9000m海洋钻井模块方案分析

年第 卷 第 期第 页 石油矿场机械 犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜 文章编号 犿 海洋钻井模块方案分析 狄丽莉 张 鹏 韩 冰 高永杰 祝国彬 渤海装备辽河重工有限公司 辽宁盘锦 辽宁天意实业股份有限公司 辽宁盘锦 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司 兰州 摘要 自升式钻井平台配备了 海洋钻井模块 介绍了该钻井模块的总体设 计方案 为了达到功率大 尺寸小 质量轻的要求 型绞车采用单轴单级齿轮传动方案 针对作业工况和载荷 采用 软件分析了钻台的应力分布 采用高强度板材 实现结构质量 控制目标 通过试验得到了 高强度板材焊接的工艺程序 采用 软件分析了井架的受 力和位移 达到强度和稳定性要求 并提出了井架的吊装方法 关键词 钻井平台 钻井模块 绞车 钻台 井架 中图分类号 文献标识码 犱狅犻 犃狀犪犾狔狊犲狊狅狀犇犲狊犻犵狀狅犳 犿犕犪狉犻狀犲犇狉犻犾犾犻狀犵犚犻犵 犆犺犻狀犪犘犲狋狉狅犾犲狌犿犔犻犪狅犺犲犈狇狌犻狆犿犲狀狋犆狅犿狆犪狀狔 犘犪狀犼犻狀 犆犺犻狀犪 犔犻犪狅狀犻狀犵犜犻犪狀狔犻犐狀犱狌狊狋狉狔犆狅 犔狋犱 犘犪狀犼犻狀 犆犺犻狀犪 犔犪狀狆犲犮犜犲犮犺狀狅犾狅犵犻犲狊犔犻犿犻狋犲犱 犔犪狀狕犺狅狌 犆犺犻狀犪 犃犫狊狋狉犪犮狋 犓犲狔狑狅狉犱狊 世纪 年代以来 世界海上石油勘探与开 发占石油开发总量的比重越来越大 这为海洋油气 工程设备的发展提供了机遇 世界海洋石油装备的 主要生产国在亚洲的新加坡 日本和韩国 而海洋工 程设备的技术开发主要集中在美国 瑞典 荷兰和挪 威等国家 亚洲国家生产海工产品的技术及图纸大 部分来源于这些国家 在国内 海洋石油工程处于发展阶段 就平台 的建造来讲 由于我国海上油气技术装备的发展起 步较晚 在装备 规模 技术水平和项目管理水平上 仍存在着较大的差距 很多关键的 主要的设备和部 件依赖进口 另外 很多造船企业对钻机的结构和 钻井工艺流程不熟悉 钻井模块的配置主要依靠国 外 这严重制约了我国海洋装备的发展 海洋钻井模块用于配套我国第 艘独 立设计 建造的具有自主知识产权的 海洋 钻井平台 该钻井模块配置 型钻机 适用于水深 钻井深度 的 海上石油钻探作业 能够满足钻井 固井和辅助试油 等作业工况的要求 本文介绍了该海洋钻井模块的 收稿日期 作者简介 狄丽莉 女 辽宁盘锦人 硕士 现从事石油钻采装备的设计工作 总体设计方案和核心部件设计及其创新技术 总体方案 海洋钻机模块是由提升系统 旋转系 统 动力系统 控制系统 泥浆系统 井控系统 钻台 底座 辅助系统及相应的设备组成 如图 钻台平面布置 钻机立面布置 图 海洋钻井模块总体布置方案 平台主要技术参数 最大作业水深 最大钻井深度 英寸钻杆 悬臂梁最大纵向外伸 钻台左右横向移动 钻井作业工况可变载荷 含大钩载荷 环境条件 设计大气温度 材料选择按 最大相对湿度 时 正常作业设计风速 风暴自存设计风速 传动方案 该 海洋钻机系统采用交流变频电机驱 动 绞车 转盘 泥浆泵的传动方案如图 电传动 系统配置 采用 台 型柴油发电机组作 为主动力 发出 交流电 通过 房 采用 台变频器一对一驱动 台交流变频电 动机 台泥浆泵各用 台 交流变频电动 机 台绞车用 台 交流变频电动机 台 转盘用 台 交流变频电动机 套自动送钻 系统用 台 交流变频电动机 拖动性能满 足泥浆泵 绞车 转盘及自动送钻的技术要求 电传 系统采用一对一控制方式 传动 绞车传动示意 转盘传动示意 石油矿场机械 年 月 泥浆泵传动示意 图 钻井模块传动原理 钻台 根据设备配置 采用 软件建立有限元 模型 对钻台在几种工况下的应力分布进行分析 如 图 工况条件 满立根最大钩载 满立根最大转盘载荷和 底座移动 种工况 基本载荷和组合载荷 种工况 远洋拖航工况 载荷组合及工况编号如表 表 满立根最大钩载工况载荷组合 单个载荷 描述 满立根 最大转盘载荷工 况组合的载荷百分比 工况 模型结构自重 设备重 满钩载满立根工况下井架传递给 