海洋钻机井架技术现状及发展趋势

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石 油 机 械
2009年 第 37卷 第 8期
进行焊口加工 , 以保证焊接质量 。三是引进大型加 工机床 , 如数控车床 、 数控铣床以及数控镗床等 , 保证井架的加工精度 。四是建造大型井架钢结构生 产车间 。如南阳二机石 油装备 (集团 )有限公司 引进的数控 镗铣加工中心 ACC180 -420, 能完成 对 12 m×3 m大型井架单片的一次端面铣削 、 镗 孔 , 保证井架单片间接触的面积 , 保证连接孔的精 度 。但目前井架的整体制作精细度和生产规模与国 外专业的石油井架制造商相比仍有较大差距 。 2.2 海洋钻机井架涂装技术
按照海洋钻井装 置的分类 [ 2] , 海洋钻机 井架 应适应 如 下 8 种平 台 的作 业要 求 :①钻 井驳 船 (DrillBarge);②钻井船 (Drillship);③内陆驳船 (InlandBarge);④自升式钻井平台 (Jackup);⑤ 平台 钻 机 (Platform rig);⑥ 半 潜 式 钻 井 平 台 (Semi-submersible); ⑦坐底 式 钻井 平台 (Submersible);⑧钻井 模块 (Tender)。 从上述 平台分 类来看 , 按照是否需要进行升沉补偿 , 海洋钻机井 架可以分为 2种类型 :一种是带升沉补偿装置的井 架 , 适合半潜式钻井平台 、 钻井船等浮式钻井作业 平台 ;另一种是不带升沉补偿装置的井架 , 适合平 台钻机 、 坐底式钻井平台 、 自升式钻井平台等固定 式钻井作业平台 。 目前 , 国内尚无厂家制造带升沉 补偿装置的井架 。 按照井架常规分类方法 , 即按照 井架自身结构来分 , 中 、 小载荷海洋钻机井架主要 采用双节套装伸缩式 K形井架 (图 1a)。而对于大 载荷海洋钻机 , 目前国内井架主要有普通塔形井架 (图 1b)、 瓶式塔形井架 (图 1c)、 整体起放式 K 形井架 (图 1d)及各种自升式 K形井架 (图 1e)。 国外海洋钻机 井架品种丰富 , 规格齐全 , 适应性 强 , 除上述井架外 , 还有折叠式井架 、 双联井架 、 用液压缸起放钻具的特种井架等 。双联井架用在深 水平台钻机上 , 结合 2套提升系统 、 旋转系统以及 钻井液循环系统 , 可实现主 、 辅双井口作业方式 , 将一些准备工作与正常钻井同步进行 , 能大大提高
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石 油 机 械 CHINAPETROLEUM MACHINERY
2009年 第 37卷 第 8期
海洋钻机井架技术现状及发展趋势
张 勇
(南阳二机石油 装备 (集团 )有限公司 )
摘要 为推动海洋钻井技术向深水和超深水方向发展 , 进一步探索大型海洋钻机井架设计与 制造技术 , 详细分析了目前海洋钻机井架的结构 、 制造技术和防腐技术 , 以及新形势下海洋勘探 开发对海洋钻机配套设备的要求 , 提出了未来海洋钻机井架结构发展趋势 :一是发展自升式 K形 特种井架 ;二是发展瓶式塔形海洋井架 ;三是发展带有钻柱运动补偿结构的井架 ;四是完善井架 配套结构 , 提高井架适应性 。 最后建议发展海洋钻机井架新材料与新工艺 。
等浅水区域作业 。目 前国内尚无深 水浮式钻井平
台 , 由中海油出资建造的我国首座按照目前全球最
先进的第 6 代深水半潜式钻井平台 源自文库计的钻井平
台 , 采用 DP-3动力定位 , 配备双井架 ;最大作 业水深达到 3 050 m, 最大钻井深度为 12 000 m,
计划于 2010年年底交付 。 表 1列出了目前国内生
井架作为海洋钻机的关键设备 , 其生产制造需 经获得用户认可的第三方检验 , 如 :DNV、 ABS或 CCS等权威机构 。 海洋井架直接承受钻井作业载荷 和海洋环境载 荷 , 设计与建 造应符合 APISpec4F 的规定 。此外 , 还应考虑 下述因素 (适应时 )[ 1] : ①可能的冰雪堆积载荷及相应增加的风载荷 ;②疲 劳估算 ;③泄漏评估 ;④诸如管子操作设备 、 垂荡 补偿器等主要设备安装处的井架结构应具有足够的 强度和刚度 ;⑤紧固件的预应力 。井架的结构形式 与安装方法在很多情况下决定了钻机的结构形式 , 同时井架的设计与制造技术也在很大程度上体现了 钻机的技术水平 。可以说 , 具有安装运输与作业方 便 、 可靠 、 经济 、 适应性强的新型井架的发展可以 推动钻机结构和钻井技术的迅速发展 。因此 , 为适 应新形势下的海洋钻 井需要 , 研究 和开发出多规 格 、 多品种 、 高强度 、 新型海洋钻机井架 , 就显得 尤为重要 。
