(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200215)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，作業(yè)水深3 048 m(10 000 ft)、鉆井深度9 144 m(30 000 ft)及以上的鉆井船大部分采用雙井架鉆井技術(shù)[1]。雙井架鉆井技術(shù)配備了兩套鉆井系統(tǒng)，兩套鉆井系統(tǒng)能夠同時(shí)進(jìn)行鉆井作業(yè)和管具組裝拆卸、井下器具下放回收等，在深水作業(yè)方面能夠顯著提高鉆井效率[2]。目前，只有少數(shù)國外鉆井設(shè)備供應(yīng)商，例如NOV、MH Wirth等掌握了雙井架的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，其產(chǎn)品已經(jīng)成熟且市場化。國內(nèi)企業(yè)在雙井架研發(fā)方面還處于起步階段，為盡快掌握雙井架的關(guān)鍵技術(shù)，依托在研深水鉆井船項(xiàng)目，對雙井架主要技術(shù)參數(shù)的確定、井架類型選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、配套鉆井設(shè)備布置以及HSE要求等關(guān)鍵因素進(jìn)行探討。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求

雙井架設(shè)計(jì)需滿足美國石油學(xué)會API Spec 4F《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》和美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會AISC 335—89《建筑用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與安裝規(guī)范》的要求。

1.2 目標(biāo)鉆井船概況

目標(biāo)鉆井船用于海上石油和天然氣勘探、開采工程，作業(yè)區(qū)域?yàn)槟虾：Ｓ颍畲笞鳂I(yè)水深為3 505 m(11 500 ft)，最大鉆井深度為12 192 m(40 000 ft)。該鉆井船配備雙井架以及電驅(qū)鉆井系統(tǒng)，具備離線接立根以及其他并行操作能力。作業(yè)環(huán)境溫度-20～50 ℃。

1.3 鉆井設(shè)備及附屬設(shè)備配置

雙井架上安放天車、游車、頂驅(qū)、排管機(jī)、指梁等提升、旋轉(zhuǎn)和管具處理設(shè)備，除此之外，雙井架還配置套管扶正臺、大鉗平衡重、死繩穩(wěn)繩器、V形大門滾杠、梯子平臺等附屬設(shè)備。

2 雙井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

雙井架的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 雙井架主要技術(shù)參數(shù)

2.2 總體方案

雙井架的結(jié)構(gòu)形式為單錐面塔形井架，如圖1。其中，3個(gè)立面由鉆臺安裝面垂直到二層臺，然后形成錐形到天車安裝平臺。第4立面(快繩面)由鉆臺安裝平面開始傾斜，到天車安裝平臺。二層臺下段井架內(nèi)部有較大的空間，能夠滿足立根的存儲要求。二層臺上段井架截面收縮，有利于減輕井架質(zhì)量。

排管機(jī)和指梁安裝在井架內(nèi)部靠近死繩側(cè)，鉆桿從貓道機(jī)運(yùn)輸過來后，排管機(jī)從貓道上抓取鉆桿，將鉆桿運(yùn)送到指定的鼠洞位置并扶正，由鐵鉆工接單根，接好的立根由排管機(jī)運(yùn)送到指梁上進(jìn)行存儲。頂驅(qū)布置在井架內(nèi)部靠近快繩側(cè)，主輔井口各配置1臺頂驅(qū)系統(tǒng)。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，推動了各行各業(yè)的改革與創(chuàng)新。尤其是在民航服務(wù)方面，更是為其帶來了全新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。面對當(dāng)前的社會發(fā)展形勢，民航服務(wù)應(yīng)深刻意識到大數(shù)據(jù)為自身服務(wù)所帶來的便利條件，并要結(jié)合自身服務(wù)存在的問題，依托網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，積極努力地探索提高民航服務(wù)整體質(zhì)量的有效途徑，重新構(gòu)建現(xiàn)代化民航服務(wù)體系。力求為廣大旅客提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，提高旅客的滿意度，推動民航事業(yè)的長足發(fā)展。

井架立柱、橫撐及斜撐等主要承載件采用H型鋼，材料選用Q390D，各構(gòu)件經(jīng)高強(qiáng)度螺栓連接成一個(gè)整體。為滿足海洋環(huán)境的防腐要求，井架采用熱浸鋅方式進(jìn)行防腐。