底座的力 风速 底座满立根载荷 底座风载荷 风速 底座风载荷 风速 表 满立根最大转盘载荷工况载荷组合 单个载荷 描述 满立根 最大转盘载荷工况 组合的载荷百分比 工况 工况 工况 工况 模型结构自重力 设备重力 满立根工况下井架传 递给底座的力 风速 表 续 单个载荷 描述 满立根 最大转盘载荷工况 组合的载荷百分比 工况 工况 工况 工况 满立根工况下井架传 递给底座的力 风速 满立根工况下井架传 递给底座的力 风速 满立根工况下井架传 递给底座的力 风速 底座满立根载荷 底座满转盘载荷 底座风载荷 风速 底座风载荷 风速 底座风载荷 风速 注 表 中风向的约定 风是从 狓 轴负向吹向 狓 轴正 向 风是从 狔 轴负向吹向 狔 轴正向 以此类推 通过计算分析可见 与井架连接的 个主腿 如 图 和转盘梁处应力较大 如图 其结果如图 钻台结构载荷分布 钻台结构有限元模型 第 卷 第 期 狄丽莉 等 海洋钻井模块方案分析 单元组 条主腿在模型中的位置 单元组转盘梁在模型中的位置 单元组主腿 在工况 如表 时的应力分布 单元组主腿 在工况 如表 时的应力分布 单元组主腿 在工况 如表 时的应力分布 单元组主腿 在工况 如表 时的应力分布 单元组转盘梁在工况 如表 中的应力分布 图 钻台结构的有限元分析结果 为解决 个主腿和转盘梁应力大的问题 同时 控制钻台质量 采用了 高强度板材 高 强度船板是首次应用到底座结构中 所以需要进行 相关的焊接工艺评定 通过多次试验 确定了 高强度板材焊接的工艺程序 并编制了焊接工艺和 规程 焊前预热 层间温度 焊接电流 焊接电压 焊接速度 焊后热处理 保温 冷却速度 至环境温度 该焊接评定规程能够指导操作人员正确高效的 作业 能够保证产品的一次合格率达到 符合 材料与焊接规范的要求 绞车 创新性的结构 通过分析现有国内 海洋钻机配套的绞 车 发现其在功率和结构尺寸上存在矛盾 即功率 大 则结构尺寸大 过多占用钻台空间 运输搬迁困 难 结构尺寸小 则功率小 钻井效率低 为解决这一矛盾 设计人员借助先进的 等 石油矿场机械 年 月 设计软件 创新性的设计了 型单轴单级齿 轮传动绞车 其传动原理如图 该绞车额定输入 功率达到 绞车外形尺寸 质量仅有 交流变频电机 齿轮箱 传动轴 传动轴 液压盘式刹车 滚筒 图 绞车传动原理 型绞车采用 台 大功率交流 变频电机 通过 根球笼等速万向联轴器和 个小 齿轮来驱动滚筒轴上 个大齿轮 使得滚筒得到足 够的功率和转矩 在 台主电机的 侧各连接 套 小电机自动送钻装置 在滚筒两侧各有一套高可靠 性的盘式刹车装置 刹车盘采用水冷却 两副齿轮 单元采用两套独立的强制润滑系统 均采用双泵结 构 自动送钻装置和齿轮单元均通过气缸 花键离 合器机构 通过离合器压力表输出信号 使得离合更 加安全可靠 配备液压盘式刹车 同时具备常开式 工作钳和常闭式安全钳的复合式装置 形成安全互 锁并互为备份 具有工作制动 紧急制动 驻车制 动 过卷保护等多重保护的功能 刹车盘采用风冷 方式 型绞车的传动效率达到了 以上 质量仅为同类型绞车的 且外型尺寸较小可以 独立作为一个运输单元 满足国内铁路 公路的要 求 型绞车的设计已获批国家发明专利 先进的自动换挡系统 传统的换挡装置是通过手动换挡杆在限位板上 移动 来实现拨叉杆的转动带动拨叉的移动来进行 换挡的 这样的手动换挡方式需有人员操作 劳动 强度大 操作稍有不熟练 就会出现碰齿 打齿等现 象 针对这一问题 设计了智能气控换挡系统 可由 司钻台远程控制齿式离合器进行换挡 井架 结构及有限元分析 井架的结构除了要承受钻井作业时的最大钩载 外 还要安装天车 顶驱反转矩梁 二层台 大钳平衡 重 立管台和梯子等 以及安装照明线路 气路 电视 监视线路 电子防碰等电气设备 同时 井架抗风能 力要满足以下要求 正常作业 等候天气 无钩载 满 立根 设计风速 风暴自存 保全设备 无钩 载 无立根 设计风速 海洋钻井模块使用 型井 架 该井架有效高度 立根容量 英寸钻杆 立根 最大钩载 轮系 该井架为瓶颈式 栓装封闭式钢结构 与陆地销 轴式连接方式相比 安装的自由度降低 设计的结构 