（机械电子工程专业论文）双井架结构分析计算.pdf

摘要 深水油气开发已成为海上油气开发的趋势。由于深水钻井作业的特性，在二十世纪 末，海上钻井工程人员提出双井架钻井技术。其主要的概念是在平台井架上配备两套钻 井系统。通过这两套钻井系统的并行作业，减少钻井关键路线，提高钻井效率。井架是 钻机起升设备的重要组成部分，在钻井作业中起安放设备，提供作业支撑等作用。因此， 对井架结构的研究是很有必要的。 通过对深水钻机双井架调研，分析深水双井架钻井作业过程、应用和特点。列出双 井架平台和钻井船和使用双井架主要的结构形式，选择合适的井架拓扑结构。对双井架 使用状况分析，完成井架参数的初步设定。 针对双井架结构特点，对井架的荷载进行确定计算和分配，主要包括恒载、工作荷 载、自然荷载和动态荷载。根据标准确定井架荷载的组合方式。 介绍结构设计理论和a n s y s 优化设计模块，建立双井架的有限元模型。使用与传 统设计不同的方法，根据优化理论设定设计变量、状态变量和目标函数，在a n s y s 中 对不同作业工况下的双井架进行优化计算，并得到各个可行性设计域。通过比较最终确 定优化结果。 对确定参数后的井架结构进行力学行为研究。使用有限元软件对井架进行静力分 析，得到井架结构的应力分布和主要的承载位置。通过模态分析确定井架的固有频率和 振型。对该井架进行谐响应分析，分析在f 常工作荷载作用下的稳念响应。得出结构的 响应随频率变化的规律。对井架进行稳定性分析，确定井架的临界荷载。 关键词：深水；双井架；优化设计；井架荷载；结构分析 a n a l y s i so fd u a ld e r r i e ks t r u c t u r e l i ug u a n g d o u ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ux i n g p i n g a bs t r a c t a n dg a se x p l o i t a t i o no fd e e p w a t e rh a sb e c o m eat r e n do fo f f s h o r ed r i l l i n g b e c a u s e o ft h ec h a r a c t e r i s t i co fd e e p w a t e rd r i l l i n g ，a tt h ee n do ft h et w e n t i e t hc e n t u r ym a r i t i m e d r i l l i n ge n g i n e e rp r o p o s e dt h ed u a ld e r r i c kd r i l l i n gt e c h n o l o g y t h em a i ni d e ai st w od r i l l i n g m o d u l e sa r eo u t f i t t e di nt h ed e r r i c k i tc a np a r a l l e ld r i l l ，r e d u c et h ek e yd r i l l i n gp r o c e s sa n d i m p r o v ee f f i c i e n c y d e r r i c ki s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti nh o i s ts y s t e m t h e d e r r i c kc a nl a ye q u i p m e n ta n di st h eb a c k u pu n i t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fd e r r i c ks t r u c t u r e 1 sn e c e s s a r y t h r o u g ht h es u r v e yo fd u a ld e r r i c k ，a n a l y z et h ed r i l l i n gp r o c e s sa n dc h a r a c t e r i s t i c l i s t t h es e m i s u b m e r g e dp l a t f o r ma n dd r i l l s h i pt h a te q u i p p e dd u a ld e r r i c k ，a l s ot h em a i nf o r mo f d u a ld e r r i c k s e l e c tt h ep r o p e rt o p o l o g ys t r u c t u r ea n df i n i s hi n i t i a ls e t t i n go fp a r a m e t e r s i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fd u a ld e r r i c k ，d e f i n et h el o