關雙會，王曉雷，陳金穩(wěn)，杜漢文，李寶春.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司機械設備技術服務中心，天津　3004522.西南石油大學經濟管理學院，四川成都　60500

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海上石油WHPG平臺HXJ180海洋修井機設計優(yōu)化

關雙會1，2，王曉雷1，陳金穩(wěn)1，杜漢文1，李寶春1
1.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司機械設備技術服務中心，天津300452
2.西南石油大學經濟管理學院，四川成都610500

摘要：由于中海油秦皇島32- 6油田WHPG平臺井口分布的特殊設計形式，常規(guī)結構形式的修井機不能滿足作業(yè)要求。在為該平臺配置的HXJ180海洋修井機的基本設計中雖然確定了新穎的總體結構設計形式，但有更多的細節(jié)結構形式的設計并不利于實際操作情況，并非最優(yōu)設計。經詳細設計階段深入研究，對該型式修井機在拖鏈設計、平臺交叉導軌設計、下底座支撐腿與滑移結構設計、設備維修平臺及通道設計以及井架前支架的設計進行了深入的合理優(yōu)化，使設計成果更加符合該平臺現(xiàn)場實際的使用操作及作業(yè)工況要求，對于類似結構形式海洋修井機設計可以作為參考和借鑒。

關鍵詞：海洋石油平臺；海洋修井機；基本設計；詳細設計；設計優(yōu)化

根據(jù)中海油秦皇島32- 6油田WHPG平臺的井口分布情況，對為其配置的HXJ180DB型海洋修井機進行了基本設計，但其總體、結構以及機械等專業(yè)設計成果中，一些設計理念和想法并不符合裝備在海上現(xiàn)場的使用與操作要求，僅是規(guī)劃了裝備基本功能，至于是否為更好或最好的方式則沒有更深入的研究和考慮。因此，在詳細設計以及海上安裝調試階段，根據(jù)海上現(xiàn)場實際情況對基本設計成果進行了較大幅度的優(yōu)化設計，使得設計成果與裝備在海上現(xiàn)場的操作使用情況更加符合。

1　基本設計

海洋修井機的基本設計工作是依據(jù)平臺（組塊）的設計情況和要求來進行的，其在安全及安裝空間等方面的設計是在平臺（組塊）的安全要求前提下進行的，依據(jù)平臺留給海洋修井機的安裝空間情況來設計總體結構，而在功能設計方面則要充分考慮平臺頂甲板的空間情況、設備設施布置情況以及井口區(qū)及井口的具體分布情況［1- 3］。但在海洋修井機基本設計中對安全方面需要考慮得更多一些，而對修井機的功能要求方面規(guī)定的并不是很明確，因此造成海洋修井機的基本設計深度不足，或與最終的實際要求相差較多。而在詳細設計階段通過更多的優(yōu)化，可使最終成果能夠在最大程度上滿足安全、功能等方面的實際要求，在功能與安全方面達到平衡。

秦皇島32- 6油田WHPG平臺配置的修井機總體布置如圖1所示。

圖1　修井機總體結構模型

該修井機型號為HXJ180DB型電驅動海洋修井機，適用于海上石油生產平臺修井作業(yè)，工作環(huán)境平均水深為19.5 m，主要技術參數(shù)如下：外形尺寸為30.0 m×16.0 m×（7.5 + 33）m，最大鉤載為1 800 kN，修井深度為6 500 m，鉆臺高度為7.5 m，鉆臺凈空高度為6.4 m，上滑移導軌跨距為5.8 m，平臺導軌中心距為11.0 m，整體質量為210 t。

2　詳細設計優(yōu)化內容

在詳細設計中，通過理論計算分析及模擬，以及對對該生產平臺作業(yè)實際情況的深入調研與研究，在修井機總體布局、結構形式以及安全等方面進行了較大范圍的優(yōu)化，使最終設計成果更加符合實際使用要求。