1—井架本體；2—快繩穩(wěn)繩器；3—液氣水管線支架；4—V道大門防碰滾杠；5—放空管支架；6—二層臺；7—大鉗平衡重；8—擋風(fēng)墻；9—泥漿立管支架；10—頂驅(qū)導(dǎo)軌；11—死繩導(dǎo)向輪裝置；12—套管機(jī)械手安裝基座；13—井架基座；14—-死繩穩(wěn)繩器；15—登高車安裝基座；16—中間平臺；17—生產(chǎn)立管支架；18—載人電梯及逃生梯；19—梯子總成；20—平臺總成；21—?dú)鈩咏g車座；22—固井立管支架；23—調(diào)平裝置。

3 雙井架設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素分析

3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定

雙井架底平面尺寸和鉆臺面設(shè)備的布置、操作有關(guān)；頂平面尺寸根據(jù)天車的外形尺寸和頂驅(qū)的工作要求來確定；雙井架工作高度主要取決于立根長度、頂驅(qū)長度、游車長度和天車防碰安全距離等；二層臺高度也就是指梁高度，指梁的上平面應(yīng)略低于立根頂部，便于排管機(jī)鉗頭夾持立根；二層臺容量應(yīng)能滿足存放全部立根的需要[3]。

3.2 井架類型的選取

雙井架的形式主要有兩種：塔形雙井架和A形雙井架。A形雙井架適用于全液壓驅(qū)動的鉆機(jī)系統(tǒng)，對于電驅(qū)鉆機(jī)系統(tǒng)，通常選用穩(wěn)定性強(qiáng)的塔形井架[4]。

塔形雙井架按照結(jié)構(gòu)又細(xì)分為棱錐式塔形雙井架、瓶頸式塔形雙井架和單錐面塔形雙井架(如圖2)。棱錐式塔形雙井架的4個(gè)立面由鉆臺安裝面起傾斜到天車安裝平臺，其優(yōu)點(diǎn)是承載能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是二層臺空間小，立根容量不足；瓶頸式塔形雙井架的四立面由鉆臺安裝面垂直到二層臺，然后傾斜至天車安裝平臺，其二層臺空間大，立根容量足夠，缺點(diǎn)在于拐點(diǎn)對井架受力有不利影響，且拐點(diǎn)的高度應(yīng)位于排管機(jī)安裝橫梁的上方，在井架高度一定的情況下，拐點(diǎn)越高意味著拐點(diǎn)角度和拐點(diǎn)處應(yīng)力就越大。單錐面塔形雙井架結(jié)合了上述兩種形式的優(yōu)點(diǎn)，既能滿足二層臺容量，又能改善井架受力，因此目標(biāo)鉆井船選用單錐面塔形井架。

a 棱錐式塔形井架 b 瓶頸式塔形井架 c 單錐面塔形井架

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙井架的結(jié)構(gòu)形式確定后，應(yīng)明確井架分層和井架立柱、V道大門、橫梁、斜梁的截面以及節(jié)點(diǎn)的連接形式，為井架的建模和計(jì)算提供依據(jù)。井架分層應(yīng)考慮運(yùn)輸條件的限制，避免超長、超重。雙井架的計(jì)算工況應(yīng)符合API Spec 4F規(guī)范的要求，考慮井架自重力及設(shè)備自重力、工作載荷、風(fēng)載荷、動態(tài)載荷等，動態(tài)載荷主要包括井架受到波浪引起的橫搖、縱搖以及升沉產(chǎn)生的慣性力[5-7]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整井架構(gòu)件的規(guī)格或者形式，力求井架在滿足各種載荷的情況下，主材料采用最合理的截面，達(dá)到降低井架質(zhì)量的目的。

3.4 材料選用

材料的選取除了要滿足井架強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求外，還要考慮結(jié)構(gòu)件的最低設(shè)計(jì)溫度和海洋環(huán)境的防腐要求。井架關(guān)鍵承載件的低溫沖擊性能等應(yīng)符合GB 712《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼的要求》[8]。在材料防腐方面，裸露構(gòu)件采用熱浸鋅處理，井架主體連接螺栓采用高強(qiáng)度熱浸鋅螺栓。

3.5 配套鉆井設(shè)備的布置

雙井架配套鉆井設(shè)備的布置很大程度上取決于鉆臺面的整體布置。由于鉆井船的船體狹長，雙井架的大門通常設(shè)置在艏艉方向，管具也布置在艏艉方向，絞車和立根盒則布置在左右舷方向[9]。雙井架內(nèi)部需要容納兩套鉆井設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)要注意避免主、輔井口作業(yè)時(shí)的相互干涉，還要關(guān)注各個(gè)設(shè)備之間動作的協(xié)調(diào)性和連貫性，盡可能縮短作業(yè)周期、降低鉆工的勞動強(qiáng)度。