a do fd e r r i c k s u c ha sd e a dl o a d ， o p e r a t i n gl o a d ，w i n dl o a da n dd y n a m i cl o a d t h e ns e tt h ec o m p o u n dm o d eo fd e r r i c kl o a d s a c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o n i n t r o d u c et h es t r u c t u r ed e s i g nt h e o r ya n do p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d u l eo fa n s y s b u i l d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd e r r i c k u s em e t h o dd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ld e s i g n js e t d e s i g nv a r i a b l e s ，s t a t ev a r i a b l e sa n do b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n dt h e nu s eo p t i m i z a t i o n d e s i g n m o d u l et oc a l c u l a t ei nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n ，a n df i n a l l yd e t e r m i n et h eo p t i m u mr e s u l t s t u d yt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fd u a ld e r r i c k d os t a t i ca n a l y s i so fd e r r i c ku s i n gf i n i t e s o f t w a r e ，a n df i n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h em a i nb e a r i n gc a r r i e r d om o d a la n a l y s i s ，a n d f i n dn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d e so fv i b r a t i o no fd u a ld e r r i c k d oh a r m o n i cr e s p o n s e a n a l y s i s ，a n da s c e r t a i nt h er e s p o n s eo ft h es t a b i l i t yw i t hl o a dc h a n g e so v e rt i m ea n dt h er u l e o ft h a ts t r u c t u r ei nr e s p o n s et oc h a n g e si nt h ef r e q u e n c y d os t a b i l i t ya n a l y s i s ，a n df i n dt h e c r i t i c a l l o a d k e yw o r d s ：d e e p w a t e r ，d u a ld e r r i c k ，o p t i m u md e s i g n ，d e r r i c kl o a d ，s t r u c t u r ea n a l y s i s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：v j 年岁月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 同期：硼年 同期：_ 旧年 岁月多日 岁月；j 日 中国石油大学( 华东) 硕：卜学位论文 1 1 深水钻井 第一章引言 据2 0 0 2 年在巴西召开的世界石油大会报导，油气勘探开发通常按水深加以区别： 水深4 0 0 m 以内为常规水深，4 0 0 - 1 5 0 0 m 水深为深水，超过1 5 0 0 m 为超深水【。当前世 界海上油气开发的重点是深水钻井采油。深水和超深水占了绝大部分海洋面积，并且油 气资源很丰富。普通水深的油气开发技术、工艺与装备的发展，提供了向深水和超深水 采油必要条件。这些都是深水钻井采油发展的重要因素【2 1 。 双井架( d u a ld e r r i c k ) 钻井技术是在二十世纪末，由海上钻井工程人员提出的。 其主要的概念是在钻井平台井架上配备两套钻井系统。