浅谈海洋修井机总体设计

李伟

【摘要】海洋修井机在海上石油开发过程中是关键性的技术设备，其主要功能包括能够自动地进行井口回接完井；在石油井进行作业时可以进行横向和纵向的移动；可以使用油管进行作，3ka：作：常规的修井作业可以顺利完成。同时具有标准化、可搬迁式的小模块化钻井机是未来我国钻井石油钻井平台上钻井机技术发展的主流方向，随着我国海洋石油钻井活动的日益活跃，为海洋钻井机的开发和发展提供了广阔的应用空间，对于未来我国海上钻井机技术发展的展望是：在经济方面和实用性等方面应该根据实际的钻井平台条件和技术水平以及相应的作业环境等因素进行综合考虑，灵活选择海洋钻井机的装备，进一步提高海洋钻井机装备的可靠性经济性和先进性。

【关键词】海洋平台 修井机 设计参数 设计现状

修井作业作为油气开发过程中的增产措施工艺，是保障油、水、气井正常工作、油气资源得以充分开发的重要施工环节。油、水、气井在开发过程中，常见的损坏有两种：一是结构性损害，如油套管的断裂以及油管丝扣的损坏等：二是注采设备损坏，如抽油泵的磨损失效以及抽油杆的断裂等。出现故障后，只有通过修井作业来进行如更换油管、更换井下采油设备等才能恢复油井正常作业。

国外生产海洋修井机的公司主要有美国IRI公司、NationalOilwell公司、Cooper公司、HRI公司、Wilson公司、美国ASW修井公司和挪威Maritime Hydraulics公司（canada）。我国海洋油田所用的修井机多数是引进国外的产品，主要是美国IRI公司、Virlson公司和加拿大MH公司。最近几年，随着国产海洋修井机技术水平的提高，我国油田也开始使用国产海洋修井机。

一、我国海洋修井机发展现状

修井机是在修井作业中进行起下油管、抽油泵、抽油杆等设施的专用机械和主要设备。修井机可分为动力、传动、工作及辅助部件四部分。

在现阶段，为达到修井作业的基本工艺要求，整套修井机一般需要装备下列四项设备。

（1）动力驱动设备：为修井机的各个工作部件提供源动力，一般由柴油机和电动机等组成。

（2）传动系统设备：为修井机传递动力的设备及配件，此外还包含液控设备、电控设备、控制台等各种控制设备。

（3）工作系统设备：由底盘行走系统、井架起升系统、转盘（动力水龙头）旋转系统等组成，用以完成修井主要施工作业。

（4）辅助系统设备：修井机还应配套泥浆净化系统、野营房、消防安全设备、井场照明设备、防喷器组以及各类连接接头等其它配合井下作业用的井口工具。

国内厂家从90年代开始着手设计用于海洋平台作业用的修井机。该类型的修井机的井架一般为塔型或套装伸缩型井架，为了节省空间，所设计的井架为无绷绳结构。目前，国内生产的海洋无绷绳修井作业机井架钩载系列为900kN～2200kN多种系列的产品，修井深度已高达7500m（采用31/2钻杆），生产技术已经完全能够与国外技术相媲美。我国首套自主研发设计的海洋变频电动修井机是2004年为科麦奇研发设计制造的KM G/HXJ 180DB修井机，安装风冷液压盘式刹车，能耗制动，绞车为单滚筒形式，泥浆循环泵组传动方式为AC SCR DC，滚筒绞车和机械转盘传动方式为AC-VVVF-AC，可实现自动送钻。该井架属于无绷绳套装自升式井架，由五段结构套装组成，由绞车动力依次提升各段井架到达指定位置，可达到41m的有效工作高度，能够达到平台吊机的要求，井架底部开档为4.6m*5m，司钻及作业工的操作空间开阔。

二、海洋修井机井架的设计现状

海洋修井机井架的基本特性参数主要包括最大钩载、井架高度、二层台容量、井架的抗风能力及理论自重等。

井架的其他参数还有二层台高度，上底尺寸和下底尺寸，理论自重及动态井架的动力特性参数。

井架的二层台高度是指从井架大腿底板平面到二层台底面的垂直距离。二层台的有效高度则指从钻台平面到二层台底面的垂直距离。二层台的高度取决于立根的长度和二层台操作台的位置，为了便于井架工在二层台上摘挂吊卡，应使二层台的底面比存放在立根盒上的立根高度低1.82.0米。

塔形井架上体、下体尺寸分别指井架相邻大腿在井架顶面和底面上的大腿轴线间的水平距离。井架的理论自重是根据设计图纸计算出所有构件重量的总和，它表明了井架整体经济性能指标。

海洋修井机井架是一大型复杂的金属刚架结构，国内外关于井架力学性能的研究已取得许多成果，但对其研究一般都是从单一角度开展：有的研究井架主要部件的强度，有的研究整体的可靠性，有的从实验方面开展研究工作，而系统地对井架的静态和动态两方面进行综合性的研究不多。

可通过有限元法对井架进行静强度分析，但早期的分析对象都是陆地上使用的井架，其工作环境与海洋环境有很大的差别；对海洋井架进行了有限元静力计算，得出结论是海洋井架的设计应以最大钩载为主，而现场使用表明，国产海洋修井机井架曾出现被大风刮毁的现象，究其原因可能是由于设计时以最大钩载为主而对大风的考虑不全面所致。

主要研究井架在钻机工作荷载和风荷载作用下的可靠性问题。在分析井架的可靠性时，早期文献都没有涉及结构的荷载效应统计规律，而从结构所受荷载的统计分析入手来评价结构的荷载效应。后来的学者对井架的稳定性进行了研究分析。斜拉杆对前开口井架大腿的稳定性存在一定的影响，在设计时，可充分利用斜拉杆来提高前大腿的稳定性；提出一种校核井架弯曲变形后的稳定性和计算其承载能力的方法。

通过计算前开口JJ250/42-K型井架前20阶振动模态的固有频率及相应振型，认为该井架顶部抗扭能力差、中部抗弯强度不足和前大腿抗弯能力差。对前开口JJ250/42-K型井架进行了模态试验，得到了频响函数和模型井架动态特性参数，指出了模型井架在动态特性方面存在的薄弱环节。计算了ZJ30/1700CZ型钻机井架前9阶振动模态的固有频率及相应振型，通过对井架的固有频率与钻机的设计工作转速的比较及对各阶模态主振型的分析，认为该井架结构设计合理。

三、结论

随着采油新技术的不断发展，老平台修井机升级改造将成为一种提高原油产量的重要手段，必将越来越多地应用到实际生产中。更加科学、合理、规范地进行修井机升级改造可行性的论证，将成为海洋石油产业发展的一大助力。

參考文献：

[1]程纠.海洋修井机总体设计浅析[J].船舶标准化工程师，2015（3）.

[2]李孟杰，李巨川.浅海作业平台修井系统设计[J].中国海洋平台2003，（2）.