（机械工程专业论文）人工岛环形移动模块钻机底座的设计与研制.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 人工岛环形移动模块钻机底座的设计与研制 机械工程 刘刚强( 签名) 朱小平( 签名) 李纯华( 签名) 相i ? 兹 摘要 冀东南堡油田是中国石油“十一五”发展过程中的重要战略地区，分布在渤海湾近 海滩涂和海面。1 号人工岛采用移沙填海( 在围堤内吹砂) 修建而成，实现海油陆采。 根据人工岛的椭圆形状、面积相对较小、密集布置井位的需要，以及钻机能循环移动、 便于实施高效批量钻井、边钻边采的油气生产要求，以及丛式井井位以双排井的井口槽 形式、绕岛一周环形布置等特点，设计出一种既能横向移动，又能绕岛环向移动的海洋 平台式底座，以达到用一台或数台钻机高效快速地钻探数百口油气井的目的。 本文针对人工岛模块钻机的关键配套部件一底座进行研究，分析了人工岛模块钻机 研制的重要意义，论述了国内外相关领域的研究现状，并提出了模块钻机双向移动( 横 向及环向移动) 底座的设计方案及实现过程。在此基础之上，利用大型有限元分析软件 a n s y s 建立底座的有限元模型，并根据a p is p e c4 f 钻井和修井井架、底座规范的相 关要求，对底座最为恶劣的几种工作工况进行组合载荷的设计计算，按照实际情况对有 限元模型加载及求解，得到不同工况下底座的应力及变形结果。 在a n s y s 软件的后处理程序中，编制校核程序，对每一单元进行稳定性校核，验证 底座结构设计的合理性，确保底座所有构件均满足强度、刚度和稳定性要求。并应用经 典力学理论对底座的关键连接构件进行了详细的强度校核。 关键词：人工岛模块钻机底座设计有限元法强度计算 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 t h e s i st i t l e ：t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fs u b s t m c t u r eo fa r t i f i c i a li s l a n d 哆p em o b i i e d r i l u n gr i g m a j o r ：m e c h a n i cd e s i g na n dt h e o r y s t u d e n t ：l i ug a n g q i a n g ( s i g n a t u r e ) t u t o r ： z h u ) 【i a o p i n g ( s i g n a t l l r e ) l ic h u n h u a ( s i g n a t l i ) 细罗多吻 j i d o n gn a i l p uo i l f i e l di si no n eo f t l l ec a f so i l “e l e v e n f i v e ”i m p o i r t a n ts t r a t e g i ca r e a i ti si nb o h a ib a y ，d i s t r i b u t e d 啪u i l dt l l es e ab e a c ho 凰h o r e n o 1r i gi sb u i l to nm es a l l d f i l l e d s e a ( w i t h i l lt l l eb a n k ) i t so f r s h o r eo i lo n s h o r ed r i l l a c c o r d i n gt ot l l es i z e a 1 1 di n t e n s i 够o f m u l t i w e l l ，t l l er i gi sr e q u i r e dt ob ef 弧tm o v ea l o n gac y c l eg u i d ei no r d e rt o 血l l i n gm a s s i v e h e a da 1 1 d 嘶l l i n g & p r o d u c i n gm o d u l e t i l e nt h ed e s i 盟o ft h er i gi sb a s e do nt l l ei d e ao f d r i l l i n gm u l t i w e l l sa n dd o u b l er o wo fw e l l sw i t h i nac y c l e i nt l l a tw a yh u n d r e d so fw e l l w o u l d b e 觚s h e d 缸ta i l de 位c t i v e l y t 1 1 i sm e s i sd i s c u s s e d 恤k e yc o m p o n e n to ft l l e 强l l i n gr i 兽t l l es u b s t r i l c t u r e a r e r a n a l y z i i l gt l l ei i i l p o r t a i l tm e a n j n go ft