2.1拖鏈與避讓

海洋修井機根據(jù)設備滑移要求配置拖鏈，分為中層甲板拖鏈和主甲板拖鏈，中層甲板拖鏈用于實現(xiàn)上、下底座之間相對滑移功能，主甲板拖鏈用于實現(xiàn)海洋修井機整機滑移功能。其附屬的供應管道、供電電纜及儀表數(shù)據(jù)電纜等固定在其內，并隨拖鏈同時移動。由于主甲板拖鏈只能滿足井口作業(yè)區(qū)范圍內的整機滑移需求，而在整機進行鉆井作業(yè)避讓時，該甲板拖鏈則不能滿足相關滑移功能要求，甚至會成為修井機避讓滑移的障礙，但考慮到修井機避讓的頻率低，基本設計中采取的措施是拆除，使其與修井機進行脫離，以使修井機能進行避讓滑移作業(yè)。該方法實施起來十分繁瑣，不利于現(xiàn)場的操作，在詳細設計中優(yōu)化為拖鏈兩端設置快速拆裝接頭和控制箱，可避免對拖鏈內所有管道電纜的拆裝工作，進而提高效率。

2.2作業(yè)導軌與避讓導軌

該平臺井口槽設計較為密集［4］，在作業(yè)導軌通長范圍內均設計有井口。為了滿足后期平臺調整井作業(yè)的需要，該修井機需要具備避讓功能，并且能夠避讓出鉆井船作業(yè)需要的安全距離。為此在平臺頂甲板上，不僅設計有井口區(qū)作業(yè)滑移導軌，還設計有鉆井平臺調整井作業(yè)時修井機避讓滑移導軌。由于兩組導軌是呈垂直狀態(tài)分布的，因此兩者存在交叉點，基本設計中結構布置如圖2中節(jié)點Ⅰ所示。該種設計方式，導致后期修井機作業(yè)滑移過程中，需要頻繁拆卸修井機滑靴導向限位結構，不但給操作工作帶來不必要的繁重工作，而且也使得修井機滑移工作出現(xiàn)更多的不安全工況。考慮到海洋修井機生產作業(yè)滑移頻率要遠高于修井機避讓作業(yè)頻率，將作業(yè)滑移導軌與避讓滑移導軌的交叉點的結構形式進行了優(yōu)化，如圖2中節(jié)點Ⅱ所示。僅僅只是導軌方位的一個變化，但卻使得修井作業(yè)中滑移工作的流程不再繁瑣，滑移作業(yè)的安全性也得到了保障。

圖2　導軌交叉點結構形式

2.3下底座支腿滑移結構

2.3.1支撐腿優(yōu)化

該套修井機在海上平臺安裝后，整機需要具備X軸和Y軸兩個方向的滑移功能［5］?；驹O計中給定的結構模式為兩側4個支撐腿結構，如圖3所示，結構剛度及極限支點反力情況均不理想。在詳細設計中對該結構形式進行了優(yōu)化，由4支撐腿調整為8支撐腿，主要是考慮修井機支點反力的均衡，減小個別支點在極限井位和極限工況下出現(xiàn)超大值支點反力情況，但該結構形式不能很好地滿足整機縱橫滑移的需要，會在一個方向上的滑移工作中出現(xiàn)卡阻問題。根據(jù)CB- B平臺修井機改造設計經驗，針對秦皇島32- 6油田WHPG平臺的實際情況，又進行了進一步優(yōu)化，將8個支撐腿的8組支點進一步優(yōu)化設計為4組支點，也即一組支點內的2個支撐腿設計為一個整體結構，如圖4所示。

