版，2008，5（3）：56－58.

［4］李士斌，王传平.海洋小平台修井机井架设计［J］.石油矿场机械，2008，37（12）：80－82.

［5］刘春生.关于石油钻井作业中钻修井机械设备发展问题的探究［J］.装备制造技术，2011（11）：95－96.

［6］GB／T 23505—2009，石油钻机和修井机［S］.

［7］GB／T 25428—2010，钻井和采油设备 钻井和修井井架、底座［S］.

［8］何 下，刘清友.基于Pro／E的海洋修井机井架静态设计［J］.石油矿场机械，2003，32（6）：34－36.