h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ea n i f i c i a li s l a n d 咄a n do t l l e r r e s e a r c h e so v e r s e 马t l l i sm e s i sp u tf 0 刑a r dm ed e s i 印p l a j la i l dp r a c t i c a lm e m o do fma ：k i n g d u a l d n c t i o nm o b i l er i gs u b s t r u c t u r e a n d 缸t 1 1 e m o r e ，b yu s i i l ga n s y sp r o d u c t st 0b u i l d t l l em o d u l eo fs u b g 咖c t i j r ea i l df o l l o w i n gt 1 1 ec o r r e s p o n d i n ga p is p e c4 f ，t h ew o r s tc a s ed 嘶n go p e r a t i o nh a db e e ns t u d i e da i l db a s e do nt l l e m o d u l er e s e a r c h 廿l es 仃e s sa n dc h a j l g i n gr e s u l to ft h es u b s t m c t u 】r eh a db e e na c q u i r e d p r o g r a mi 1 1t l l ep o s tp r o c e s s i n go fa n s y s s o 胁a r et oc h e c k 骶s 讪i l i 够o fe a c h 疵ta 1 1 d v e r i 匆廿1 er a t i o n a l 时o fs u b s 扛u c t l 玳d e s i 弘t oe n s u r ea l lt l l es 劬c t u 脚c o m p o n e m s c a i lm e e t t l l er e q u i r e m e n t so fs 臼呛n g t l l ，r i g i d i 够a n ds 切b i l i t y a n da p p l ym et h e o r ) ，o fc l a s s i c a lm e c h a i l i c s t ov e r i 囟t l l es t r e n g mo fc r i t i c a lc o m l e c t i l l gp 耐so fs u b s t m c t u r ew i t l ld e t a i l s m 啪1 k e yw b r d s ：a i t i f i c i a li s l a n d ，m o d u l ed d l l i n gi u g ，s u b s t r u c t u i ed e s i g n ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，s t m n g t hc a l c u l a t i o n t h e s i s1 y p e ：a p p l i c a t i o nb a s i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 冀东南堡油田是中国石油“十一五”发展过程中的重要战略地区，分布在渤海湾近海 滩涂和海面，规模储量超过l o 亿吨。尽快实现冀东南堡油田油气开发的产能建设，是中 油集团当前一项迫切而重大的任务。为进行冀东南堡油田油气资源的大规模开发，在浅 海地区利用人工吹砂填海、修建人工端岛及人工岛的方式实现海洋石油的陆采化n 1 1 。 冀东南堡油田1 号人工端岛是利用人工吹砂填海形成的7 5 0 m 4 0 0 m 椭圆形陆地， 规划钻井3 9 2 口。为满足高效、批量钻井的需要，其井位以横排井距2 5 m 、纵向井距4 m 的双井排形式，围绕1 号人工端岛的椭圆环形、绕岛一周进行布置。井筒建在深3 m 、宽 9 m 的井槽内。沿环形布置的井槽设有1 2 m 跨距的环形轨道。 通过人工岛及岛面钻井与生产设施的建设，使1 号人工端岛达到年产原油2 0 0 万吨 的能力。为满足冀东南堡油田油气高效开发的需要，设计并研制人工岛环向移动式模块 钻机。沿人工岛环形轨道共布置4 部模块钻机n 引。 1 号人工端岛项目是中油集团公司意义重大的项目，也是中油集团公司与中油股份 公司进军海洋、及加快环渤海的滩海油气井开发的一项重要投资举措。1 号人工端岛无 论在投资规模、建设规模，以及一次投放钻机数量在国内都是空前的，堪与美国长滩人 工岛的油气开发相妣美。 通过1 号人工端岛移动式模块钻机的设计与建造，将使我国的海洋钻机的设备与技 术更加完善。而人工岛钻机底座的设计与开发是人工岛项目的关键技术，是实现一切开 采工程及任务的重中之重。 1 2 人工岛 1 2 1 人工岛概述 冀东人工岛( 如图卜1 ) 是在近岸浅海水域中人工建造的陆地。