圖3　基本設計中下底座總成及支撐腿設計形式（單側）

圖4　詳細設計優(yōu)化后支撐腿及支點形式（單側）

2.3.2滑移結構同步性

由圖4可以看出，該修井機下底座結構由左右兩部分結構通過銷軸連接在一起，共同構成下底主體結構，由于修井機整體需要在作業(yè)導軌上滑移，以實現(xiàn)與任一作業(yè)井口中心對中，由此產生一個問題，圖4所示的左右兩部分結構在滑移過程中，會由于受力不均、變形、建造公差以及裝配誤差等各種不利因素而產生不同步問題，步進機構的液壓缸在推拉過程中只作用于同一側支腿結構是關鍵因素之一，此外，左右兩部分結構底部沒有設計同步連接梁也是問題出現(xiàn)的另一個關鍵因素。據(jù)此，通過理論計算并分析后，設計出強度足夠的滑移同步連接梁（見圖4中滑移同步連接梁），將左右兩部分結構在底部連接起來，不同步、卡阻、異響等問題都一并解決了。

2.4鉆臺外圍設備設施維修通道

由于修井機上下底座結構形式的特殊設計，不能滿足鉆臺部分設備設施的維修工作條件，且設計中并未考慮相關設備設施的維修通道的設置，導致在鉆臺底座安裝的設備設施維修工作難度增大。如圖1所示，自下底座甲板面到鉆臺底面約5 m，自平臺頂甲板面算起則有近7.5 m的高度。并且，鉆臺底面配套安裝的設備設施多為舷外狀態(tài)，因此，造成海上現(xiàn)場安裝、維護等工作困難。

基本設計中，沒有充分考慮修井機自身所需要的維修作業(yè)通道及操作平臺。由于該平臺總體結構形式的特殊性，其多個部位的設備安裝以及后期維修等的作業(yè)通道是不能通過正常的主體結構來提供的，需要根據(jù)設備、管道配置的位置進行特殊考慮，才能滿足相關要求。針對此種情況，在詳細設計中對多處部位的設備、設施進行了維修通道及維修操作平臺的優(yōu)化，使設備滿足了修井機后期安裝及維修、更換、檢查等作業(yè)的需要。

2.5井架前支架

根據(jù)秦皇島32- 6油田WHPG平臺井口布置情況，在基本設計階段確定的總體布置形式，使得井架總成放倒后的前支撐架結構被設置在了平臺甲板面上，以確保修井機整體結構的穩(wěn)定性，如圖5所示。但由此帶來的問題是修井機在作業(yè)操作過程中的諸多不便。如按基本設計形式設置甲板支架，那么當修井機需在支架位置及附近的井口上進行修井作業(yè)時，由于甲板支架與修井機的妨礙，則需要搬移，搬移則需要吊機作業(yè)，而吊機處于甲板支架的另一端，不能滿足對支架的吊裝能力；當修井機作業(yè)完成后，甲板支架又需要復位。因此，設計是不合理的，使得此種設計模式難以被接受。此外，這種形式也使平臺甲板增加了許多不必要的承載結構，造成平臺整體重量的增加。

圖5　基本設計的井架甲板支架

為了消除上述問題，最大程度地簡化作業(yè)過程中不必要的以及繁重的操作，在詳細階段進行了很大程度的優(yōu)化。經對修井機上底座、下底座以及井架總成結構形式的組合研究以及結構強度校核，在滿足結構強度安全的前提下，最終對總體結構形式進行了如下優(yōu)化：其一，取消修井機井架甲板支架結構（相應的平臺結構方面在甲板支架位置及避讓位置處的承載結構也予以取消）；其二，簡化修井機使用操作程序；其三，將相應的井架支架結構設置在鉆臺結構的前端，以滿足井架總成放倒操作的需要；其四，對鉆臺底座支撐腿結構進行必要的局部補強；其五，對支撐腳底部的滑移結構進行校核與補強。結構優(yōu)化后的形式如圖6所示。該設計優(yōu)化成果經海上現(xiàn)場實際檢驗，強度及剛度符合結構安全要求，結構形式也完全符合修井機實際作業(yè)要求。