自動排管系統(tǒng)用于將鉆桿或套管等從管子堆場運(yùn)送到鉆臺面上，組裝完畢后存放在指梁內(nèi)，并根據(jù)需要把立根運(yùn)送到井口位置。雙井架鉆井技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動排管作業(yè)和鉆井作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，提高鉆井效率。

自動排管系統(tǒng)主要由動力貓道、排管機(jī)、鐵鉆工、指梁等設(shè)備構(gòu)成。為了確保立根容量足夠，指梁布置在井架單錐面(快繩)的對側(cè)，高度和二層臺一致。排管機(jī)和指梁布置在井架同一側(cè)，方便存儲、抓取鉆桿。排管機(jī)安裝位置的確定同時(shí)要考慮和動力貓道、鐵鉆工動作的銜接，確保排管系統(tǒng)動作流暢、高效。

3.5.2 頂驅(qū)系統(tǒng)

頂驅(qū)布置在雙井架單錐面?zhèn)龋还才渲脙商醉旘?qū)導(dǎo)軌系統(tǒng)，主井位和輔井位處各配置一套。頂驅(qū)導(dǎo)軌和井架每層的橫梁相連，作為對頂驅(qū)的支撐。天車承重梁下設(shè)有懸掛耳板，便于頂驅(qū)維修。

3.5.3 雙井架附屬設(shè)備[10]

1) 套管扶正臺。

套管扶正臺用于將工作人員很方便地送到工作位置，其安裝位置的確定要考慮到工作范圍能夠滿足現(xiàn)場的使用要求、操作人員進(jìn)出的安全性以及套管機(jī)械手回收之后的?？壳闆r。

2) 大鉗平衡重。

大鉗平衡重用于平衡大鉗，使大鉗處于適當(dāng)?shù)墓ぷ鞲叨?。大鉗平衡重布置在指梁對側(cè)，高度在井架二層臺上。共設(shè)置4套大鉗平衡重，主輔井口各設(shè)置2套。

3) 死繩穩(wěn)繩器。

死繩穩(wěn)繩器用于穩(wěn)定和保護(hù)死繩，共設(shè)6套，分別在第4層、第8層、第11層平臺，每層各2套。

4) V形大門滾杠。

滾杠設(shè)置在V形大門頂端，防止排管機(jī)在提拉從貓道送過來的管具時(shí)與井架直接碰撞。

5) 泥漿立管、固井立管、放空管線。

泥漿立管、固井立管應(yīng)根據(jù)鉆臺面泥漿立管管匯、固井管匯的布置來確定其在井架的安裝位置；放空管線應(yīng)根據(jù)液氣分離器的布置來確定其在井架的位置。

6) 雙井架調(diào)平裝置

雙井架調(diào)平裝置主要由液壓缸和支撐塊構(gòu)成，液壓缸布置在雙井架立柱下方、基座上方。井架總裝后，應(yīng)保證井架上平面(與天車連接面)與基座面平行，天車架中心與雙井架基座中心重合，如偏差太大，由液壓缸將井架頂起，通過調(diào)整立柱底板和基座之間墊片厚度的方式來進(jìn)行調(diào)平。

7) 梯子平臺。

井架設(shè)主籠梯兩部，一部到二層臺，另一部到達(dá)天車平臺。主梯顧及不到的功能平臺設(shè)置輔梯，確保人員可抵達(dá)井架上所有的功能平臺。功能平臺應(yīng)根據(jù)配套鉆井及附屬設(shè)備設(shè)置，位于同一層的操作平臺高度應(yīng)一致，盡可能避免臺階。

3.6 HSE要求

在井架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循HSE相關(guān)法則，以“健康、安全、環(huán)境”作為井架設(shè)計(jì)理念，“以人為本”設(shè)計(jì)制造一臺對環(huán)境污染低、安全使用的井架。采取的措施主要包括：在二層臺配備防墜落裝置，保證井架工在作業(yè)時(shí)的安全；緊固螺栓采取防松措施，防止緊固件高空墜落；活動配件設(shè)置安全繩，防止配件墜落；梯子、欄桿、平臺的設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)；采用熱浸鋅方式對材料進(jìn)行處理，避免使用鍍鎘處理，降低對環(huán)境的污染。

4 結(jié)論

針對目標(biāo)鉆井船，給出了雙井架設(shè)計(jì)的總體方案，并從主要技術(shù)參數(shù)的確定、井架類型選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、配套鉆井設(shè)備的布置以及HSE要求方面，對雙井架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素進(jìn)行了探討?？蔀轭愃沏@井船雙井架的設(shè)計(jì)提供參考。