海上石油WHPG平台HXJ180海洋修井机设计优化

关双会，王晓雷，陈金稳，杜汉文，李宝春.中海油能源发展装备技术有限公司机械设备技术服务中心，天津　3004522.西南石油大学经济管理学院，四川成都　60500



海上石油WHPG平台HXJ180海洋修井机设计优化

关双会1，2，王晓雷1，陈金稳1，杜汉文1，李宝春1
1.中海油能源发展装备技术有限公司机械设备技术服务中心，天津300452
2.西南石油大学经济管理学院，四川成都610500

摘要：由于中海油秦皇岛32- 6油田WHPG平台井口分布的特殊设计形式，常规结构形式的修井机不能满足作业要求。在为该平台配置的HXJ180海洋修井机的基本设计中虽然确定了新颖的总体结构设计形式，但有更多的细节结构形式的设计并不利于实际操作情况，并非最优设计。经详细设计阶段深入研究，对该型式修井机在拖链设计、平台交叉导轨设计、下底座支撑腿与滑移结构设计、设备维修平台及通道设计以及井架前支架的设计进行了深入的合理优化，使设计成果更加符合该平台现场实际的使用操作及作业工况要求，对于类似结构形式海洋修井机设计可以作为参考和借鉴。

关键词：海洋石油平台；海洋修井机；基本设计；详细设计；设计优化

根据中海油秦皇岛32- 6油田WHPG平台的井口分布情况，对为其配置的HXJ180DB型海洋修井机进行了基本设计，但其总体、结构以及机械等专业设计成果中，一些设计理念和想法并不符合装备在海上现场的使用与操作要求，仅是规划了装备基本功能，至于是否为更好或最好的方式则没有更深入的研究和考虑。因此，在详细设计以及海上安装调试阶段，根据海上现场实际情况对基本设计成果进行了较大幅度的优化设计，使得设计成果与装备在海上现场的操作使用情况更加符合。

1　基本设计

海洋修井机的基本设计工作是依据平台（组块）的设计情况和要求来进行的，其在安全及安装空间等方面的设计是在平台（组块）的安全要求前提下进行的，依据平台留给海洋修井机的安装空间情况来设计总体结构，而在功能设计方面则要充分考虑平台顶甲板的空间情况、设备设施布置情况以及井口区及井口的具体分布情况［1- 3］。但在海洋修井机基本设计中对安全方面需要考虑得更多一些，而对修井机的功能要求方面规定的并不是很明确，因此造成海洋修井机的基本设计深度不足，或与最终的实际要求相差较多。而在详细设计阶段通过更多的优化，可使最终成果能够在最大程度上满足安全、功能等方面的实际要求，在功能与安全方面达到平衡。

秦皇岛32- 6油田WHPG平台配置的修井机总体布置如图1所示。

图1　修井机总体结构模型

该修井机型号为HXJ180DB型电驱动海洋修井机，适用于海上石油生产平台修井作业，工作环境平均水深为19.5 m，主要技术参数如下：外形尺寸为30.0 m×16.0 m×（7.5 + 33）m，最大钩载为1 800 kN，修井深度为6 500 m，钻台高度为7.5 m，钻台净空高度为6.4 m，上滑移导轨跨距为5.8 m，平台导轨中心距为11.0 m，整体质量为210 t。

2　详细设计优化内容

在详细设计中，通过理论计算分析及模拟，以及对对该生产平台作业实际情况的深入调研与研究，在修井机总体布局、结构形式以及安全等方面进行了较大范围的优化，使最终设计成果更加符合实际使用要求。

2.1拖链与避让

海洋修井机根据设备滑移要求配置拖链，分为中层甲板拖链和主甲板拖链，中层甲板拖链用于实现上、下底座之间相对滑移功能，主甲板拖链用于实现海洋修井机整机滑移功能。其附属的供应管道、供电电缆及仪表数据电缆等固定在其内，并随拖链同时移动。由于主甲板拖链只能满足井口作业区范围内的整机滑移需求，而在整机进行钻井作业避让时，该甲板拖链则不能满足相关滑移功能要求，甚至会成为修井机避让滑移的障碍，但考虑到修井机避让的频率低，基本设计中采取的措施是拆除，使其与修井机进行脱离，以使修井机能进行避让滑移作业。该方法实施起来十分繁琐，不利于现场的操作，在详细设计中优化为拖链两端设置快速拆装接头和控制箱，可避免对拖链内所有管道电缆的拆装工作，进而提高效率。