通过这两套钻井系统的并行作 业，减少钻井关键路线，提高钻井效率【3 】，应用于超深水钻井的一种新型的钻井技术。 国外从2 0 世纪9 0 年代初末开始建造使用双井架钻井平台。通过大量的实践检验，这种 钻井技术在不同的作业工况下它可以节省21 7 0 左右的时剐4 1 。 目前新设计建造的深水半潜式钻井平台和钻井船基本都配置双井架，并且逐步投入 使用。而我国至今尚无超过1 0 0 0 m 水深的钻井平台和相应的钻井设备f 5 】。我国与国外差 距越来越大，必须加速发展我国深海石油勘探丌发的技术装备，适应时代，发展深海事 业，双井架技术是一个关键环节。 1 2 深水钻机双井架 海上钻井平台上所用的井架为海洋动态井架，主要功用是：安装天车、游车、顶驱、 大钩等起升设备，用于下放钻具、套管、隔水管、水下器具及靠放立根等。海上钻机大 多采用塔式井架，井架不用绷绳固定，底面积宽。在半潜式钻井平台和浮式钻井船上， 为了安装升沉补偿装置及防止游车大钩摆动，井架上装有导轨。为适应拖航过程中的摇 摆( 周期为1 0 s ，单面摇摆不超过2 0 0 ) ，要求井架结构强度高1 6 j 。 由于早期的钻井作业多分布在浅海区域，因此水深不是很深，鉴于塔式井架具有很 宽的底部基础支持和很大的组合截面惯性矩，因此其整体稳定性最好。这一特点使塔形 井架成为海上钻机井架的最主要的一种结构形式。随着钻井作业水深的加大以及钻井深 度的提高，为了在井架内排放更多的钻具，必须增大井架二层台的宽度，井架由塔式转 变为酒瓶式。在深水海域钻井时，隔水管和防喷器等的重量比钻具的重量要大得多。因 第一章引言 此，用常规的一个井架和一套起升系统的话，造成钻机的绞车非常庞大，由于很难做到 无级变速，为了兼顾起升和下放隔水管的需要，j 下常钻井时绞车起升和下放的速度就会 受到影响，从而影响钻井效率。这就需要两套起升系统，一套起升系统用于荷载相对较 小的正常钻井的起下钻，另一套起升系统用于速度相对较慢的起升和下放隔水管和防喷 器。因此，在同一平台上配备两套钻井系统时就是双井架结构。 1 3 井架结构设计 ( 1 ) 结构设计计算i 7 j 结构设计计算概括地说，要考虑两个基本变量，一是结构的荷载效应一作用在结构 上的荷载产生的结构内力，如轴力、弯矩、剪力、扭矩等：其二是结构的抗力一结构承 受荷载和变形的能力，如截面强度、杆件的刚度和稳定性等。 根据对荷载效应s 和结构抗力r 这两个基本变量的描述，形成不同的设计计算方 法。若将s 和尺描述为“确定性”的变量，则相应的设计计算方法就是允许应力计算法。 若从概率统计的观点出发，认为s 和r 具有随机性，即结构承受的各种荷载具有随机性， 不仅可变荷载具有随机性，就是构件自重等恒定荷载也具有随机性：其次。由于结构材 料性能和构件尺寸等也具有随机性，所以结构抗力也不可能避免地具有随机性。与此相 适应的是概率设计计算法。结构的概率设计计算法按其发展过程分为三个水准，即半概 率计算法，近似概率计算法和全概率计算法。 井架结构的极限状态可分为承载能力极限状态和币常使用的极限状态两种情况 8 】。 井架的承载能力极限对应于其结构或构件的最大承载能力，结构或构件成为以下状态之 一时，就认为超过了承载能力极限：整个结构或其一部分作为刚体失去平衡；结构杆件 或连接因材料强度被超过而破坏，或因过度的塑性变形而不适应继续承载；结构转变为 机动体系：结构或构件丧失稳定。正常使用极限状态对应于结构或构件达到正常使用或 耐久性能的某项规定值。结构或构件成为以下状态之一时，就认为超过了f 常使用极限 状态：影响正常使用的变形；影响正常使用的局部损坏；影响使用的振动：影响f 常使 用的其它特定状态。 ( 2 ) 井架结构分析概述 井架是石油钻井装备的重要组成部分，其结构分析理论和承载力研究涵盖了采油工 程、机械工程和力学等领域。以石油井架等装备为代表的结构设计与评价均把静强度作 为主要准则，按照使用条件下不致破坏作为设计的标准，单方面一味的加大安全系数， ， 中国石油大学( 华东) 硕二| = 学位论文 从而使设计、评估等工作偏于保守；另一方面，采用加大结构重量和尺寸的传统办法， 使得结构变得庞大、笨重，大大增加了成本，从而造成结构设计的不合理，随着现代生 产技术的进步，机械性能和效率的提高，高速、轻量、大型、复杂的设计成为趋势。 国内对井架的研究以承载力研究居多。现有评定井架承载力理论的研究主要有以强 度、稳定性为主的评定理论、以刚度为主的评定理论、以可靠性及模糊评定为主的理论 和以动态参数为主的评定理论 9 】。近年来各种静力计算的方法和程序已同臻完善，线性 动力计算通过s a p 5 程序己完成，静动力测试已进行多次，结构优化设计也取得了一定 成果。 国外对井架研究多于承载力的评定且偏重于外观检测，简易诊断和一般处置与预防 三方面。对井架的结构研究报道以有限元结构分析为主。而且以海洋平台井架方面 1 0 , 1 1 研究占多数。上个世纪6 0 年代中期，开始出现一些随机结构分析研究。同期，摄动方 法的兴起和概率论思想的普及，使结构分析向自仃迈进了一大步，7 0 年代以后人们才逐 渐丌始关注动念响应、特征值等问题的研究。9 0 年代逐渐重视井架新技术的丌发与诊 断理论的研究工作。