海洋钻井平台塔型井架安装方式探讨

刘新宝

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452)

0 引 言

钻井井架是钻机提升设备的重要组成部分之一，要承受各个方向的载荷。因此钻井井架必须具有足够的强度、刚度和整体稳定性。根据海洋钻井平台井架的整体结构，可以分为塔型井架和自升式井架。

塔型井架(Derrick)是横截面为正方形或矩形的四棱截锥形空间桁架结构的塔型井架，是通常由许多单个构件用螺栓连接组成的可拆结构，并在井场组装或拆散运输。井架本体是封闭整体结构，稳定性好，承载能力大，其尺寸不受运输条件限制，内部空间大，起下钻操作方便、安全。但单件拆装工作量大，高空作业不安全。

自升式井架(Boot Strap Mast)在井场整体或分段水平组装，利用自身配备的动力整体或分段起升安装，分段或整体运输。包括前开口井架、A形井架、桅形井架等。井架本体截面尺寸比塔型井架小，整体质量轻，便于安装。但相对于塔式整体结构井架，自升式井架的整体刚度和稳定性差，并且自升式井架的立根盒位于井架空间的外侧，影响司钻观察坡道上的作业。

由于海洋环境的特殊性和海洋钻井工艺的复杂性，要求井架强度高、抗风载能力强、司钻视野开阔和底部开档宽大，因此大多采用塔型井架。但如何解决塔型井架安装工作量大，对作业资源、工期、费用需求大等问题成为业界关注的一项研究课题。

1 影响钻井平台塔型井架安装的因素

塔型井架作为海洋平台的重要设备，能否按时安装就位，对整体施工进度影响较大。

对于陆地钻井场，井架供货商通常将出厂前验收合格的井架拆卸后，按照工艺要求进行构件编号并装箱运输至井场进行散件组装。但对于海洋钻井平台，由于海洋环境的复杂性以及海洋钻井平台结构空间的局限性，对塔型井架的安装有许多要求和限制。因此，需要考虑影响海洋钻井平台塔型井架的安装因素，并进行综合分析，以确定合适的安装方式。

影响因素主要为：人员及设施的作业安全性；允许作业的环境与总体施工计划的吻合性；施工资源是否满足作业要求，包括吊车、码头等；施工方案(包括风险分析等)的可行性；总体施工计划要求；安装施工作业的成本等。

对于海洋钻井平台井架安装施工作业，施工资源、周期、投入人力是影响施工成本的关键因素，需综合考虑上述因素，确定安全、可操作性强和整体经济性高的井架安装方式。

2 海洋钻井平台塔型井架安装方式

2.1 平台上散件组装

与陆地井场对塔型井架的安装方式类似，在陆地进行预装后，再将各螺栓连接的构件拆开，按照复原安装工艺要求，对所有构件进行编号并装箱。安装井架时，可通过平台吊机将井架构件吊至钻台面进行组装。在组装过程中，根据现场施工条件和机具先组装成片，然后通过钻台上的气动绞车配合特制的撑杆进行分片安装。

此种安装方式不需要动用海上大型吊装船舶等资源，但是需要投入较多的施工及配合人员，安装周期长，且需要钻井平台在井架组装初期即回码头进行配合作业，同时需要平台吊机连续配合作业。

该安装方式属于海上高危作业，存在很大的安全风险。

2.2 整体吊装

在陆地进行井架结构及附属设备(灯具、天车系统)的组装，并设置吊点，利用具备吊装能力的吊装资源进行井架的整体吊装。

此种安装方式可提前在陆地将井架组装完成，不占用钻井平台回码头等候时间，可缩短钻井平台的施工时间。整体吊装方式需要对井架结构进行吊装强度计算分析、专用吊点设计、吊装辅助结构设计、井架吊装过程的防碰设计和钻台面设施的防碰设计。同时由于井架与底座之间为螺栓连接，需要设计井架吊装过程的导向结构。

此安装方式对吊装资源的能力要求比较高，既要满足吊装吨位的要求，又要满足有效高度及覆盖范围的要求。

2.3 分段吊装

为了减少和降低海上环境条件造成船舶待机的时间和风险，考虑吊装船舶资源的限制，应根据井架结构进行合理分段。一般分为两段，在二层台上方的位置进行分段，每段均需设置吊装吊点，利用具备吊装能力的资源进行井架的分段吊装。

此种安装方式可提前在陆地场地将井架组装完成，不占用钻井平台回码头等候时间，可缩短钻井平台的施工时间。此方式需要对井架结构进行吊装强度计算分析、专用吊点设计(较整体吊装对吊点的强度要求低)、吊装辅助结构设计、井架吊装过程的防碰设计和钻台面设施的防碰设计。同时由于井架与底座之间、井架上下段直接为螺栓连接，需要设计井架吊装过程的导向结构。

该安装方式对吊装资源的能力要求比较高(两次吊装的资源能力可不同)，既要满足吊装吨位的要求，又要满足有效高度及覆盖范围的要求。

3 海洋钻井平台塔型井架安装实例

以海洋石油281平台塔型井架(见图1)的安装为例，进行钻井平台塔型井架的选择与设计。

图1 海洋石油281平台塔型井架Fig.1 Tower type derrick of the HYSY281 platform

图2 海洋石油281平台码头停靠方案Fig.2 Berthing scheme for the HYSY281 platform

3.1 安装方式选择依据

海洋石油 281的塔型井架，底部开档尺寸 9.144,m×9.144,m，总高度46.6,m，总质量84,t。根据井架结构，可将井架分为5段，自下而上分为下段、中下段、中段、中上段、上段。

