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摘 要：本文为推进深水钻井装备研发与技术进步，分析了现有深水钻井井架应用环境、结构形式及各自特点，提出了深水钻井井架选型原则以及设计计算的注意事项，对深水钻井井架的方案设计与结构计算具有指导意义。
关键词：深水钻井平台 一个半井架 双井架 选型 计算
中图分类号：TE923 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0067-02
海洋蕴藏了丰富的油气资源，海上油气开发，尤其是深水油气开发受到各海洋大国的重视。目前，中国对国外能源的依存度已超过60%，油气开发从内陆走向深水成为必然。海洋工程装备产业是当前国家重点培育和发展的战略性新兴产业。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006—2020年）把大型海洋工程技术与装备列入制造业重点领域和优先主题之一。
虽然，目前由于受到全球经济低迷等多种因素影响，油气价格相对10年前大幅降低，整个油气勘探、开发及装备制造行业均受到严重影响，投资与生产均处于历史低位，但是对于深水勘探和开发新技术，及其装备制造新技术的研发从未停止。相反，深水装备技术研发更加贴近工程实践，或者更加可靠、智能，或者更加实用、经济。
在深水裝备领域，在“十三五”期间，既有“十二五”项目的延续，也有许多新的立项。井架作为深水钻井装备的重要部件，持续受到各生产厂商和科研院所的关注。
1 深水钻井井架分类及选型
深水钻井平台目前主要形式有半潜式平台和钻井船。配套的井架按结构形式，主要有塔形井架、液压缸钻机A形井 架等结构，见图1～图4。按功能分类，又分为单井架、双井架和一个半井架。
双井架适合于单/双井口作业，采用双钻井系统[1-2]，一套系统用于正常钻井，另一套系统用于隔水管及水下防喷器作业，两套系统交替使用，具有协同和并行作业的特点，可以简化钻井路线，提高钻井效率。双井架最早由Transocean公司申请了专利（专利号：US6068069），其专利有效地区包括美国、澳大利亚、新西兰、日本、韩国、新加坡和挪威[1]，国外双绞车、双井架系统专利还包括US6217258B1等。国内厂家在双井架研究方面做了一些有益的探索[3-4]，例如：宝鸡石油机械有限责任公司申报了一种双作业塔形井架实用新型专利（专利号：CN200820029813.3），中国石油天然气集团公司等申报了一种陆地双联钻机井架（专利号：CN201120120060.9）。
一个半井架与常规单井架相似，只有一套钻井系统、一个作业井口，通常配备有隔水管移运机、防喷器移运及吊装机（在月池，可利用此设备离线下放套管作业），井架内部配备两套或两套以上管柱处理系统，其中一套管柱处理系统用于离线作业（例如井架内部配置一套单根提升机、二层台及井口机械手，配合井场折臂机、猫道输送机等，在正常钻进时，在钻台进行另一单根准备工作），降低钻井过程中对接或拆卸管柱用辅助时间，其钻井效率低于双井架，但高于单井架。与双井架相比，一个半井架配置相对较少，重量较轻，运营及维护成本也相对较低。一个半井架结构见图5[5]。
双井架和一个半井架都成为深水浮式钻井平台的主流配置。塔形双井架由于其宽阔的井口空间、较强的整体稳定性，在深水钻井平台上配置相对较多。
当深水钻井平台日租费用相对较低时，或者深水钻井平台有效工作时间相对较少，采用一个半井架或一个半井架的改进型，成本与收益会更合理，更加具有竞争性。
2 深水钻井井架设计及计算
2.1 深水钻井井架特点
（1）除了具备常规井架安放天车、安装高压泥浆管汇、悬挂游动系统、提升钻柱等功能外，还需要充分考虑隔水管提升和下放作业、防喷器作业等。
（2）由于钻井井架处在深水作业环境，通常作业水深400～3000m，需要承受飓风的直接作用，以及飓风、巨浪、海流引起平台运动而带来的动态载荷。
（3）由于新型深水钻井井架通常采用四立根作业，配套升沉补偿装置、较多的自动化作业工具，因而井架高度高、横截面尺寸大，以海洋石油981为例，横截面尺寸约15.85m×14 m，高约64m，总重量约980t。
（4）深水钻井井架远离海岸，在维护保养方面，需具有较强的自适应能力或较大的冗余。
2.2 深水钻井井架设计计算注意事项
深水钻井井架的设计计算与陆上或浅海钻井井架不同，需要充分考虑隔水管和水下防喷器的下放与回收，考虑复杂和恶劣的海上作业工况。由于深水作业设备失效带来的风险更大，因而在井架设计与计算时，需要充分考虑以下因素[6-10]。
（1）在方案设计时，充分考虑作业的海况和作业的钻井深度，综合分析其可能遭遇的种种静载荷、刹车载荷，以及钻井平台升沉运动所引起的动态载荷来确定井架最大钩载。