瓶式塔形井架
DiscovererClearLeader 双联井架
井架最大静 载荷 /kN 5 560 8 900 8 900 11 120 5 900 7 380 8 900 22 240
最大钻井 深度 /m 7 620 9 144 10 668 12 192 6 096 9 144 10 668 12 192
平台最大作 业水深 /m
平台 类型
10
座底式
40
自升式
117
固定式
23
固定式
122
自升式
3 050 第 6代半潜式
11
固定式
117
固定式
16
固定式
24
固定式
钻机或井 架生产商 宝石机械 宝石机械 宝石机械 宝石机械 兰石国民
中海油 南阳二机 南阳二机 南阳二机 江汉四机
交付日期
2007年 2007年 2004年 2008年 2006年 2010年 1999年 2001年 2003年 2004年
井架在海上油气田承受酸碱 、 潮湿 、 酸雾 、 高 低温 、 冰雪等作用 , 腐蚀较快 , 需要做特别的防腐 设计 。 我国对海上固定式钢质石油生产平台的腐蚀 控制制定了 相应 标准 , 即 SY/T10008— 2000。 南 阳二机石油装备 (集团 )有限公司针对设备在海 洋平台使用的特殊性 , 从兼顾防腐的结构设计 、 防 腐工序安排原则 、 常用防腐方法分类 、 防腐方案推 荐 、 涂料采购和入库验收及性能试验 、 涂漆颜色等 方 面 入 手 , 制 定 了 相 应 企 业 标 准 , 即 Q/RG J204.15— 2007 《海洋平台石油钻采设备防腐涂装 通用技术条件 》。 通常的做法是对海洋井架本体采 用表面底层喷铝 +表面复合涂层的防腐系统 , 喷铝 层不小于 150 μm, 封闭 层不小于 130 μm。 对销 轴 、 螺栓等连接件进行镀锌处理 。但目前国内井架 的长效防腐质量或外观质量仍比不上发达国家的涂 装防腐水平 。
表 2 国外生产的海洋钻 机及其井架结构形式 (部分 )
钻机
井架形式
NobleJoeAlford
K形井架
DeepwaterHorizon 瓶式塔形井架
BobPalmer
瓶式塔形井架
TarzanClass
瓶式塔形井架
FrontierDiscover
普通塔形井架
PrideAngola
瓶式塔形井架
GSFCRLuigs
产的主要海洋平台钻机或钻修机及其井架采用的结
构形式 。表 2列出了目前国外生产的部分海洋平台
图 1 各种结构形式的井架
表 1 国内生产的海洋钻机 (或钻修机 )及其井架结构形式
钻机型号
平台名称
井架形式
ZJ70DB
CPOE3
普通塔形
ZJ70DB
CPOE5
瓶式塔形
ZJ70D
HZ19 -3/2
瓶式塔形
ZJ50DB
3 我国海洋钻机井架结构发展趋势
我国海洋钻机井架结构发展趋势如下 : (1)发展自升式 K形特种井架 , 即分片制作 、 分段组装 、 分段套装 、 垂直连接技术井架 [ 4 -5] 。这
种井架由几个井架分段依次连接而成 , 包括位于顶 部的上段 、 位于底部的下段 、 位于中部的若干中段 单元以 及井架常规必 备的设施 , 如 天车 、 二层台 等 。井架在井场安装时 , 先将井架的上段套装在下 段内 , 然后通过下段的前开口处 , 将一中段单元竖 立置于下段内部中心部位 , 利用机械或液压起升方 式将中 段单元升起 , 与上段进行连 接 。 连接完成 后 , 脱开承载机构 , 进行中段和上段提升, 到位 后 , 操纵承载机构工作 , 实现对上段和中段支撑 , 完成第 1节中段单元连接 。 按同样的方法可进行其 他中段单元的连接 。 这种井架具有安装空间小 、 作 业高度可预先调整 、 不需要大型吊机 、 能实现结构 模块化 、 拆装快速化 、 海运方便等特点 。
BZ19 -4
多节套装
———
COSL941
瓶式塔形
———
———
双井架
HXJ225A
QK17 -2
双节伸缩式
HXJ160 WC13 -1/13 -2 双节伸缩式
HZJ30
CB-A
双节伸缩式
HXJ180DB CFD11 -1/11 -2 双节伸缩式
最大钻井 深度 /m
7 000 7 000 7 000 5 000 9 000 12 000 4 000 3 000 3 000 3 000
Rowan LetourneauInc. FrontierDrilling PrideInternational GlobalSantaFe TransoceanInc.