它不同于天然形成的 岛屿，而是采用土木工程技术，人工建成的高出海平面并具有一定面积的陆岛，通过海 堤、栈桥或海底遂道与陆地相连。人工岛建设工程主要包括岛身填筑、环岛保护、岛陆 之间的交通联系三个部分口。4 3 。 西安石油大学硕士学位论文 图卜1 人工岛 目前，全世界已建造了很多个各种类型和不同用途的海上人工岛。岛的功能随建岛 目的不同而多种多样：一些是为了扩大生存空间，有的把陆地延伸到水上，建成水上城 市、水上机场；一些是为了远离工业污染把大型工业项目建在人工岛上，建成各种重工 业基地及危险品仓库；还有一些是为了方便开采海洋石油等矿产资源，把人工岛建成矿 产开采的海上平台：当前新兴的功能是为了发展旅游业，就把人工岛建成渡假休闲场所。 据不完全统计，仅上世纪6 0 年代到9 0 年代的3 0 年时间里，全世界就有4 0 0 多个人工岛 工程项目。人工岛在太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋及内陆湖泊均有分布，主要集中 于日本、新加坡、荷兰及我国香港澳门等土地资源紧张的滨海地区以及墨西哥湾、北海、 阿拉斯加波弗特海、里海等石油资源丰富的地区。 近年来，我国在滩海地区修建大量包括人工岛在内的工程构筑物。然而，滩海区域 是一个非常特殊的区域，其环境条件十分复杂。在滩海区进行工程建设，必定受到潍海 区复杂的地质条件、多变的气象条件等环境因素的制约及影响。通常作用在滩海构筑物 上的环境荷载主要有风荷载、波浪荷载、海流荷载、冰荷载及地震荷载等。 1 2 2 南堡油田一号人工岛 南堡油田海上石油的开发采用人工岛和海洋平台两种形式，并使用移动式模块钻机 这种系统高度集成、井位移动高效、功能强大的钻井装备n2 | 。采用批量钻井、套管钻井、 双体系泥浆循环、m w d l w d 等措施以实现高效化的钻井工艺。南堡油田的油气井具有 深井多、大位移井及水平井多的特点瞄7 1 。 ( 1 ) 南堡油田一号人工岛路岛工程 2 第一章绪论 按照冀东油田的规划，7 0 0 0 m 环形移动模块钻机将首先在南堡油田一号人工岛使用。 一号人工岛是吹砂填海形成的7 5 0 m 4 0 0 m 、高8 2 m 的椭圆形人工陆地，它由总长 1 6 5 7 k m 的进海路与陆地相连( 如图卜2 ) 。 图卜2 一号人工岛井口槽平面布置 为尽可能多的布置井位和便于实施高效、批量钻井，一号人工岛的井位以平行的双 排、环岛一周进行布置( 如图卜3 ) 。所有井位均被布置在宽9 m 、深3 m 的井槽中。横向 井距2 5 m 、纵向井距4 m 。 图卜3 一号人工岛井口槽示意图 一号人工端岛计划布置4 6 部模块钻机( 如图1 4 ) ，规划钻井3 9 2 口，最大井深5 5 0 0 多米。一号人工端岛将实现原油生产能力2 0 0 万吨年。 西安石油大学硕士学位论文 图1 _ 4 一号人工岛模块钻机布置图 ( 2 ) 南堡油田一号人工岛对钻机的要求 ( a ) 钻机先进可靠，满足大位移井、水平井的大提升负荷和大扭矩需要。钻机选用 7 0 0 0 m 模块钻机，井架与顶驱高配一级。 ( b ) 满足人工岛油气开发的边钻边采、批量化钻井需要。模块钻机为海洋平台式结 构、可实现环向转弯( 纵向) 与横向井距的双向移动。 ( c ) 满足安全防火及快速移动井位的需要，根据钻机各系统功能，将钻机分成若干 个不同移动方式的单元模块。 ( d ) 根据海洋石油作业安全生产及保护环境的要求，模块钻机要满足作业时的防火、 防爆、防雷电、防硫化氢，以及井控、消防等需要；对污水统一收集、集中处理并循环 利用，实现污染物的零排放。 ( e ) 模块钻机满足中国北方海洋环境下设备的防腐、除湿、防盐雾、防冻、防冷凝 需要。 ( f ) 满足抗海洋风暴、以及抗地震要求。 1 3 模块钻机 1 3 1 模块钻机的定义 模块化钻机( m o d l l l 撕z e d ) ，即块状钻机，是指将钻井装置按模块功能、便捷安装的 要求，分别装在不同的底座上，搬家移动时能快速分拆，分块运输，到井位后通过简单 安装，即能实现钻井功能的装置3 。 模块钻机的出现是为了达到降低钻井成本与钻井辅助成本( 运输成本和停工成本) 的目的，从而对钻机提出的模块化设计要求，进而设计出高度集装化、具有良好操作性 能、安装移运性能和环境适应性的钻机。 4 第一章绪论 1 i3 2 国外模块钻机的现状 目前在钻机装备制造技术发达的国家( 美国、加拿大) ，模块化技术已经十分成熟， 模块钻机应用已相当普及。其中以n a t i o n a l o i l 、e u 公司和v 2 眦。公司为代表，这些钻机 有以下主要特点： ( 1 )模块钻机趋向大型化、结构形式多样化发展。如c o 公司生产的a d s 3 0 q 绞车功率可达到4 4 7 7 k w ，预计钻井深度可达1 5 0 0 0 m ，钻井泵的水功率达2 3 5 0 k w 。 ( 2 )电气传动技术的进步使得传动更加简单，特别是广泛使用了交流变频驱动技 术。如齿轮传动单轴绞车的应用，以及主电机能耗制动刹车取代辅助刹车。 ( 3 )新型一体化旋升式井架和底座、多节自升式井架的起放更加安全，使模块钻 机在钻井过程中更稳定，占用井场面积更小。 ( 4 )盘式刹车、顶部驱动钻井装置、立根自动排放机构、铁钻工装置的使用，使 钻井智能化、自动化成为现实，使科学钻井成为可能。 ( 5 ) 模块钻机移运性能不断提高，快速搬迁能力成为模块钻机的关键竞争力。 ( 6 ) 注重以人为本，更加适应h s e 要求。 美国国民油井( n a t i o n a l o i l w e l l ) 公司制造的1 台4 0 0 0 m 钻机，其搬家车次最多不 超过2 5 车次，而且每个井队班次人员配备需求也少，每班操作人员只要4 5 人即可。 美国早在1 9 7 3 年就开发出了模块化钻机，t b a 2 0 0 0 系列的1 8 0 0 6 0 0 0 m 级钻机，每个 模块质量不大于1 4t ，可以用直升机吊装，也可以用雪橇、履带、船舶等工具运输。 英国石油公司与p h o n e xa l a s k at e c l l i l o l o g y 公司共同研制的一种轻型自动化模块钻 机。这种钻机不仅质量轻( 不到钻深能力相当的常规钻机的一半) ，而且模块化程度高， 具有灵活性高，能适应恶劣路况搬迁和狭窄井场进行钻井作业。由于采用自动化管理， 整个钻机系统仅需要1 名操作工便可以通过计算机控制站完成所有钻进、起下钻和钻杆 排放等作业。该钻机主要由钻井模块、固控模块、井底组合( b h a ) 模块、动力模块、 泵模块、大型储罐模块等组成。与常规钻机相比，这种钻机主要有以下优点： ( 1 )自动化程度高，为操作者提供了一个非常安全、清洁的工作环境。 ( 2 ) 质量轻、移动性能强，很容易通过解冻的砂石路、狭窄的桥和冻土带等。 ( 3 ) 设计紧凑，模块化程度高，占地面积小，适用于狭小的井场。 该钻机代表了目前世界模块钻机的先进水平，不仅模块化程度高，同时，也在向安 全可控和自动化方面迈出了一步。 意大利d r i l l m e c 公司全新概念的全液压提升型可移动式钻机( 如图卜5 ) ，大钩载重 从9 1 吨至6 0 0 吨，其中如h h 3 0 0 型钻台，动态钻井加载达3 0 0 吨，液压动力为1 5 0 0 西安石油大学硕士学位论文 马力。这种新型钻机特点是仅需3 至4 人就可完全操作整台钻机；不需绞车，转盘，与 带可伸缩导轨的顶驱一起作业，自动操纵起下钻作业钻杆和套管，操作及维护费用明显 下降，噪音减低，安全系数最高，占地面积小，搬家省事。全液压钻机结构简单，操作 简便，设备体积小，更容易实现模块化。 图卜5d r i l l m e c 可移动式全液压模块钻机 1 3 3 我国模块钻机的现状 我国对模块化钻机的研究相对较少，油田在役钻机中存在着大量的大庆1 3 0 一i 、i i 型钻机，这些钻机更新速度缓慢，严重制约了国内模块化钻机技术的应用发展。1 9 9 7 年， 随着南阳石油机械厂2 台z j 2 0 k 撬装模块化钻机到加拿大钻井作业，启动了国内模块化 钻机的市场需求，也促进了模块化钻机应用技术的研究与发展。当前国内宝鸡、兰石、 江汉四机等厂家相继投入到模块化钻机的设计开发工作中，研制出一批满足国内油田需 求的模块钻机，其中宝鸡石油机械有限责任公司为美国n a b o r s 钻井公司研制的 z j 7 0 4 5 0 0 d b 钻机代表了中国当前石油钻机的最高设计研制水平，完全达到了国际化的 要求。该钻机布局合理，模块设计程度高。整套钻机设备排列紧凑，占地面积小。同时， 此钻机结构设计合理，单元运输模块较少。如钻井泵组和钻井液灌注系统布置在同一个 底座上，地面钻井液管汇和闸阀布置在一个撬座上，绞车与盘刹液压站、固控罐与绞车 冷却水箱采用一体化设计，到固控罐电缆槽采用可旋转并能与固控罐一起运输式电缆桥 架等结构。钻机撬装移运性好，拆卸、安装、维修方便。钻机底座左右基座、发电机房、 偏房、油罐、水罐、v f d 房、固控罐、猫道等设备均设计有标准的自备撬，完全满足自 背车运输要求：所有固控罐、电缆槽间的定位连接，固控罐面防雨棚立柱及钻台面风动 6 第一章绪论 绞车、液压猫头等的固定连接均采用插销结构；固控系统、泵组等所有低压管汇连接处 均采用活动压套式接头，安装快捷，拆卸维修方便。 江汉石油管理局第四石油机械生产的大易b e 7 7 0 钻机( 如图卜6 ) ，属于模块钻机里 快速移动快速安装钻机的范畴。该钻机采用先进的自顶向下设计技术，实现了石油钻机 结构形式的重大突破，是国内外首创的全新理念钻机，技术性能达到国际先进水平。适 应与平原、戈壁等地区油气田的钻井施工作业。钻深能力2 8 0 0 5 0 0 0 m ，轻便的k 形井 架高度4 3 3 m ，底座采用平行四边形整体起升。该钻机模块化集成程度高，模块数量少， 快速移动、快速安装。不要吊车，没有高空作业，操作安全可靠。液压油缸整体起升的 k 形直立套装井架，两级伸缩，一级销接，作业承载能力强。平行四边形结构钻台底座， 司钻侧底座、司钻对侧底座、中间连接部分各自独立成撬和移动；多重拉杆连接、实现 低位安装、整体起升。绞车高台纵向布置，独立驱动，随底座中间连接部分整体运输， 减少运输模块，体现了快速移装理念。 图1 喝江汉石油大易腿7 7 0 钻机 7 西安石油大学硕士学位论文 1 - 3 4 海洋模块钻机的现状 海上和陆上的石油天然气钻井工艺基本相似，不同之处在于陆上钻井设备不受场地 限制，可以布置得相对分散些，但海上钻井设备必须集中布置在面积不大的海上平台上， 平台面积有限，自然条件十分恶劣，操作工况十分复杂。