随着计算机技术的不断发展和可供大型空i 、日j 刚架结构分析的计算机 辅助分析软件与测试软件的逐渐成熟与完善，更多的井架研究将偏向动态分析，分析过 程更细，求解精度更高。 1 4 结构优化设计 结构优化设计是把力学概念和优化技术有机地结合起来i | 2j ，根据设计要求，使参与 计算的量部分以变量出现，在满足规范和规定的6 仃提下，形成全部可能的结构设计方案 域，利用数学手段在域中找出满足预定要求的，不仅可行而且最优的设计方案。 桁架结构可靠性优化设计中一类最常见的问题即寻求满足可靠性约束的结构最小 体积( 或最轻重量) 的优化设计。基于可靠性的优化模式是由f o r s e l l 最先提出来的。 f o r s e l l 把总耗费最小作为优化目标，这里所指的总耗费是初始投资与期望损失值( 与失 效概率有关的期望破坏损失) 之和。m o r s e 首先探讨了基于可靠性的优化设计，他主要 研究了可靠性与优化之间的关系，并指出用整个结构失效概率作为功能约束的优化过程 应该产生出更加平衡与合理的安全度相一致的设计，他还认为真币的优化设计应该考虑 结构在各种荷载作用下的性能以及可能的强度衰减。 优化设计是从所有可用方案中找出使优化目标函数最满意的方案，工程所有环节都 存在优化的问题；就工程结构优化设计问题来说，目标函数一般表示为造价最省或工程 1 第一章引言 量最小，约束条件一般为刚度、稳定、强度等。 传统的优化方法有工程法和数学规划法，其难以解决离散变量问题，对多峰问题容 易陷入局部最优，且对目标函数要求有较好的连续性或可微性；而近年来提出的基于生 物自然选择与遗传机理的随机搜索遗传算法对所求解的优化问题没有太多的数学要求， 可以处理任意形式的目标函数和约束，对离散设计变量的优化问题尤为有效；进化算子 的各态历经性使得遗传算法能够非常有效地进行概率意义下的全局搜索，能高效地寻找 到全局最优点；但采用遗传算法时，进化的每一代种群成员必须要进行结构分析，因此 所需的结构分析次数较多。 井架传统设计沿用以前的结构设计方法，即先设计后验算，再对验算不合格和不合 理的部分进行局部调整和修正。这一过程相当烦琐，计算量大且不精确。设计的目的主 要是验算计算结果是否满足设计规范的要求。基于传统的结构设计方法虽然谈到井架优 化设计，但大多是在设计验收过程中对结构局部进行的优化，其优化的整体效果是非常 有限的。在计算机技术迅速发展的今天，新的设计方法可以通过分析软件完成一系列的 分析一评估一修f 的循环过程。在对初始设计进行分析的基础上，评估分析结果与设计 要求的一致性，然后修丁f 设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。 通过设计优化建立一个概念设计方法，也就是先确定约束条件，再求解满足约束条件的 设计，是有别于传统的先设计后验算的方法。 1 5 研究意义 国外深海石油勘探开发始于2 0 世纪8 0 年代初甚至更早，我国深海石油勘探开发目 6 i 尚处于起步阶段。不但落后于美国2 0 年以上，也落后于巴西甚至印尼等东南亚国家。 国外深海石油勘探开发工程所用的技术装备，包括深海远洋超过水深3 0 0 0 m 的各类钻 井和采油平台，钻井深度能力超过1 2 0 0 0 m 的钻井设备己早于2 0 世纪8 0 年代初开始， 并逐步投入使用。而我国至今尚无超过1 0 0 0 m 水深的钻井平台和相应的钻井设备。在 深水和超深水钻井采油技术方面，从8 0 年代以来，我国与国外差距越来越大，近2 0 多 年来，没有制造过一条用于国内海域的深水钻井平台。所以，必须加速发展我国深海石 油勘探开发的技术装备，加强基础研究。 通过对深水钻井平台的调研，了解了3 0 0 0 m 深水半潜式钻井平台和钻井船的主要 设备资料。同时对深水钻井作业过程有了深刻的认识。而双井架结构是平台调研中的重 点。经过对双井架钻井的分析研究，了解到双井架钻井的井架结构与普通的海上钻井井 中国石油大学( 华东) 颀l 学位论文 架结构有很大的区别。井架内部安装两套钻井设备，两套钻井设备在井架内部工作的组 合方式也不同，这就增加了井架分析的难度。如果要准确的分析井架，需要对井架进行 荷载的分类。 井架是石油钻机设备的重要组成部分，在钻井中，用于安放天车，悬挂游车、大钩 及专用工具，起下钻、下套管等。通过对深水钻机井架的分析，得到井架计算荷载，井 架承载极限和井架结构优化设计等，这对以后深水钻机井架的分析具有参考价值。也提 供了一种设计井架的方法。 1 6 主要内容 本文主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 从调研入手，分析了深水钻井平台双井架钻机井架的结构形式。选择合适的 井架拓扑形式，完成井架参数的初步设定。 ( 2 ) 在设定井架结构参数后，进行井架荷载的确定和计算。主要包括恒载、工作 荷载、自然荷载和动态荷载。然后确定荷载的组合与计算方法。 ( 3 ) 介绍结构设计理论和a n s y s 优化设计模块。设定设计变量、状态变量和目 标函数。通过前述的荷载进行井架结构优化，并确定优化结果。 ( 4 ) 把优化结果进行井架结构建模，并对井架模型做静力分析、模态分析、谐响 应分析和稳定性分析。对其结构验证。 