海洋修井機和模塊鉆機井架應(yīng)力測試工裝設(shè)計

張 超

中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津

1. 引言

中國海洋石油在役的海洋修井機、模塊鉆機的數(shù)量越來越多，其定期檢測任務(wù)也越來越繁重，特別是井架的承載能力檢測。目前，國內(nèi)外井架的承載能力檢測主要是通過對井架提升系統(tǒng)進行加載進行井架應(yīng)力測試，其加載方式有三種：1) 利用鉆、修井作業(yè)期間提升油井內(nèi)管柱的負(fù)荷進行加載；2) 提水袋，依靠變換水袋中的水量來加載；3) 采用應(yīng)力測試工裝，通過井架提升系統(tǒng)拉拽工裝進行加載。方式1 無法在非作業(yè)期間進行井架應(yīng)力測試，方式2 對于大負(fù)荷井架應(yīng)力測試很難實施，通用性太差，方式3 相比更為實用。此前，因個別平臺作業(yè)急需，已經(jīng)開發(fā)出部分針對某特定型海洋鉆、修井機的專用應(yīng)力測試工裝[1] [2] [3]，但其暴露出最大的缺點是通用性不強，無法在大范圍同類設(shè)備中使用。而海上面臨的實際情況卻是在役海洋修井機、模塊鉆機數(shù)量龐大、型號眾多，因此，設(shè)計出合適的通用型井架應(yīng)力測試工裝就顯得尤為必要。本文設(shè)計了3 款可以涵蓋多種規(guī)格海洋修井機和模塊鉆機的通用型井架應(yīng)力測試工裝，有效解決了這一問題。

2. 在役海洋修井機、模塊鉆機分類及應(yīng)力測試載荷分級

2.1. 在役海洋修井機、模塊鉆機分類

在役海洋修井機(或鉆修機)按作業(yè)最大鉤載分類有900 kN、1125 kN、1350 kN、1580 kN、1800 kN、2250 kN、3150 kN，在役海洋模塊鉆機有4000 米、5000 米和7000 米模塊鉆機，其最大作業(yè)鉤載分別為2250 kN、3150 kN 和4500 kN。

在役海洋修井機(或鉆修機)按底座主承載結(jié)構(gòu)形式分類主要有：1) 梁式結(jié)構(gòu)，在役海洋修井機中占主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)形式，主梁跨距多為4 M，少部分為3.6 M 和3.2 M (主要為早期投用的設(shè)備)；包含鉤載等級從900 kN 到2250 kN 的所有型號。2) 桁架式結(jié)構(gòu)，在役海洋修井機(或鉆修機)中有近20 臺設(shè)備為該結(jié)構(gòu)形式，包含了鉤載等級從1580 kN 到3150 kN 的多種型號。

海洋模塊鉆機底座結(jié)構(gòu)形式比較統(tǒng)一，絕大多數(shù)為9.144 M 跨距的鉆臺主梁對應(yīng)9.144 M 跨距的下底座滑軌布局，僅有少數(shù)平臺因為上層甲板空間或海上安裝工程原因結(jié)構(gòu)比較特殊，例如PL19-3Ⅱ期的多個平臺和YC13-1 平臺的模塊鉆機。

2.2. 應(yīng)力測試載荷分級

在進行井架應(yīng)力測試時，測試最大提升載荷不得小于井架最大鉤載的20% [4]，現(xiàn)場試驗載荷值以指重表讀數(shù)為準(zhǔn)。載荷在測試過程中逐級加載，至少加載6 個載荷等級，每次測試需穩(wěn)定至少20 秒，待井架應(yīng)力數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)采集，重復(fù)測試次數(shù)不得少于三次。

現(xiàn)將中海油在役各種型號海洋修井機、模塊鉆機井架應(yīng)力測試的載荷等級劃分列表歸類(見表1：各型號海洋修井機、模塊鉆機應(yīng)力測試載荷分級表)，其中112 型(最大鉤載1125 kN)和158 型(最大鉤載1580 kN)的海洋修井機屬中海油海洋修井機實施標(biāo)準(zhǔn)化進程中的過度型號，在役數(shù)量很少，將其井架應(yīng)力測試分別歸類于135 型和180 型修井機的應(yīng)力測試載荷分級中。

Table 1. Classification table of load test of offshore workover and module rig表1. 各型號海洋修井機、模塊鉆機應(yīng)力測試載荷分級表