除满足使用工况外 还要满足安装的方便性和可 行性 针对以上设计要求 井架主体设计成 段 采用 软件分析 通过建立 个节点 个杆单 元 个板单元 基本载荷工况 种 合成载荷工 况 种 对井架的作业工况 预期风速工况和不可 预期风速工况进行模拟 计算结果如图 最大 犝犆 比 杆件最大应力与其许用应力的比值 均 符合 规范的要求 井架框架有限元模型 井架位移趋势 第 卷 第 期 狄丽莉 等 海洋钻井模块方案分析 杆件校核结果 图 井架的有限元分析结果 安装方案 设计及制造精度控制 在设计过程中 通过 三维建模 确保连 接板件及杆件的设计位置准确无误 在生产过程中 采用先进的焊接工艺 确保 井架四条大腿 立柱 各自的直线度公差在每米长度 上不超过 井架下直段不超过 井架 上斜段不超过 井架各横截面应为正方形 对角线长度差应不超过 在车间衍装过程中 采用工艺销配焊定位 技术 确保主体结构连接的准确性 在安装过程中 通过调整机构调整 安装完 毕后 过天车中心且与钻台面垂直的中垂线通过钻 台面井口中心 公差不超过 分段吊装方案 在井架设计过程中 充分考虑吊装的需要 所有 附属结构根据井架分段进行了合理分配 划分了 个吊装单元 如图 保证了附属结构的低位安 装 实现了井架主体及其附属结构一次性安装成功 图 井架第 段吊装示意 图 井架第 端吊装示意 图 井架第 段吊装示意 结论 海洋 钻井模块技术先进 配备科 学 稳定性好 型单轴单级齿轮传动绞车的功率 大 结构尺寸小 传动效率高 已获得国家发明专利 通过 软件分析 井架结构满足现场 工况要求 通过 三维建模及工艺配合 实现井 架主体及其附属结构一次性安装成功 参考文献 赵洪山 刘新华 白立业 深水海洋石油钻井装备发展 现状 石油矿场机械 张用德 袁学强 我国海洋钻井平台发展现状与趋势 石油矿场机械 李广军 李成凯 庄立 浅 滩 海钻井平台的发展 渤海湾油气勘探开发工程技术论文集 第十三 集 石油矿场机械 年 月 年第 卷 第 期第 页 石油矿场机械 犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜 文章编号 套装式井架在 犜犔犘 平台的动态适应性分析 杨向前 杨 鹏 郑清华 贾俊梁 中海油研究总院 北京 宝鸡石油机械有限责任公司 陕西宝鸡 摘要 海洋钻井平台的升沉运动和摇摆运动会对井架产生动态载荷 影响井架的安全性能 为了保证钻井作业的安全 以流花油田为例 在作业工况 风速为 种风暴工况 风速分别 是 条件下 采用 软件分析了 套装井架的强度和稳定性能 分析结果表明 当考虑 平台附加的动载荷时 按照 规定的校核公式对井架各单 元进行校核 强度和稳定性的综合校核值已接近校核系数的极限值 存在安全隐患 因此 对于 平台上的钻井套装井架 在结构件选型设计时必须对局部结构进行加强 并进行严格的安全 评估 关键词 井架 动态载荷 分析 中图分类号 文献标识码 犱狅犻 犇狔狀犪犿犻犮犃犱犪狆狋犪犫犻犾犻狋狔犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犞犲狉狋犻犮犪犾犃狊狊犲犿犫犾狔犇犲狉狉犻犮犽狅狀犜犔犘 犆犖犗犗犆犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌狋犲 犅犲犻犼犻狀犵 犆犺犻狀犪 犅犪狅犼犻犗犻犾犳犻犲犾犱犕犪犮犺犻狀犲狉狔犆狅 犔狋犱 犅犪狅犼犻 犆犺犻狀犪 犃犫狊狋狉犪犮狋 犓犲狔狑狅狉犱狊 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 刘洪峰 钻井平台结构三维参数化建模方法研究 大连 大连理工大学 张晓军 戴克文 徐鹏 海洋平台 钻井模块绞 车的研制 石油矿场机械 戴相富 石油系列绞车模块化设计与仿真研究 北 京 中国石油大学 李晓颖 论海洋平台钢结构的加工设计 科技创新 与应用 董庆辉 海洋钻井系统泥浆研究 年度海洋 工程学术论文集 下册 收稿日期 作者简介 杨向前 男 陕西户县人 硕士研究生 主要从事海洋石油钻机及修井机的技术发展规划 方案论证 新 技术研究