第二章深水钻机双井架 2 1 井架结构形式 第二章深水钻机双井架 井架用于安放天车、游车、顶驱、大钩等起升设备与工具，承受起下钻、下套管及 其它作业产生的荷载，提供起下钻及存放管柱操作的高度与空间，是一种塔桅式钢结构 物。随着条件的不同，钻井工艺差别，设计制造出不同功能的钻机，因而也出现种类不 同结构类型的井架和底座。 2 1 1 陆上钻机井架 陆地石油钻机的井架按结构形式f 1 3 】可分为塔形井架、a 形井架、前开口井架和桅形 井架。 ( 1 ) 塔形井架 塔形井架是最古老的一种井架结构形式，是截面为j 下方形或矩形的空间结构，整个 结构由许多实腹板式杆件组成，杆件与杆件间用螺栓连接。陆地中深井及深井钻机已趋 向淘汰此种类型井架，但由于它具有很宽的底部基础支持和很大的组合截面惯性矩，因 此其整体稳定性最好。所以塔形井架是陆地中超深井钻机井架和海上钻机井架的最主要 的一种结构形式。 ( 2 ) 前开口形井架 前丌口形井架是由截面为矩形，自，j j 面敞开( 或大部分敞开) ，由若干段焊接结构用 螺栓或销子连接组装成整体的空削结构。前丌口井架的组成一般包括天车台、二层台， 3 5 段主体结构、立管平台，工作梯，起升人字架。整个井架在地面或接近地面处组装， 依靠绞车的动力，通过起升人字架将井架整体起升到工作位置。 ( 3 ) a 形井架 a 形井架由两个格构式或管柱式大腿，靠天车台与井架上部的附加杆件和二层台连 接成“a ”字形的空间结构。井架日仃后敝丌，钻台面宽敞。a 形井架的结构组成除井架主 体结构由两条大腿代替外，其余与塔形井架、前丌口井架相同。多数组焊大腿采用矩形 截面，腹杆采用单斜布置，大腿稳定性好。 ( 4 ) 桅形井架 桅形井架主要作为车装钻机井架和修井机井架。桅形井架是由一段或几段格构式柱 或管柱式大腿组成的空i 日j 结构。桅形井架可分为伸缩式和不伸缩式。车载钻机和修井机 中国石油大学( 华东) 硕j l 学位论文 多为伸缩式。此外，由于空间限制，绷绳是桅形井架不可缺少的基本支撑。 除上边四种基本类型的井架外，尚有一些特殊类型的井架如斜井钻机井架、丛式井 钻机井架等。 2 1 2 深水双井架 海上钻机大多采用塔式井架，井架不用绷绳固定，底面积宽。在半潜式钻井平台和 浮式钻井船上，为了安装升沉补偿装黄及防止游车大钩摆动，井架上装有导轨。为适应 拖航过程中的摇摆( 周期为l o s ，单面摇摆不超过2 0 。) ，要求井架结构强度高。 由于早期的钻井作业多分布在浅海区域，因此水深不是很深，鉴于塔式井架具有很 宽的底部基础支持和很大的组合截面惯性矩，因此其整体稳定性最好。这一特点使塔形 井架成为海上钻机井架的最主要的一种结构形式。其井架的结构形式并未有太多的改 变。 随着钻井作业水深的加大以及钻井深度的提高，为了在井架内排放更多的钻具，必 须增大井架二层台的宽度，井架由塔式转变为酒瓶式。 在深水海域钻井时，隔水管和防喷器等的重量比钻具的重量要大得多。如果按照原 来的井架结构设计，井架承受着很大的钻柱重量和动态荷载。井架其内部钻井设备要正 常作业，需要井架提供足够的支撑和作业空间。井架结构也就随之增大，这样设计出来 的井架结构十分庞大，对结构的要求也就很高。但是，深水钻井还有效率的问题。单个 钻机模块作业效率不高，双井架作业概念就是在这种情况下产生。双井架结构相比于传 统的塔形井架，井架高度等主要参数要满足深水作业要求、内部空问大、安装两套钻井 模块和井架的结构形式也有不同。 t r a n s o c e a n 海洋钻探公司，擅长海洋钻探设备业务，特别是深水及恶劣环境下的系 统。其根据丰富的海洋钻井经验，于上世纪9 0 年代提出一个井架内配备两个钻井系统 的理念，后来发展成双井架钻井技术。近年来，双井架钻机技术同趋完善，在深水钻井 中体现了其高效性，目前在建的平台和钻井船大多都采用双井架钻机技术。同时， t r a n s o c e a n 公司申请了双井架专利【1 4 , 1 5 】：多重作业海上勘探和开发钻井的方法和设备 ( m u l t i a c t i v i t yo f f s h o r ee x p l o r a t i o na n d o rd e v e l o p m e n td r i l lm e t h o da n da p p a r a t u s ) 。 2 2 深水双井架钻井 现在新设计建造的深海半潜式平台基本都配置双井架，井架的外形不尽相同，在平 第一章深水钻机日架 台的布置位置有尾部、中央、中央偏左或偏右等多种方案，但以中央居多。 根据井架的型式不同，双井架的外观也有差别，深水钻井平台柬看，双井架的形式 主要有两种，塔型和a 型井架。塔型双井架使用的是电驱钻机系统，a 型双井架使用 的是全液压驱动的钻机系统。下面对这两类双井架的特点进行说明。 22 1 a 型双井架 a 型双井架即全液压双井架钻机，主要生产厂家是致力于液压钻机发展的m a r i t i m e h y d r a u l i c s 公司。这种无绞车、液缸升降型钻机于1 9 9 6 年丌发，研制出r a m r i g 钻 机已基本上形成系列，大钩荷载范围1 5 0 0 一1 0 0 0 0 k n 。