3. 井架應(yīng)力測試工裝的設(shè)計要求

通用性原則；基于在役海洋修井機、模塊鉆機數(shù)量較大、型號較多，且參與供貨的建造廠家較多，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸各異。井架應(yīng)力測試工裝在設(shè)計上需要充分考慮通用性，使每種型號的應(yīng)力測試工裝適用于其對應(yīng)型號的大多數(shù)鉆、修井機。

安全性原則；鑒于每個工裝需要大量重復(fù)的使用，設(shè)計首先棄用現(xiàn)有的用鋼絲繩拉拽的方式而采用5″鉆桿作為提拉連接件，主要基于如下幾點：1) 鋼絲繩在海上轉(zhuǎn)運、儲存過程中容易損傷；2) 做應(yīng)力測試時工裝梁安裝于轉(zhuǎn)盤下方，作為拉伸的連接固定件需要下穿轉(zhuǎn)盤，鋼絲繩的柔性特性容易造成設(shè)備碰掛；3) 海上常年風(fēng)力較大，在大鉤拉起工裝的過程中因柔性連接更容易擺動，易導(dǎo)致工裝梁的碰掛。采用5″鉆桿作為提拉連接件還可以利用鉆、修井機本身配置的吊環(huán)、吊卡等現(xiàn)成提升工具，提高作業(yè)安全性。

可靠與重復(fù)使用性原則；為了防止工裝梁與鉆、修井機主大梁直接接觸的接觸面相互擦傷，或者是碰、掛掉鉆修井機主結(jié)構(gòu)的防腐涂層，在工裝上的工裝梁與鉆、修井機主大梁接觸部位設(shè)計橡膠墊板，其安裝位置隨不同設(shè)備的不同接觸面位置而可調(diào)節(jié)。

便捷性原則；基于對多頻次儲存、移運、吊裝和安裝的便捷性考慮，在保證工裝結(jié)構(gòu)強度安全可靠的前提下，工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計盡可能簡單。

4. 井架應(yīng)力測試工裝分類設(shè)計

針對底座為梁式承載結(jié)構(gòu)的修井機、桁架式承載結(jié)構(gòu)的鉆修機、不同型號模塊鉆機我們合并歸納設(shè)計出三種規(guī)格的井架應(yīng)力測試工裝。

4.1. 工裝一

設(shè)計最大工作載荷600 kN、對應(yīng)應(yīng)力測試最大跨距4 M；針對底座為梁式承載結(jié)構(gòu)的修井機，能夠完成底座主梁跨距為4 M、3.6 M 和3.2 M 的，最大鉤載為2250 kN 以內(nèi)的多型號修井機的井架應(yīng)力測試(見圖1：工裝一)。

Figure 1. Tooling 1 (1. suspension centre, 2. 5″ short drill pipe, 3. drill pipe joint,4. tooling beam, 5. rubber mat, 6. pin roll)圖1. 工裝一(1、吊點，2、5″短鉆桿，3、鉆桿接頭，4、工裝梁，5、橡膠墊，6、銷軸)

常規(guī)海洋修井機的布置方式有兩種，一種為平行布置(修井機上、下底座大梁為平行結(jié)構(gòu))，另一種為垂直布置(修井機上、下底座大梁為垂直布置結(jié)構(gòu))。對于平行布置的海洋修井機，由于鉆臺下方一般安裝有鉆臺接污盒、防噴器導(dǎo)軌等設(shè)備，如果工裝梁支撐在鉆臺大梁下方，往往會因為空間高度不足而無法安裝工裝梁，在實際應(yīng)用時將工裝梁支撐在下底座在滑軌梁底面(見圖2：平行布置的海洋修井機工裝安裝示意圖)。對于垂直布置的海洋修井機，同樣由于鉆臺下方安裝有鉆臺接污盒、防噴器導(dǎo)軌等設(shè)備或設(shè)計時有轉(zhuǎn)盤梁下沉等情況，直接安裝工裝會因為工裝梁干涉兜不到鉆臺大梁下表面，在實際應(yīng)用時需在工裝梁的上方增加加高墊，以避開設(shè)備或下沉的轉(zhuǎn)盤梁(見圖3：垂直布置的海洋修井機工裝安裝示意圖)。

Figure 2. Tooling 1 installation on parallel layout offshore workover rig圖2. 平行布置的海洋修井機工裝安裝示意圖

Figure 3. Tooling 1 installation on vertical layout offshore workover rig圖3. 垂直布置的海洋修井機工裝安裝示意圖

4.2. 工裝二

設(shè)計最大工作載荷800 kN、對應(yīng)應(yīng)力測試最大跨距6 M；針對底座為桁架式承載結(jié)構(gòu)的鉆修機，能夠完成底座主梁跨距在6 M 以內(nèi)的桁架式結(jié)構(gòu)底座、最大鉤載在3150 kN 以內(nèi)的鉆修機的井架應(yīng)力測試(見圖4：工裝二)。