圖6　詳細設計優(yōu)化后的井架甲板支架

2.6下底座總成結構

根據(jù)該修井機作業(yè)平臺頂甲板設備及井口區(qū)的布置情況，該修井機下移動底座結構形式的設計有別于常規(guī)形式［6- 8］，常規(guī)多為“門式”桁架結構，而該修井機下移動底座主體結構形式為“口”字型，且設計為兩組對接形式，如圖1所示。此種結構形式的設計會對配套設備安裝及操作產生一系列影響。如對BOP系統(tǒng)（防噴器組）的安裝及操作產生很大影響，以致不能符合安全生產要求：BOP移動空間不足；BOP關斷操作手柄安裝空間沒有考慮；BOP加長操作桿安裝與操作空間沒有留。造成這種情況的最主要原因是下底座整體結構的設計高度問題，下底座主體結構位于不高不低的位置，恰好與BOP系統(tǒng)的安裝、移運及操作空間產生干涉，如圖6所示。設計中應當將下底座高度根據(jù)BOP系統(tǒng)的使用要求設計低一些高一些，即可避免上述問題的出現(xiàn)。此種結構形式的下底座在設計時需要引起足夠的注意，否則即使想在詳細設計階段予以優(yōu)化，而最終進入這個階段后也將難以實現(xiàn)。

3　優(yōu)化前后效果對比

根據(jù)設計優(yōu)化后的詳細設計成果建造的海洋修井機，在海上現(xiàn)場安裝應用后的實用性、適用性、經濟性以及安全性與基本設計的對比如表1。

表1　基本設計與詳細設計優(yōu)化后比較

4　結束語

通過對該平臺海洋修井機在基本設計階段及詳細設計階段設計成果的全面性、有效性、符合性以及實用性的對比分析，建議類似結構形式的海洋修井機的設計工作應在以下幾個方面著重考慮并進行優(yōu)化，以便使得基本設計成果更加有效，更加適合現(xiàn)場實際作業(yè)要求。

（1）在滿足安全性及經濟性要求的前提下，應最大限度地考慮對修井機的可操作性要求。

（2）應全面考慮所有配套安裝設備的安裝、操作、移動所需要的空間情況，并給予足夠的設計。

（3）應充分考慮修井機所有配套設備設施在逃生、操作、維修、檢查等各工作環(huán)節(jié)中所需要的各類通道及作業(yè)平臺的設置，并充分保證其有效性與安全性。

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Design Optimization of HXJ180 Marine Workover Rig for WHPGOffshore Platform

GUAN Shuanghui1，2，WANG Xiaolei1，CHEN Jinwen1，DU Hanwen1，LIBaochun1
1. Mechanical Equipment Technology Service Center，CNOOC Energy Development and Equipment Technology Limited Company，Tianjin 300452，China
2. Schoolof Economics and Management，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China

Abstra ct：Because of the design form of wellhead distribution of WHPG offshore platform in CNOOC QHD32- 6 Oilfield，conventional workover rig can’t meet the operation requirement. The innovative overall structural design form of HXJ180 marine workover rig is determined in the basic design. But because there are more designs of detailed structure form being not conducive to the actual operation situation，this design is not optimal. After in- depth research in the detailed design phases，the articulated chain，cross- guide of platform，supporting legs and slip structure of lower seat，platform of equipment maintenance，channel and fore stent of derrick are more optimized for this type of workover rig. The design results meet the platform actual demand for the operation condition more than before. Those designs can be used as a reference for the marine workover rigs with the similar structure.

Keywords：offshore oilplatform；marine workover rig；basic design；detailed design；design optimization

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.006

作者簡介：

關雙會（1975-），男，黑龍江寧安人，高級工程師，1999年畢業(yè)于哈爾濱工程大學，主要從事海洋鉆修井裝備研究。

Email：guanshh@cnooc.com.cn

收稿日期：2015- 08- 16；修回日期：2015- 12- 08