全液压驱动职井架钻机首先在w e s t n a v i o n 钻井船上配备使用，钻井船工作水深2 4 3 8 m 、钻深1 0 0 6 0 m 。经过这些年的发展， 全液压驰动双钻机技术已成熟，在深水半潜式钻井平台和钻井船有相当数量的钻机安装 使用。下图是a 型双井架平台图2 - l 和钻井设备图2 2 。 图2 - 1w e s tp h o e n i x 平台 f 1 9 2 - l r h e w e s tp h o e n i xp l a t f o r m 中国“汕人学( 牛东，倒i ：学位论皇 圈2 - 2 w e s tp h o e n i x 平台钻井设备 f 醇、2 t h ed r i l l i n g o u t f i t o f w e s tp h o e n i xp l a t f o r m 与常规钻机相比较，r a m r i g 液厄钻机绞车和提升系统方案简单，结构紧凑，体 积小，质量轻，成本低，技术经济指标先进；可完成钻井、起下钻、下套管或修井等作 业，动力消耗较少：现场试验和钻井实践表明，r a mr i g 钻机可提高钻井效率1 5 。旷2 0 ； 省去庞大的绞车和钻柱运动补偿器，大大降低了钻机质量和制造成本；可与全液压顶部 驯动、铁钻： 、自动排放钻具、液j 上机械手和天车型液压钻桩运动补偿器组台而成全斋| j 钻井工艺过程的自动化操作系统。 查资料可知，使用a 型双井架的平台和钻井船，日前使用的有1 1 座，在建的有1 2 座， 2 22 塔型双井架 t r a n s o c e a n 公司主要致力r 塔型双井架【”1 9 9 8 年在堪称世界最先进、最大的钻井 船d i s c o v e r e re n t e r p r i s e 首先配备了塔型双井架。谶船主尺度长2 5 45 m 宽3 8l m x 深 9 第章潍水钻机日什浆 1 89 m ，可变荷载2 0 0 0 0 t ，设计作业水深3 0 4 8 m ，钻深1 0 6 6 8 m 。船上配备的双井架高 6 89 m x 长2 44 m 宽2 44 m ，采用两套同类型钻机及相应设备。钻井泵4 台驱动功率 16 4 m w 的n a t 1 1 4 p 2 2 0 型，该船采用最新的d p s 9 0 3 d p 型动力定位系统，总功率为 6 52 2 m w ，1 1k v 系统。 为了实施双井架钻井，其主要的钻井设备为井架内配备的两套钻机系统，主钻机大 钩荷载9 0 7 t ，辅助钻机4 0 4 t ；还有两套管子输送装置：管子处理装置。钻台上钻井设备 都是以钻井中心线对称分布。 塔型职井架平台图2 3 和钻井设备图2 - 4 如下。 图2 - 3d i s c o v e r e re n t e r p r i s e 钻井船 f i 9 2 3 t h e d i s c o v e r c re n t e r p r i s ed r i l i s h i p 中国“油人学( 华东) 倾l j 学位论义 图2 - 4 钻井设备布置 f i 9 2 4d r i l l i n go u t f i tl a y o u t 查资料可知，使用塔型双井架的平台和钻井船，目前使用的有9 座，在建的有1 9 座。 2 2 3 双井架钻井过程 单井作业是半潜式深水钻井平台主要方式，在进行单井作业时，双井架钻机可以并 行组装和拆卸井下组件、钻具和管子立根，还可以在丌钻表层时下放套管及b o p 等。 以海洋钻井常使用标准井身结构为例，对单井工艺进行总结【1 8 】： ( 1 ) 下井口盘。由主钻机完成，可采用钻杆下放，井i = 1 盘到达海底后，采用重物 或混凝土固定。井口盘也可采用临时导向绳下放。 ( 2 ) 钻导管段。用临时导向绳穿在临时导向架( 导向滑臂) 两端，临时导向架中 间抱住钻头，顺临时导向绳下入井口盘。钻进几十米后冲洗井口，起钻。钻进时临时导 向架悬停在井口盘上，起钻时带上临时导向架。 ( 3 ) 下导管及导向管引鞋。导管用临时导向架抱住，导管下装导管引鞋，上装导 管头，导管头与钻杆联接。导管和导向架用钻杆随临时导向架送入井口盘，临时导向架 坐到井口盘上，从钻杆内注入水泥浆，水泥浆返回井口盘进行固井，钻杆与导管头脱开， 提出钻杆。临时导向架永久驻留海底，临时导向绳可拔掉。 1 1 第二章深水钻机双井架 ( 4 ) 下隔水管，钻表层。隔水管组下放井1 5 1 ，用连接器将导管头连接。完成隔水 管组下放，开始从隔水管组内下钻，钻表层，一般几百米，钻进时钻井液顺隔水管组返 回钻台下。钻穿表层后起钻，起出隔水管组或将其悬持。本工序可以省略，即可以不通 过隔水管进行钻井，此时注意钻井液选择，以防污染。 ( 5 ) 下表层套管，固井。用钻杆将表层套管送入井孔，表层套管下完，套管头坐 在导管头上，固井。提出钻杆，候凝。 ( 6 ) 下防喷器。防喷器( b o p ) 下入有两种方式：一是防喷器组和隔水管依次连 接好，同时下入；二是先下入防喷器组，再下隔水管组，此时，隔水管组处于悬持状态。 ( 7 ) 在隔水管组内继续钻进。完成水下器具后，继续钻井到预定深度，电测，下 技术套管，固井。此时在隔水管组内下套管，套管头坐在表层套管头内台阶上，以后每 继续钻进一段，下的套管都坐在前一段套管头内台阶上。 ( 8 ) 钻开目的层，测井，下油层套管。钻进到达目的层后，即预定深度，测井， 下油层套管，固井。 ( 9 ) 安装采油树。 ( 10 ) 完井，试油。 现以d i s c o v e r e re n t e r p r i s e 钻井船为例，说明双井架钻井如何实施【1 5 】。钻井船上有 两个独立的钻井中心，分为前后两个作业区。主钻机为前作业区，辅助钻机为后作业区。 由上图可知钻井设备布置。 由于井深，地层结构复杂和油层压力大，油井应该有导管，表层套管，技术套管和 油层套管四层。则以此井深结构为例对双井架进行单井钻井作业的步骤进行说明。下图 2 5 是单井作业过程示意图。 ( 1 ) 钻井船就位，钻6 ，j 准备，主钻机下井口盘； ( 2 ) 辅助钻机钻进，完成井口导管段。 ( 3 ) 辅助钻机下导管。 ( 4 ) 主钻机处进行隔水管柱组装。步骤( 4 ) 与( 2 ) 和( 3 ) 同时且独立进行，步 骤( 3 ) 和( 4 ) 同时完成。 ( 5 ) 钻井船移位，使主钻机位于井口上方，安装隔水管。 ( 6 ) 主钻机钻表层，同时辅助钻机进行钻杆套管立根和底部钻具总成组装，为主 钻机做准备。 中田5 油大学( 华东) 顿学位论文 工 | i # ml i 旷 l 。 圈2 - 5 单井作业工序示意图 n 9 2 - 5 t h es c h e m e o f s i n g l e w e l l o p e r a t i o n ( 7 ) 主钻机下表层套管，固井。同时辅助钻机进行b o p 的安装测试，并下放。 ( 8 ) 钻井船移回，使辅助钻机位于井口上方，安装b o p 。然后钻井船移回，完成 隔水管和b o p 连接。 ( 9 ) 主钻机钻技术套管段，辅助钻机作业同步骤( 6 ) 。 ( 1 0 ) 主钻机下技术套管，固井。 ( 1 1 ) 主钻机钻油层，下油层套管。辅助钻机采油树安装测试，并下放。 ( 1 2 ) 安装采油树，完井，试油。 上述只是典型钻井过程的示例，具体的钻井过程可根据实际情况而定。 深水多井口钻井时，更多的是主辅钻机进行并行操作。主钻机通过隔水管和b o p 进行钻井作业时，辅钻机可以不通过隔水管和b o p 进行下一井口的表层钻井和下表层 套管作业。下面简要随明多井钻井时主辅钻机的并行作业。 ( 1 ) 钻导管和表层时，主钻机完成钻井作业；辅助钻机进行下套管固井作业。 ( 2 ) 钻技术套管段和油层时，主钻机安箍b o p 继续钻进，完成预定井深，下套管 固井：辅助钻机则完成下一口并的导管和表层钻井。 ( 3 ) 然后主钻机脱丌b o p 和导管并移位到下一井口，完成b o p 安装：辅助钻 机准备采油树并下放，完成采油树安装。则重复以上步骤，直至完成所有油井作业。 起* 鼎 耥钎 i 自* 露 躺妍 鲁升 锌 栅姗 起升 凰桦 栅册 目* 网叫 棚斛 一 一 嘶 舭 l 叫l i l l 噼 第二章深水钻机双井架 由以上钻井过程可知，双井架钻机的具有协同和并行作业的特点。通过主辅钻机如 此的钻井作业，可以去除普通钻井作业过程中的非关键钻井作业，达到提高钻井效率， 节省时间的目的。对主辅钻机协同和并行作业进行说明。 协同作业：主钻机进行主要钻井作业；辅助钻机用于接卸钻杆或套管单根立根和 底部钻具总成组装，b o p 和采油树安装测试，及其他的辅助作业。为主钻机需要用到 的设备提供准备和测试。非钻井的水下操作也在后作业区完成。 并行作业：主钻机进行主要的钻井作业；辅助钻机进行无隔水管的导管段和表层钻 井操作。 双井架技术可以说是海上钻井的一个突破，全新的钻井工艺，先进的设备，合理的 计划，这都是双井架技术取得成功的关键。但双井架钻机技术也有要求：配备两套钻机 系统，需要更多的操作人员：要求精确的动力定位，保证钻井高效进行；深水作业需要 更多的空间排放钻杆立根；要求管子处理装置自动化程度高，达到钻井作业的需求。 2 2 4 双井架应用 在2 0 0 0 年2 月交付使用的w e s tv e n t u r e 半潜式钻井平台上配置了双井架液压升降 型钻机，双井架主辅井口作业新理念在工程上得到了成功应用【1 9 , 2 0 】。在2 0 0 5 年交付使 用的g l o b a l s a n t a f e 公司的d e v e l o p m e n td r i l l e ri & i i 第五代深海半潜式钻井平台也配置 了主辅井口双井架作业系统。钻井船上也使用了双井架主辅井口钻井作业系统，如下： w e s tn a v i o n ，d i s c o v e r e re n t e r p r i s e 等。 在进行单井作业时，可以并行组装和拆卸井下组件、钻具和管子立根，还可以在开 钻表层时下放套管及b o p 等。在多井口水下模块作业时可以通过b o p 隔水管同时进 行水下作业；主钻机在通过b o p j n 水管进行钻井作业时，辅钻机可以不通过b o p j n 水管进行另一井口的表层钻井和下表层套管作业。经过适当的操作，可以将b o p 在水 下直接移到下一井口，x m a s 树或其他模块也可以在进行钻井时同时安装。 