2.2作业导轨与避让导轨

该平台井口槽设计较为密集［4］，在作业导轨通长范围内均设计有井口。为了满足后期平台调整井作业的需要，该修井机需要具备避让功能，并且能够避让出钻井船作业需要的安全距离。为此在平台顶甲板上，不仅设计有井口区作业滑移导轨，还设计有钻井平台调整井作业时修井机避让滑移导轨。由于两组导轨是呈垂直状态分布的，因此两者存在交叉点，基本设计中结构布置如图2中节点Ⅰ所示。该种设计方式，导致后期修井机作业滑移过程中，需要频繁拆卸修井机滑靴导向限位结构，不但给操作工作带来不必要的繁重工作，而且也使得修井机滑移工作出现更多的不安全工况。考虑到海洋修井机生产作业滑移频率要远高于修井机避让作业频率，将作业滑移导轨与避让滑移导轨的交叉点的结构形式进行了优化，如图2中节点Ⅱ所示。仅仅只是导轨方位的一个变化，但却使得修井作业中滑移工作的流程不再繁琐，滑移作业的安全性也得到了保障。

图2　导轨交叉点结构形式

2.3下底座支腿滑移结构

2.3.1支撑腿优化

该套修井机在海上平台安装后，整机需要具备X轴和Y轴两个方向的滑移功能［5］。基本设计中给定的结构模式为两侧4个支撑腿结构，如图3所示，结构刚度及极限支点反力情况均不理想。在详细设计中对该结构形式进行了优化，由4支撑腿调整为8支撑腿，主要是考虑修井机支点反力的均衡，减小个别支点在极限井位和极限工况下出现超大值支点反力情况，但该结构形式不能很好地满足整机纵横滑移的需要，会在一个方向上的滑移工作中出现卡阻问题。根据CB- B平台修井机改造设计经验，针对秦皇岛32- 6油田WHPG平台的实际情况，又进行了进一步优化，将8个支撑腿的8组支点进一步优化设计为4组支点，也即一组支点内的2个支撑腿设计为一个整体结构，如图4所示。

图3　基本设计中下底座总成及支撑腿设计形式（单侧）

图4　详细设计优化后支撑腿及支点形式（单侧）

2.3.2滑移结构同步性

由图4可以看出，该修井机下底座结构由左右两部分结构通过销轴连接在一起，共同构成下底主体结构，由于修井机整体需要在作业导轨上滑移，以实现与任一作业井口中心对中，由此产生一个问题，图4所示的左右两部分结构在滑移过程中，会由于受力不均、变形、建造公差以及装配误差等各种不利因素而产生不同步问题，步进机构的液压缸在推拉过程中只作用于同一侧支腿结构是关键因素之一，此外，左右两部分结构底部没有设计同步连接梁也是问题出现的另一个关键因素。据此，通过理论计算并分析后，设计出强度足够的滑移同步连接梁（见图4中滑移同步连接梁），将左右两部分结构在底部连接起来，不同步、卡阻、异响等问题都一并解决了。

2.4钻台外围设备设施维修通道

由于修井机上下底座结构形式的特殊设计，不能满足钻台部分设备设施的维修工作条件，且设计中并未考虑相关设备设施的维修通道的设置，导致在钻台底座安装的设备设施维修工作难度增大。如图1所示，自下底座甲板面到钻台底面约5 m，自平台顶甲板面算起则有近7.5 m的高度。并且，钻台底面配套安装的设备设施多为舷外状态，因此，造成海上现场安装、维护等工作困难。

基本设计中，没有充分考虑修井机自身所需要的维修作业通道及操作平台。由于该平台总体结构形式的特殊性，其多个部位的设备安装以及后期维修等的作业通道是不能通过正常的主体结构来提供的，需要根据设备、管道配置的位置进行特殊考虑，才能满足相关要求。针对此种情况，在详细设计中对多处部位的设备、设施进行了维修通道及维修操作平台的优化，使设备满足了修井机后期安装及维修、更换、检查等作业的需要。

2.5井架前支架

根据秦皇岛32- 6油田WHPG平台井口布置情况，在基本设计阶段确定的总体布置形式，使得井架总成放倒后的前支撑架结构被设置在了平台甲板面上，以确保修井机整体结构的稳定性，如图5所示。但由此带来的问题是修井机在作业操作过程中的诸多不便。如按基本设计形式设置甲板支架，那么当修井机需在支架位置及附近的井口上进行修井作业时，由于甲板支架与修井机的妨碍，则需要搬移，搬移则需要吊机作业，而吊机处于甲板支架的另一端，不能满足对支架的吊装能力；当修井机作业完成后，甲板支架又需要复位。因此，设计是不合理的，使得此种设计模式难以被接受。此外，这种形式也使平台甲板增加了许多不必要的承载结构，造成平台整体重量的增加。

图5　基本设计的井架甲板支架

为了消除上述问题，最大程度地简化作业过程中不必要的以及繁重的操作，在详细阶段进行了很大程度的优化。经对修井机上底座、下底座以及井架总成结构形式的组合研究以及结构强度校核，在满足结构强度安全的前提下，最终对总体结构形式进行了如下优化：其一，取消修井机井架甲板支架结构（相应的平台结构方面在甲板支架位置及避让位置处的承载结构也予以取消）；其二，简化修井机使用操作程序；其三，将相应的井架支架结构设置在钻台结构的前端，以满足井架总成放倒操作的需要；其四，对钻台底座支撑腿结构进行必要的局部补强；其五，对支撑脚底部的滑移结构进行校核与补强。结构优化后的形式如图6所示。该设计优化成果经海上现场实际检验，强度及刚度符合结构安全要求，结构形式也完全符合修井机实际作业要求。