由于海洋石油 281平台为可移动自升式海洋钻井平台，选择将其拖至合适码头靠岸，再为其安装井架，从而可避免将井架结构、施工机具、人员等移至海上的工作，同时可大大降低作业费用和风险。

根据文中对塔型井架安装方式分析，由于海洋石油 281平台场地有限，同时考虑安装期间的气候状况，且为了避免人员高空作业带来的高风险，不建议采用在平台上组装散件的方式。为此选择将海洋石油281平台停靠至码头，同时在码头进行井架的组装，利用浮吊吊装组装好的井架至海洋石油 281平台进行安装。

海洋石油281停靠码头方案如图2所示。

由于海洋石油 281平台所停靠码头的承载能力有限，若采用将井架整体吊装进行安装的方式，则需将重达约 84,t的井架载荷全部通过井架大腿支点加载在码头上，经过计算超过了码头所允许加载的最大载荷。同时，若采用整体吊装，对浮吊的吊装能力要求较高，必须选取更高等级的浮吊，大大增加了成本。故不建议采用整体吊装的方式。

经过对浮吊能力、码头能力、施工风险、施工难易程度、井架结构特性等综合考虑，采用分段吊装的安装方式，以二层台为临界，即下段、中下段、中段为一吊，结构高度 28.5,m，重约52,t；中上段、上段为一吊，结构高度 22.5,m(含天车吊装架)，重约 32,t。

组装后的井架结构如图3所示。

图3 井架二层台以下及以上部分结构图Fig.3 Structures both above and below the racking platform

根据海洋石油 281的停靠方案以及码头允许的组装场地情况，需要浮吊具备如下条件：吊机起吊高度不小于 76.2,m，井架净高51,m；井架底部距离主甲板高度10.2,m；主甲板距离水面高度按照 5,m计算；吊索具长度按照 10,m计算。二层台以下部分中心距前方码头边 44.2,m，最大起升重量为 52,t，二层台以上部分中心距前方码头边 57.2,m，最大起升重量为32,t，据此确定浮吊的技术要求(包括拔杆高度、跨度、载重要求等)。

3.2 施工过程

3.2.1 井架小组装

根据图1的井架分段，分5段进行分别组装，组装过程先平面分片组装，之后通过吊车配合进行“翻身”立体组装。

3.2.2 井架大组装

根据图3井架结构，自下而上进行小组后的分段对接。空中对接采用吊笼作业或采用高空作业车辅助进行。各段阻流放空管线、管线槽、灯具等井架附件随各节井架段安装以避免出现井架在平台上安装之后再出现高空安装的高风险作业。

在井架大组过程中，根据井架出厂前测量的井架各段立柱间的距离以及对角线距离，在组装后保证此距离不变的前提下，将井架各螺栓按照设计扭矩打紧，避免井架在平台上安装后再进行高空作业，同时可避免产生过多的井架应力。

3.2.3 井架安装

按井架大组装方案，首先把组装好的井架二层台以下部分(约52,t)整体吊装到钻台井架支座上，与井架支座用螺栓连接并紧固。预先在钻台底座的4个井架连接支座上各点焊2块导向板，导向板成90 °布置，均向外弯15 °，如图4所示。

图4 钻台底座处井架安装导向板Fig.4 Derrick installation guide plate at the drilling floor foundation

图5 二层台处井架连接导向板Fig.5 Derrick connection guiding plate at the racking platform

在二层台以下部分固定完好后，把二层台以上部分(约32,t)整体吊装，与二层台以下部分对接。对接部位在二层台附近，通过二层台走道，把内外连接板与井架本体，用高强度连接螺栓连接并紧固。

由于井架均采用螺栓连接，且为框架结构，故二层台上下两部分对接过程精度要求非常高，为了保证二层台以上部分能够顺利与二层台以下部分对接，二层台以上部分起吊前，需在四角栓足够长的牵引绳，辅助二层台以上部分与二层台以下部分定位，并先在中段各个立柱顶部安装井架内联接板，作为临时导向板，如图5所示。

井架导向稳定好以后，先松开其中一处内联接板，紧接着与外联接板连接，然后松开另一处内联接板，紧接着与外联接板连接，依次完成所有连接。

3 结 语

结合塔型井架在钻井平台上安装的影响因素，分析了塔型井架的安装方式，并结合实例进行了塔型井架安装方式的选择。塔型井架分段吊装、安装的方式为业界提供了借鉴，具有很好的工程参考价值。■

［1］ 安国亭，卢佩琼. 海洋石油开发工艺与设备[M]. 天津：天津大学出版社，2001.

［2］ 李继志. 石油钻采设备及工艺概论[M]. 东营：中国石油大学出版社，1992.

［3］ 肖龙，刘孔品.平台油气工工艺流程和设备布置[J].中国海上油气(工程)，1999(12)：9-11.