目前 , 国内海洋钻机井架仍存在品种较少 、 规 格不齐 、 适应性不强的问题 , 尤其是深水钻机井架 和超深水钻机井架仍处于概念设计阶段 。
2 海洋钻机井架制造技术现状
2.1 海洋钻机井架焊接与加工技术 井架的制造质量与井架的可靠性密切相关 。制
造工艺能否反映设计意图 , 需要先进的制造工艺与 设备来保证 。 目前的做法一是制作大型焊接工作平 台 , 按井架图纸进行 1∶1 放样 , 制定严格的 PQR 及 WPS文件 , 对结构进行尺寸 、 质量及形位公差 控制 , 对关键工序制作专用工装并进行检测跟踪 。 二是增加下料辅助设备 , 如光电下料设备 、 数控等 离子火焰两用切割机 、 仿形切割机 、 倒角机 、 管子 加工车床 , 对井架板材进行下料 、 倒坡口 , 对管材
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张 勇 :海洋钻机井架技术现状及发展趋势
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钻井效率 [ 3] 。 液压缸起放钻具的特种井 架 (竖直 钻机及其井架采用的结构形式 。
钢框架结构 , 无天车和游车系统 )将升降液缸与
运动补偿的油气罐相联, 即可实现钻柱的运动
补偿 。
目前我国海洋钻机基本在人工岛 、 滩海 、 近海
最大作业 水深 /m
21 3 048
167 76 610 3 048 2 743 3 657
平台类型 / 交付期
座底式 /1982年 半潜式 /2001年 自升式 /2003年 自升式 /2004年 钻井船 /1976年 钻井船 /2000年 钻井船 /2000年 钻井船 /2009年
所属公司
NobleDrilling TransoceanInc.
(2)发展瓶式塔形海洋井架 [ 6] 。 这种井架采用 塔形结构 , 二层台以下井架立柱采用直立柱结构 , 二层台立根以上位置开始收口设计 , 井架所有杆件 形心相交 。因而井架稳定性好 、 抗风抗震能力强 、 井口活动范围大 、 立根容量足 、 二层台操作方便 。
(3)发展带有钻柱运动补 偿结构的井架 。 钻 柱运动补偿器按其安装的位置不同可分为天车型运 动补偿器 、 游车型运动补偿器 、 液缸升降钻机的运 动补偿器 、 绞车 型运动补 偿器等 [ 7] 。 对于深 海钻 机井架而言 , 为克服波浪对钻机的影响 , 发展具有 自动升沉补偿装置的新型井架具有重要意义 。例如 设计带有天车补偿装置的井架 、 游车补偿装置的井 架 。 当采用天车补偿时 , 需在天车底座上设计天车 上下运动导轨架 , 配套安全液压缸与工作气缸 。 当 采用游车进行升沉补偿时 , 一般的做法是在井架两 侧安装游车运动导轨及液压缸 。 在设计开发自动升 沉补 偿 装 置时 , 可 以借 鉴 深 海采 矿 升 沉补 偿 技 术[ 8 -9] 。 此外 , 双联井架以及类似 RAM公司用大 型液压缸来升降钻具或进行升沉补偿的特殊井架结 构也是浮式钻井井架的主要发展方向之一 。
关键词 海洋钻机 井架 深水 现状 发展趋势
0 引 言
1 海洋钻机井架现有结构
目前 , 国内石油陆地钻机已从 1 000 m井深发 展到 12 000 m井深 , 并出现了许多特殊类型钻机 , 如直升机吊装钻机 、 超级单根钻机 、 极地钻机 、 轨 道钻机 、 快移快装钻机等 。 根据当前和 21世纪前 期海洋石油钻井向深水、 超深水、 深井 、 大斜度 井 、 大水平位移井 、 孔底多支井 、 控制自动化 、 低 成本 、 高效率等方向发展的趋势 , 国内海洋石油钻 机将会得到更大发展 。