图6　详细设计优化后的井架甲板支架

2.6下底座总成结构

根据该修井机作业平台顶甲板设备及井口区的布置情况，该修井机下移动底座结构形式的设计有别于常规形式［6- 8］，常规多为“门式”桁架结构，而该修井机下移动底座主体结构形式为“口”字型，且设计为两组对接形式，如图1所示。此种结构形式的设计会对配套设备安装及操作产生一系列影响。如对BOP系统（防喷器组）的安装及操作产生很大影响，以致不能符合安全生产要求：BOP移动空间不足；BOP关断操作手柄安装空间没有考虑；BOP加长操作杆安装与操作空间没有留。造成这种情况的最主要原因是下底座整体结构的设计高度问题，下底座主体结构位于不高不低的位置，恰好与BOP系统的安装、移运及操作空间产生干涉，如图6所示。设计中应当将下底座高度根据BOP系统的使用要求设计低一些高一些，即可避免上述问题的出现。此种结构形式的下底座在设计时需要引起足够的注意，否则即使想在详细设计阶段予以优化，而最终进入这个阶段后也将难以实现。

3　优化前后效果对比

根据设计优化后的详细设计成果建造的海洋修井机，在海上现场安装应用后的实用性、适用性、经济性以及安全性与基本设计的对比如表1。

表1　基本设计与详细设计优化后比较

4　结束语

通过对该平台海洋修井机在基本设计阶段及详细设计阶段设计成果的全面性、有效性、符合性以及实用性的对比分析，建议类似结构形式的海洋修井机的设计工作应在以下几个方面着重考虑并进行优化，以便使得基本设计成果更加有效，更加适合现场实际作业要求。

（1）在满足安全性及经济性要求的前提下，应最大限度地考虑对修井机的可操作性要求。

（2）应全面考虑所有配套安装设备的安装、操作、移动所需要的空间情况，并给予足够的设计。

（3）应充分考虑修井机所有配套设备设施在逃生、操作、维修、检查等各工作环节中所需要的各类通道及作业平台的设置，并充分保证其有效性与安全性。

参考文献

［1］陈如恒.钻机总体方案设计原则及评价指标［J］.石油矿场机械，2004，33（2）：8- 13.

［2］陈如恒.钻机的模块化设计［J］.石油矿场机械，2004，33（4）：1- 8.

［3］方华灿.低碳经济与我国海洋石油平台［J］.中国海洋平台，2011，26（3）：1- 5.

［4］关双会，周洪军，沈国华，等. HXJ180MB海洋修井机移运结构改造技术分析［J］.中国造船，2011，52（S2）：377- 385.

［5］关双会，丁辉，武永清，等.海洋修井机改造工程实施方案分析及经验总结［J］.石油工程建设，2012，38（5）：11- 16.

［6］徐田甜，张建勇，穆顷，等.文昌油田群海洋钻修井机结构研发设计［J］.石油工程建设，2007，33（1）：23- 26.

［7］徐田甜，穆顷，王宁.乐东15- 1气田平台钻修井机结构设计［J］.船舶2007（5）：18- 25.

［8］刘江歌，宫慧君.海洋钻机模块机械设备安装探讨［J］.石油和化工设备，2014，17（3）：50- 51.

Design Optimization of HXJ180 Marine Workover Rig for WHPGOffshore Platform

GUAN Shuanghui1，2，WANG Xiaolei1，CHEN Jinwen1，DU Hanwen1，LIBaochun1
1. Mechanical Equipment Technology Service Center，CNOOC Energy Development and Equipment Technology Limited Company，Tianjin 300452，China
2. Schoolof Economics and Management，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China

Abstra ct：Because of the design form of wellhead distribution of WHPG offshore platform in CNOOC QHD32- 6 Oilfield，conventional workover rig can’t meet the operation requirement. The innovative overall structural design form of HXJ180 marine workover rig is determined in the basic design. But because there are more designs of detailed structure form being not conducive to the actual operation situation，this design is not optimal. After in- depth research in the detailed design phases，the articulated chain，cross- guide of platform，supporting legs and slip structure of lower seat，platform of equipment maintenance，channel and fore stent of derrick are more optimized for this type of workover rig. The design results meet the platform actual demand for the operation condition more than before. Those designs can be used as a reference for the marine workover rigs with the similar structure.

Keywords：offshore oilplatform；marine workover rig；basic design；detailed design；design optimization

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.006

作者简介：

关双会（1975-），男，黑龙江宁安人，高级工程师，1999年毕业于哈尔滨工程大学，主要从事海洋钻修井装备研究。

Email：guanshh@cnooc.com.cn

收稿日期：2015- 08- 16；修回日期：2015- 12- 08