（2）根据井架配套的平台或钻井船型、预期的作业海域、钻井工作量，以及设备投资收益分析，确定井架的主要结构形式。并且，井架结构形状的选择及杆件布置要有利于减小风阻，有利于主载荷路径上力的传递。
（3）在设计井架主体结构的同时，充分考虑井架各种附属设备及钻台设备与工具的布置，预留安装位置及支承结构，最大限度提高井架及井口作业效率。
（4）在井架方案确定之后，基本设计阶段按照规范的要求及使用要求进行全工況计算。
（5）井架详细设计完成后，对关键连接、重要焊缝等细节部位均进行校核计算。
（6）根据计算结果进行安全性评估。
（7）必要时，对结构进行改进或优化设计。
3 结语
我国深水钻井装备的研制目前还处于起步阶段，大型深水钻井井架的完全自主研制与应用仍是空白。在进行深水钻井井架的自主开发时，需进行仔细论证，敢于创新、敢于实践。设计阶段应打破先设计、后校核的传统习惯，应采用先进的设计计算及试验验证手段，确保深水钻井井架安全可靠、适用科学，进而实现深水钻井井架的国产化。
参考文献
[1] 杨轶普，肖文生，王凌寒.深水半潜式钻井平台井架经济性分析[J].中国海洋平台，2008，23（6）：46-50.
[2] 孙宝江，曹式敬，李昊，等.深水钻井技术装备现状及发展趋势[J].石油钻探技术，2011，39（2）：8-13.
[3] 张勇.海洋钻机井架技术现状及发展趋势[J].石油机械，2009，37（8）：92-95.
[4] 宝鸡石油机械有限责任公司.双作业塔形井架：中国，CN200820029813.3[P].2009-07-01.
[5] 林瑶生，晏绍枝，李浪清，等.“海洋石油981”深水钻井平台钻井系统的优化设计[J].中国造船，2013，54（a01）：29-35.
[6] 许亮斌，蒋世全，谢彬，等.深水钻井平台钻机大钩载荷计算方法[J].中国海上油气，2009，21（5）：338-342.
[7] API Spec 4F.Specification for Drilling and Well Servicing Structures[S].2013.
[8] 任化斌，何军国.水井钻机井架及其焊接接头设计计算和验证[J].机械设计与研究，2017，33（2）：101-103.
[9] 任化斌，何军国，周莉莉.石油钻井和修井井架设计的安全性评估[J].河南科技，2017（3）：57-59.
[10] 尚晓江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2005.
关键词：深水钻井平台 一个半井架 双井架 选型 计算
中图分类号：TE923 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0067-02
海洋蕴藏了丰富的油气资源，海上油气开发，尤其是深水油气开发受到各海洋大国的重视。目前，中国对国外能源的依存度已超过60%，油气开发从内陆走向深水成为必然。海洋工程装备产业是当前国家重点培育和发展的战略性新兴产业。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006—2020年）把大型海洋工程技术与装备列入制造业重点领域和优先主题之一。
虽然，目前由于受到全球经济低迷等多种因素影响，油气价格相对10年前大幅降低，整个油气勘探、开发及装备制造行业均受到严重影响，投资与生产均处于历史低位，但是对于深水勘探和开发新技术，及其装备制造新技术的研发从未停止。相反，深水装备技术研发更加贴近工程实践，或者更加可靠、智能，或者更加实用、经济。
在深水裝备领域，在“十三五”期间，既有“十二五”项目的延续，也有许多新的立项。井架作为深水钻井装备的重要部件，持续受到各生产厂商和科研院所的关注。
1 深水钻井井架分类及选型
深水钻井平台目前主要形式有半潜式平台和钻井船。配套的井架按结构形式，主要有塔形井架、液压缸钻机A形井 架等结构，见图1～图4。按功能分类，又分为单井架、双井架和一个半井架。
双井架适合于单/双井口作业，采用双钻井系统[1-2]，一套系统用于正常钻井，另一套系统用于隔水管及水下防喷器作业，两套系统交替使用，具有协同和并行作业的特点，可以简化钻井路线，提高钻井效率。双井架最早由Transocean公司申请了专利（专利号：US6068069），其专利有效地区包括美国、澳大利亚、新西兰、日本、韩国、新加坡和挪威[1]，国外双绞车、双井架系统专利还包括US6217258B1等。国内厂家在双井架研究方面做了一些有益的探索[3-4]，例如：宝鸡石油机械有限责任公司申报了一种双作业塔形井架实用新型专利（专利号：CN200820029813.3），中国石油天然气集团公司等申报了一种陆地双联钻机井架（专利号：CN201120120060.9）。