在双井架的海上钻井经验一文【4 j 中，半潜式钻井平台w e s tv e n t u r e 和钻井浮船w e s t n a v i o n 在油井q u l l e c 1 、h e i d r u nn o r d 、s n a d d 、t r o l l 进行不同作业的时候与单起升 系统相比，钻探井节约时侧2 1 ；不使用b o p 封井和弃井作业节约3 2 ；在发生封井 和弃井事件时，双井架的操作能节约6 0 7 0 ；完井时间节约5 0 。 由以上的操作可以看出，双井架能够减少钻井关键过程，提高钻井效率。所以双井 架主辅井口钻井作业在不同的作业工况下它可以节省2 1 7 0 左右的时间。双井架主 1 4 中固石油人学( 华东) 颂f j 学位论义 辅井口作业是深海半潜式钻井平台钻井作业发展的飞跃。 双井架已是当今深海半潜式钻井平台的一个特别明显的标志。因此，对于即将设计 及建造的深海半潜式钻井平台均应配置双井架及相应的双井口作业系统。 2 3 双井架选择 2 3 1 双井架相关设备参数 本井架结构应用在3 0 0 0 m 作业水深钻井作业。其所在的半潜式钻井平台或钻井船 需要达到一定的设备配置爿能够胜任这项任务。于是上网查资料得到3 0 0 0 m 深水钻井 设备的基本参数。在此，主要列出钻机中和井架设计计算相关的主要设备参数。 2 - 3 1 1 主绞车 主绞车 2 1 】不仅担负钻机起下钻具和下套管，而且担负着钻头钻进过程中控制钻压、 处理事故，以及提取岩芯筒，试油等作业。 该绞车为交流变频驱动主动补偿绞车，选择型号【2 2 ，2 3 1 为：n o v a h d 7 5 0 1 0 0 0 ( v i ) ， 额定起升荷载：1 0 0 0 t ，间歇起升荷载：7 5 0 t ，提升速度为6 5 6 f t s ( 2 r r d s ) ，绞车电动机 驱动功率6 9 0 0 h p ，电动机数量6 台。其主动补偿值：钩载5 0 0 t ，钻机补偿量4 2 m ，波 动周期1 6 s 。 2 3 1 2 辅绞车 辅绞车担负组装钻杆、套管及钻井作业中的一开、二开等作业。该绞车亦为交流变 频驱动主动补偿绞车，额定起升荷载：6 5 0 t ( 5 2 4 t n e ) ，间歇起升荷载：5 0 0 t ( 4 0 3 t n e ) ， 绞车电动机驱动功率4 6 0 0 h p ，电动机数量4 台。 2 3 1 3 主天车 主天车是安装在主井架顶部的定滑轮组，与主游车滑轮组用钢丝绳联系组成一套滑 轮系统，它可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻绞车在钻井各种作业中的负荷，并减 少绞车的功率配备。天车台面安装牢固的护栏、踢脚板，天车下配置防碰木。 该天车额定荷载：9 0 7 t ，滑轮组：7 x 7 2 ”，钻井钢丝绳：2 ”。 2 3 1 4 辅天车 辅天车是安装在井架顶部的定滑轮组，与辅游车滑轮组用钢丝绳联系组成一套滑轮 系统，它可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻绞车在钻井各种作业中的负荷，并减少 绞车的功率配备。天车台面安装牢固的护栏、踢脚板，天车下配置防碰木。 该天车额定荷载：4 5 4 t ，滑轮组：5 x 6 0 ”，钻井钢丝绳：1 ”。 l5 第二章深水钻机双爿：架 2 3 1 5 主游车 主游车是安装在井架内上下游动的动滑轮组，与主天车用钢丝绳联系组成套滑轮 系统，它可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻绞车在钻井各种作业中的负荷，并减少 绞车的功率配备。 该游车额定荷载：9 0 7 t ，滑轮组：7 x 7 2 ”，钻井钢丝绳：2 ”。 2 3 1 6 辅游车 辅游车是安装在井架内上下游动的动滑轮组，与辅天车用钢丝绳联系组成一套滑轮 系统，它可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻绞车在钻井各种作业中的负荷，并减少 绞车的功率配备。该游车额定荷载：4 5 4 t ，滑轮组：5 6 0 ”，钻井钢丝绳：1 比”。 z 二 2 3 1 7 主大钩 主大钩型号d y n a p l e x5 1 0 0 0 ，额定最大荷载9 0 7 t 。 2 - 3 1 8 辅大钩 辅大钩型号d y n a p l e x5 5 0 0 ，额定最大荷载4 5 4 t 。 2 3 2 双井架平台 由网上资料知在作业水深大于7 5 0 0 f i ( 2 2 8 6 m ) 的半潜式钻井平台和钻井船一共有 9 6 座，这些平台和船包括现在使用和以后将要交付。 其中半潜式钻井平台个数为5 5 座，钻井船个数为4 1 座。使用双井架的钻井船和半 潜式钻井平台的钻井作业 2 4 1 水深一般是1 0 0 0 0 f i ( 3 0 4 8 m ) ，钻井深度达3 0 0 0 0 f i ( 9 1 4 4 m ) 以上。从网上资料分析得知半潜式钻井平台和钻井船各所占比例分别为5 0 9 和6 1 。 下面把使用双井架的平台和船现列为表2 1 和表2 2 。 表2 - 1 深水半潜式钻井平台 t a b l e 2 - 1d e e p w a t e r