此外，海洋钻井远离陆地，运 输十分困难。这些特点决定了海洋石油钻井设备必须达到陆上设备的要求外，其模块化 和集成化的程度应该高于陆上装备。国外很多海洋石油钻机多选配与陆地钻机相同的石 油钻机，并将其模块化后装配到平台上，以便于在海上迅速吊装连接。一般选用钻深能 力为4 5 0 0 、6 0 0 0 、7 6 0 0 和9 0 0 0 m 的钻机装配到海洋平台上，对于移动式钻井平台则多 选用6 0 0 0 、7 6 0 0 、9 0 0 0 和1 1 0 0 0 m ，乃至更深的钻机。 海洋模块钻机( 如图卜7 ) 。主要由起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、动力系 统、防喷器系统和控制系统等组成。 图卜7 海洋模块钻机 钻机模块主要有钻井设备模块( d r i l l i n ge q u i p m e n ts e t ，d e s ) 、钻井服务模块( d d l l i n g s u p p o r t m o d u l e ，d s m ) 和散料储存撬( p n 蝌k 模块) 等。钻机模块采用陆地建造后装 船，整体起吊安装到海洋平台上。也有的海洋模块钻机模块划分较小，采用多次吊装的 方式安装到平台上。 目前大部分新建的海洋钻机均采用模块化设计，所不同的是各自的模块化程度高， 设计指导的基本思想是：占用甲板面积小；钻机质量轻；钻机建造成本低；采用先进技 囤 第一章绪论 术优化结构。海洋模块钻机的钻井主体部分和辅助部分普遍采用分开布置，分为固定和 移动两个部分。主体部分即钻机的移动部分，可以在轨道上实现两个方向的滑移，从而 到达每一个井位进行钻井作业；辅助部分则固定不动，动力系统、控制系统和循环系统 大部分布置在钻机的固定模块中，与移动部分采用各种方式进行连接，保证固定与移动 模块之间的连接安全、可靠。 1 3 5 模块化钻机底座的现状 底座包括钻台底座、机房底座，用来支承钻井工作载荷及设备的自重载荷，并传递 分配给基础和地基，随着不同地貌条件和地质条件下的油气田的勘探开发，按照不同的 钻井工艺要求，设计制造出不同功能的钻机，因而也出出现各种不同结构类型的底座n 4 j 。 层箱式底座：层箱式底座是在普通的箱式底座上发展起来的，主要是以箱形框架作 为基本构件，有一些杆件连接而成。根据钻台高度要求，有双层箱式、三层箱式底座， 个别有四层箱式底座，钻台高度可达4 1 0 m 。其特点是设计和制造工艺简单，但结构重 量大，钻机拆迁安装工作量大，高空作业需要大型起重设备。这种底座仍在使用，但有 被淘汰的趋势。 箱块式底座：箱块式底座是在层箱式底座基础上发展起来的。根据底座的不同功用， 分别设计成不同的箱形框架、组合梁及板块，用销轴连接组装成整体。为克服重型绞车 上高钻台的困难，绞车一般采用主绞车、猫头绞车分离方案，主绞车放在机房底座上， 猫头绞车放在钻台上。由于此类型钻机底座整体分块，拆迁、安装和运输都方便，一般 是目前机械钻机或复合驱动钻机的首选形式。 白升式底座：自升式底座是近些年发展起来的一类钻机底座，其主要特征是：底座 在地面组装，组装时的钻台高度一般较低，可以将绞车、转盘、井架等在底座上安装， 然后通过底座自身配套的动力传动系统或钻井绞车的动力，底座整体起升到钻台工作高 度。 自升底座结构类型很多，按起升方式可分为三种主要类型，弹弓式底座、旋升式底 座和伸缩式底座。目前这三种形式的底座都广泛应用到各种类型的钻机中去，其中 以电动钻机配套居多。 1 4 人工岛钻机底座介绍 人工岛钻机底座( d z 4 5 0 1 3 一t ) 配套于钻深7 0 0 0 m 的钻机，由上层底座和下层底座组 成，上层底座主要由底座主体、坡道总成、安全滑道总成、上层液压移动系统、挡风墙 9 西安石油大学硕士学位论文 总成等组成；下层底座主要由底座主体、走台、铺台总成、支架、b o p 导轨、b o p 移动 装置、储气罐、移动系统液压站、下层液压移动系统、导绳机、斜梯、栏杆总成等组成； 本底座具有以下特点： ( 1 ) 底座可由上下层结构组成，上层可在下层底座的轨道上实现横向移动，移动间 距2 5 m 。下层可在人工岛环行轨道上进行环行移动； ( 2 ) 该底座具有高台面、大跨距特点，具有较好的整体稳定性，可满足双井位，在 一个位置可经过上层底座的移动实现双井位工作； ( 3 ) 该底座为可拆卸结构，所有部件均通过销轴、螺栓等连接。在油田现场不需要 现场配焊； ( 4 ) 该底座可实现高度集成、高度模块化； ( 5 ) 底座所有设备及附件设计均满足移运要求，钻机提升机可实现伸缩运动；所有 斜梯均悬空设置与地面不接触，可随底座一同运动；安全滑梯、坡道均可实现不拆卸随 底座一同移动 1 5 本文研究背景和课题来源 ( 1 ) 研制背景 冀东油田是中国石油“十一五”发展过程中的重要战略地区，冀东南堡油田的发现， 对经济腾飞中的中国无疑是一股新的强劲动力，使中国的能源安全又多了一道坚强屏障。 冀东南堡油田分布在渤海湾近海滩涂和海面，专家预计冀东南堡油田海上部分的储 量将达1 0 亿吨( 油当量) 以上，且储量规模大，单井油层厚n5 | 。冀东南堡油田海上油气开 发将大量使用现代化钻井的施工工艺及设备： ( a ) 采用移沙填海修建人工岛、实现海油陆采。 ( b ) 一号人工岛根据岛的形状、多布置井位需要，以及钻机能循环移动、便于实施 高效批量钻井、边钻边采的油气生产要求，丛式井井位以双排井的井口槽形式、绕岛一 周环形布置。 ( c ) 油气开发大量使用水平井，达到斜穿油层、提高油层油气产量的目的。 ( d ) 使用批量钻井、套管钻井及随钻测井等高效钻井工艺。 ( e ) 集团公司领导提出要把南堡油田建成科技油田、绿色油田。油田开发要求污染 物达到零排放，对污水统一收集，集中处理。 ( f ) 满足海洋石油作业安全管理规定。 ( 2 ) 课题来源 1 0 第一章绪论 本文选题来源于宝鸡石油机械有限责任公司给冀东南堡油田7 0 0 0 m 人工岛环形移动 式模块式钻机配套使用的底座。 为满足冀东南堡油田油气高效开发的需要，设计并研制人工岛环向移动式模块钻机。 沿人工岛环形轨道共布置4 部模块钻机。每部模块钻机由主模块( 钻机底座) 、循环模块、 动力及控制模块、固井设备与固井材料模块、及地面固定共用模块所组成。其中，主模 块、循环模块、动力及控制模块、固井设备与固井材料模块为可绕环形井槽进行移动的 移动式模块。每两部钻机共用一个地面固定模块，模块内包括燃油罐、工业水罐、钻井 液储备中心、污水收集罐、消防站、锅炉房等。 钻机底座( 主模块) 是可以沿环形轨道转弯滑行移动的移动式模块。同时，该钻机 底座还能进行横向的轨道式滑行，以便进行双排井作业。为集中布置设备、减少降低占 用井槽，钻机底座( 主模块) 的支撑结构要求设计成双层或多层布局的立体海洋平台式 构造。人工岛移动式模块钻机底座依据标准化、结构布局立体化、底座模块移动化、可 拆卸、现场拼装化、满足抗海洋风暴、以及抗地震要求以及安全环保化的原则进行设计。 同时为满足工厂制造、陆路运输、以及现场安装的需要，钻机底座的结构需设计成陆用 拼装型，其有关钢结构还要满足作为永久建筑物的抗海洋风暴、波浪、潮位、海冰以及 抗地震要求。 ( 3 ) 技术创新点 ( a ) 底座能在地面轨道上进行横向滑行及环行转弯移动，并且地面轨道能支撑重达 1 2 0 0 t 总重的钻机主模块； ( b ) 首次在底座上层的左右上座中采用支腿形式； ( c ) 将底座下层轨道与下层底座梁结合为一体； ( d ) 双层移动模块。底座上层可在底座下层上移动，底座整体可以在地面轨道上移 动。 1 6 本文研究的主要内容 ( 1 ) 研究内容： ( a ) 结构布局要求立体化。由于要满足人工岛油气丌发使用批量钻井、及随钻测井 等高效钻井工艺，底座需设计成设备高度集中的模块，各台面设备及一些辅助设备均安 装在底座模块上。 ( b ) 底座模块可实现移动化。为满足人工岛环形布置井槽的井位环向移动要求，以 及双排井的井位横向移动要求。冀东人工岛模块钻机底座应设计上下两层，上层可实现 西安石油大学硕士学位论文 钻台对井排的横向移动，下层实现钻机主模块沿人工岛井槽轨道的环向移动。 ( c ) 可拆卸、现场拼装化。常规海上平台为大模块结构，现场拼装焊接而成，不可 拆卸，在一个平台上钻完井后就结束了它的使命。为满足人工岛模块钻机可在不同时期 服务于不同的岛，或在各岛间临时调用，底座将陆地钻井装备技术应用于海洋平台设计 中，设计为可拆卸、现场拼装的形式，提高了设备的利用率。 ( d ) 满足低温使用要求的材料选择。人工岛模块钻机底座在设计中，满足中国北方 海洋环境下设备的防腐、防冻等需要。 ( e ) 满足抗海洋风暴、波浪、潮位、海冰以及抗地震要求。海洋作业环境受海洋风 暴及地震等恶劣条件的影响，对底座从材料选择、整机抗风、抗震、抗倾覆、抗滑移能 力等方面提出了特殊要求。 ( 2 ) 技术路线： ( a ) 对油田现场的工况和环境进行调研； ( b ) 根据现场调研情况进行研究内容的分析和总结； ( c ) 进行人工岛模块钻机底座的设计，同时依照设计规范a p i4 f 和美国a p ir p 2 a _ w s d 。对材料的韧性提出明确的要求。选择底座主体材料，满足一2 0 环境条件。 ( d ) 在a n s y s 软件中建立底座有限元模型，针对不同危险工况施加相应的载荷和 边界条件，进行有限元计算与分析，得到不同工况下底座的应力及变形结果。 ( e ) 在软件的后处理模块中，根据美国石油学会a p i4 f 规范中的规定，引用a i s c 钢结构手册中对底座每一单元进行稳定性校核，验证底座结构设计的合理性，确保 底座所有构件均满足强度、刚度和稳定性要求。并应用经典力学理论对底座的关键连接 构件进行了详细的强度校核。 ( f ) 将论文结果应用于生产实践。 1 2 第二章7 0 0 0 m 环形移动模块钻机方案及特点 第二章7 0 0 0 m 环形移动模块钻机方案及特点 2 1 模块钻机设计原则 依据冀东油田公司提出的标准化，模块化，运行高效、可靠化及清洁环保化的要求， 模块钻机遵循以下原则进行设计n 6 。： ( 1 ) 功能模块化、模块移动化，钻井批量高效化；结构布局立体化、运行控制数字 化、数据传输网络化。整体性能达到国际先进水平口。 ( 2 ) 按各模块的特点及安全防火要求，将模块钻机划分成不同移动方式的模块组合。 ( 3 ) 满足人工岛钻丛式斜井、大位移井、水平井的钻井工艺要求。 ( 4 ) 满足人工岛环形布置井槽的井位环向移动要求，以及双排井的井位横向移动要 求。 ( 5 ) 满足大位移井、水平井的大提升吨位和大扭矩需要，井架与顶驱高配一级，地 面高压泥浆管汇按5 2 m p a 配备，水龙带按7 0 m p a 配备。 ( 6 ) 分别选用具有当今世界先进水平的电传动技术：数字化交流变频及直流电驱动 技术。 ( 7 ) 满足国家安全生产监督总局2 0 0 6 年第4 号令海洋石油安全生产规定的有关 要求。 ( 8 ) 根据海洋石油作业安全生产及保护环境的规定，充分考虑模块钻机作业时的防 火、防爆、防雷电、防硫化氢，及井控、消防、污水收集等要求。 ( 9 ) 钻机满足中国北方海洋环境下设备的防腐、除湿、防盐雾、防冻、防冷凝需要。 ( 1 0 ) 满足抗海洋风暴、以及抗地震要求。 ( 1 1 ) 设备配套选型：优先选用具有国内外先进水平、经实践证明可靠的技术与设备； 优先选用适应海洋环境的成熟技术和设备。 2 2 钻机总体技术方案 2 2 1 传动方案 ( 1 ) z j 7 0 4 5 0 0 d b 移动式模块钻机总体方案 z j 7 0 4 5 0 0 d b 移动式模块钻机采用数字一体化设计，发挥先进的数控电传优势，简 化机械结构。钻机能实现数字控制，具备自动化、智能化，信息化功能。采用宽频大功 率交流变频电机驱动，实现绞车、转盘和钻井泵的全程无级调速。 西安石油大学硕士学位论文 钻机电传系统采用a c d c a c ( v f d ) 传动，一对一控制。钻机的电控系统是建立 在总线通讯技术基础上的数字控制系统，对变频系统及各个功能部件进行自动控制，采 用p l c 程序控制确保整个系统的高效、安全运行。 钻机设计具备完善的钻井参数的采集、储存、处理、传输和设置系统，为钻井工程 实现智能化、信息化创造必要条件。 钻机采用4 台c a t 3 5 1 2 b1 9 0 0 k v 6 0 0 v 5 0 h z 柴油发电机组作为主动力，发出的 6 0 0 v 4 0 0 v5 0 h z 交流电经变频单元( v f d ) 分别驱动带绞车、转盘、3 台l6 0 0 h p 泥浆泵和 辅助驱动装置的交流变频电动机。钻机另配1 台4 0 0 k w 辅助发电机组。 绞车由2 台8 0 0 k w 高速大扭矩交流变频电动机驱动； 转盘由1 台8 0 0 k w 交流变频电机独立驱动； 泥浆泵分别由一台功率为1 2 0 0 k w 交流变频电动机驱动； 辅助驱动装置由1 台3 7 k w 交流变频电机( 进口防爆) 驱动。 ( 2 ) z j 7 0 4 5 0 0 d 移动式模块钻机总体方案 模块钻机采用a c s c r d c 传动方式。电传动系统采用p l c 逻辑程序控制，具有对 柴油机、发电机、s c r 系统、直流电动机、断路器及其它单元进行检测、保护、运行工 况的定性和定量显示、远程通讯、及对系统的控制功能。智能化司钻操作系统。可满足 深井、特殊井的钻井工艺要求。 钻机采用4 台1 9 0 0 k v a 柴油发电机组作为主动力，发出的6 0 0 v 、5 0 h z 交流电，经 s c r 柜整流后变为o 7 5 0 v 直流电，分别驱动绞车、转盘和泥浆泵的串励直流电动机。 绞车由2 台直流电机驱动；转盘为独立驱动方式，由1 台直流电机经鼓形齿联轴器 及两档链条减速箱驱动转盘；三台泥浆泵各由2 台直流电机驱动。 电传系统采用a c s c r - d c 传动，一对二控制方式。 绞车主刹车为液压盘式刹车，辅助刹车为伊顿4 3 6 w c b 2 气动盘式刹车。配液压盘 刹自动送钻及独立钻井仪表系统。 2 2 2 模块划分与布置 环形移动模块钻机( 如图2 1 ) 划分为主模块( 即主机模块) 、循环模块、动力及控制 模块、地面固定共用模块等四个模块。采用了不同移动方式的组合。 ( 1 ) 主模块和循环模块 主模块和循环模块并排在1 2 m 跨距的井槽轨道上摆放，且均设计成双层海洋平台型 移动式结构，采用液缸动力、沿轨道滑行移动的井距移位方式。 1 4 第二章7 0 0 0 m 环形移动模块钻机方案及特点 ( a ) 主模块用来安装模块钻机的主机。可进行环向转弯与横向井距两个方向的轨道 式滑行移动，既可满足钻机环形连续移动井位，又能满足钻机双排井作业横向移动的需 要。 图2 一l 环形移动模块钻机 主模块底座是可进行双向移动的双层平台型结构，设计为可拆、现场拼装的型式。 底座上层安装直立套装井架、绞车、转盘驱动装置、司钻控制房、钻井值班偏房( 左偏 房) 、维修偏房( 后偏房) 、井口机械化工具、液压站、高压泥浆管汇钻台闸阀组、节流 压井管汇与固井管汇阀门组、泥浆气体分离器、b o p 司控台、铁钻工等。下层导轨梁能 为钻台的横向移动提供支撑，底部结构能满足主模块作环向转弯移动时抗扭转的刚度需 要，下层外伸平台安装绞车强制冷却水箱、钻台储气罐、录井房、倒绳机、移动液压站 等。 ( b ) 循环模块设计为双层甲板结构，分为底层泵房和上层循环罐两部分。泵房设置 3 台钻井机泵组、加重混拌罐、泥浆材料堆场、垂直离心机、岩屑干燥机及泥浆回收罐 等；上层布置固控罐、固控设备、泥浆化验房、钻井监督与数据处理房等。循环模块的 双层甲板结构的移动撬也是可拆、现场拼装型结构。 循环模块配置了垂直离心机、岩屑干燥机及泥浆回收罐，能将油基与水基泥浆循环 后产生的岩屑进行干燥处理，并对废泥浆集中回收。 ( 2 ) 动力及控制模块 动力及控制模块采用液压自走底盘车的轮式移动方式。移动撬上安装设备包括四个 主发电机组房、辅助发电机组与气源房、电传动及m c c 控制房、顶驱电控房等。动力 西安石油大学硕士学位论文 及控制模块与主模块相邻，分布在人工岛环形井槽轨道的外侧，与主模块的横向距离为 8 m 。在与主模块间隔上设置了耐火等级为一级的防火墙。 ( 3 ) 地面固定共用模块 地面固定共用模块摆放在远离主模块的环形井槽外侧，为两部钻机共用。该模块包 括泥浆储备中心、泥浆输送独立机泵组、工业水罐、燃油罐、污水收集罐、锅炉房、消 防站、应急照明电源等。 各模块的动力与物料传递通过地下管沟的管网及地面电缆拖链实现。地面管沟的各 组管线接口间距为1 2 m ，即3 口井距离。 2 3 总体技术参数n 7 2 1 1 ( 1 ) 环境载荷与环境条件： ( a ) 风速( 海平面1 0 m 处) ：正常作业2 5 8 州s ；风暴自存5 1 5 州s ( b ) 地震加速度：竖向o 2 9 ；水平0 1 8 5 9 ( c ) 大气环境温度：2 0 4 5 ( d ) 最大相对湿度：9 0 ( 2 0 ) ( 2 ) 钻机名义钻深( 巾1 1 4 i m 钻杆) 7 0 0 0 m ( 3 ) 钻机装机总功率4 1 3 1 0 k w ( 主发) + 4 0 0 ( 辅发) ( 4 ) 绞车额定输入功率1 4 7 0 k w ( 5 ) 绞车结构 ( a ) 变频电驱动钻机 ( b ) 直流电驱动钻机 ( 6 ) 转盘驱动装置 转盘开口名义直径 转盘传动 ( 7 ) 顶驱配置 ( 8 ) 井架 结构型式 井架有效高度 最大钩载 ( 9 ) 主模块平台结构底座 钻台面总高度 双电机，齿轮传动单滚筒 双电机，4 档绞车 巾9 5 2 5 m m 单电机，二档链条箱 d q 7 0 b s d 加强型 直立套装型 4 8 m 5 8 5 0 心 】35 m 第二章7 0 0 0 m 环形移动模块钻机方案及特点 上层结构高度( 横向移动) 下层结构高度( 环向移动) 横向移动距离 平台环向移动 ( 1 0 ) 电传系统 3 m 1 0 5 m 2 5 m 可连续转弯移动 ( a ) 交流变频驱动电传系统 电传动方式a c d c a c f d ) ，一对一控制 输入电压6 0 0 v ( a c ) 输出电压、频率 0 6 0 0 v ，o 1 4 0 h z ( 可调) m c c 系统 0 v 4 0 0 v ( 3 相) 2 3 0 v ( 单相) ，5 0 h z ( b ) 直流驱动电传系统 电传动方式a c s c r d c ，一对二控制 输入电压6 0 0 v ( a c ) 输出电压 0 7 5 0 v ( d c ) ，可调 输出电流1 9 0 0 a ( d c ) ，连续 m c c 系统 6 0 0 v 4 0 0 v ( 3 相) 2 3 0 v ( 单相) ，5 0 h z ( 1 1 ) 泥浆系统 循环模块固控系统有效容积 3 3 5 m 3 地面模块泥浆储备中心有效容积 8 0 0 m 3 ( 1 2 ) 循环模块： 下层泵舱的净空高度3 8 m 循环罐罐面总高度 8 4 m 固控系统最大处理量2 4 0 m 3 h 钻井液配制能力4 8 0 m 3 h 钻井泵配置1 6 0 0 h p 泵，3 台 ( 1 3 ) 高压泥浆管汇由1 0 2 m m ( 通径) 5 2 m p a ( 1 4 ) 节流压井管汇 巾8 0m m ( 通径) 7 0 m p a ( 1 5 ) 水泥固井管汇 巾7 6 2n u n ( 通径) 7 0 m p a ( 1 6 ) 轨道转弯移动装置 主模块移动总质量 1 2 0 0 t 西安石油大学硕士学位论文 循环模块移动总质量 环形轨道最小转弯半径 模块在直线段轨道移动步长 2 4 钻机主要部件 1 9 0 0 t 9 6 m 5 0 0 m m 2 4 1h j j 5 8 5 4 8 一z 直立安装套装型海洋井架 技术参数： 最大钩载( 无风载、无立根) 5 8 5 0 k n 井架有效高度 4 8 m 顶部开裆( 正面侧面)2 6 5 i 吡5 m 底部开裆( 正面侧面) 9 1 4 4 州9 1 1 4 m 二层台安装高度 2 6 5m 二层台立根容量： 51 2 钻杆，2 8 m 立根5 8 0 0 m 91 2 ”钻铤，2 8 m 立根8 柱 1 1 钻铤，2 8 m 立根1 柱 井架抗风能力( 海平面1 0 m 处风速) ： 最大工作风速( 最大钩载，满立根)2 5 8 耐s 风暴自存允许风速( 无钩载，满立根) 5 1 5 州s 模块滑移允许风速( 满立根) 2 0 5 耐s 特点： 井架主体由六段组成，分别为上段、中上段、中段、中下段、下段和基段。段与段 之间采用销轴连接，在基段上设置有井架安装平台。井架基段在地面单独拼装后，整体 吊装到平台上进行安装。其余各段( 包括天车) 在地面平卧拼装后，从上至下依次整体 吊装到钻台上的起升轨道上，通过井架的直立起升装置提升，并进行连接安装n 3 | 。 井架基段的后立柱上设有四组导向轮，实现井架各段的提升导向。井架基段与下段 之间采用u 形闩板连接固定。 2 4 2d z