一个半井架与常规单井架相似，只有一套钻井系统、一个作业井口，通常配备有隔水管移运机、防喷器移运及吊装机（在月池，可利用此设备离线下放套管作业），井架内部配备两套或两套以上管柱处理系统，其中一套管柱处理系统用于离线作业（例如井架内部配置一套单根提升机、二层台及井口机械手，配合井场折臂机、猫道输送机等，在正常钻进时，在钻台进行另一单根准备工作），降低钻井过程中对接或拆卸管柱用辅助时间，其钻井效率低于双井架，但高于单井架。与双井架相比，一个半井架配置相对较少，重量较轻，运营及维护成本也相对较低。一个半井架结构见图5[5]。
双井架和一个半井架都成为深水浮式钻井平台的主流配置。塔形双井架由于其宽阔的井口空间、较强的整体稳定性，在深水钻井平台上配置相对较多。
当深水钻井平台日租费用相对较低时，或者深水钻井平台有效工作时间相对较少，采用一个半井架或一个半井架的改进型，成本与收益会更合理，更加具有竞争性。
2 深水钻井井架设计及计算
2.1 深水钻井井架特点
（1）除了具备常规井架安放天车、安装高压泥浆管汇、悬挂游动系统、提升钻柱等功能外，还需要充分考虑隔水管提升和下放作业、防喷器作业等。
（2）由于钻井井架处在深水作业环境，通常作业水深400～3000m，需要承受飓风的直接作用，以及飓风、巨浪、海流引起平台运动而带来的动态载荷。
（3）由于新型深水钻井井架通常采用四立根作业，配套升沉补偿装置、较多的自动化作业工具，因而井架高度高、横截面尺寸大，以海洋石油981为例，横截面尺寸约15.85m×14 m，高约64m，总重量约980t。
（4）深水钻井井架远离海岸，在维护保养方面，需具有较强的自适应能力或较大的冗余。
2.2 深水钻井井架设计计算注意事项
深水钻井井架的设计计算与陆上或浅海钻井井架不同，需要充分考虑隔水管和水下防喷器的下放与回收，考虑复杂和恶劣的海上作业工况。由于深水作业设备失效带来的风险更大，因而在井架设计与计算时，需要充分考虑以下因素[6-10]。
（1）在方案设计时，充分考虑作业的海况和作业的钻井深度，综合分析其可能遭遇的种种静载荷、刹车载荷，以及钻井平台升沉运动所引起的动态载荷来确定井架最大钩载。
（2）根据井架配套的平台或钻井船型、预期的作业海域、钻井工作量，以及设备投资收益分析，确定井架的主要结构形式。并且，井架结构形状的选择及杆件布置要有利于减小风阻，有利于主载荷路径上力的传递。
（3）在设计井架主体结构的同时，充分考虑井架各种附属设备及钻台设备与工具的布置，预留安装位置及支承结构，最大限度提高井架及井口作业效率。
（4）在井架方案确定之后，基本设计阶段按照规范的要求及使用要求进行全工況计算。
（5）井架详细设计完成后，对关键连接、重要焊缝等细节部位均进行校核计算。
（6）根据计算结果进行安全性评估。
（7）必要时，对结构进行改进或优化设计。
3 结语
我国深水钻井装备的研制目前还处于起步阶段，大型深水钻井井架的完全自主研制与应用仍是空白。在进行深水钻井井架的自主开发时，需进行仔细论证，敢于创新、敢于实践。设计阶段应打破先设计、后校核的传统习惯，应采用先进的设计计算及试验验证手段，确保深水钻井井架安全可靠、适用科学，进而实现深水钻井井架的国产化。
参考文献
[1] 杨轶普，肖文生，王凌寒.深水半潜式钻井平台井架经济性分析[J].中国海洋平台，2008，23（6）：46-50.
[2] 孙宝江，曹式敬，李昊，等.深水钻井技术装备现状及发展趋势[J].石油钻探技术，2011，39（2）：8-13.
[3] 张勇.海洋钻机井架技术现状及发展趋势[J].石油机械，2009，37（8）：92-95.
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[6] 许亮斌，蒋世全，谢彬，等.深水钻井平台钻机大钩载荷计算方法[J].中国海上油气，2009，21（5）：338-342.
[7] API Spec 4F.Specification for Drilling and Well Servicing Structures[S].2013.
[8] 任化斌，何军国.水井钻机井架及其焊接接头设计计算和验证[J].机械设计与研究，2017，33（2）：101-103.
[9] 任化斌，何军国，周莉莉.石油钻井和修井井架设计的安全性评估[J].河南科技，2017（3）：57-59.
[10] 尚晓江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2005.