Figure 4. Tooling 2 (1. suspension centre, 2. 5″ short drill pipe, 3. drill pipe joint, 4.tooling beam, 5. rubber mat, 6. pin roll)圖4. 工裝二(1、吊點，2、5″短鉆桿，3、鉆桿接頭，4、工裝梁，5、橡膠墊，6、銷軸)

對于底座主承載結(jié)構(gòu)形式為桁架式承載結(jié)構(gòu)的鉆修機，由于桁架本身結(jié)構(gòu)尺寸較大，鉆臺下方安裝的設(shè)備不會影響到工裝梁的安裝，工裝梁可以直接支撐在桁架結(jié)構(gòu)的主梁下方(見圖5：主承載結(jié)構(gòu)形式為桁架式結(jié)構(gòu)的鉆修機工裝安裝示意圖)。

Figure 5. Tooling 2 installation on truss-type structure workover rig圖5. 主承載結(jié)構(gòu)形式為桁架式結(jié)構(gòu)的鉆修機工裝安裝示意圖

4.3. 工裝三

設(shè)計最大工作載荷1200 kN、對應(yīng)應(yīng)力測試最大跨距9.144 M；能夠完成底座滑軌主梁跨距在9.144 M以內(nèi)、最大鉤載4500 kN 以內(nèi)的模塊鉆機的井架應(yīng)力測試。模塊鉆機鉆臺下方結(jié)構(gòu)形式相對復(fù)雜，鉆臺接污盒、管線、電纜橋架、BOP 移動滑軌通常交叉布置，工裝的支撐面與鉆機底座滑軌梁下緣接觸進行井架應(yīng)力測試才容易避開鉆臺下方的復(fù)雜局面(見圖6：工裝三)。

Figure 6. Tooling 3 (1. suspension centre, 2. 5″ short drill pipe, 3. drill pipe joint, 4. tooling beam, 5.rubber mat, 6. pin roll)圖6. 工裝三(1、吊點，2、5″標(biāo)準(zhǔn)鉆桿，3、鉆桿接頭，4、工裝梁，5、橡膠墊，6、銷軸)

在役的海洋模塊鉆機底座滑軌梁中心跨距大多為9.144 M，也有特殊的如PL19-3Ⅱ期模塊鉆機的桁架式下底座主梁跨距為7.5 M。工裝三按常規(guī)觸面能夠涵蓋80%以上的模塊鉆機，滑軌梁中心跨距小于9.144 M 的模塊鉆機只需移動橡膠墊板改變觸面位置就同樣可以完成井架應(yīng)力測試(見圖7：模塊鉆機工裝安裝示意圖)。

Figure 7. Tooling 3 installation on module drilling rig圖7. 模塊鉆機工裝安裝示意圖

4.4. 應(yīng)力測試工裝的安裝及應(yīng)用說明

三款井架應(yīng)力測試工裝的安裝都比較方便快捷，并且使用的安全可靠性較高。每一款應(yīng)力測試工裝均采用下裝式(在這里以工裝三為例進行說明)，即首先用平臺吊機將工裝梁(圖6 序4)送至所需測試的鉆、修井機底座下方的生產(chǎn)平臺主甲板上，讓工裝梁吊耳正對鉆臺井口；然后使用鉆、修井機的游吊系統(tǒng)通過吊具掛工裝三所配置的鉆桿及特制鉆桿接頭組合(圖6 序2、序3)，從鉆臺上方通過轉(zhuǎn)盤口往鉆臺下放至工裝梁吊耳處，穿銷(圖6 序6)使鉆桿接頭與工裝梁固定；通過鉆桿提升工裝梁至鉆桿上升到鉆臺面以上，通過鉆桿吊卡座于轉(zhuǎn)盤上懸掛住工裝梁，井架游吊系統(tǒng)掛吊環(huán)，吊環(huán)掛固定工裝三的鉆桿吊卡。司鉆緩慢操作絞車提升游吊系統(tǒng)，使工裝梁裝有橡膠墊(圖6 序5)的觸面與鉆臺主大梁緊密接觸并用安全繩固定即可以按規(guī)程進行應(yīng)力測試作業(yè)了(圖7 所示狀態(tài))。

該型工裝相較于已有的其它型號工裝有很好的可靠性：1) 較小的海上轉(zhuǎn)運、儲存過程中的損傷風(fēng)險；2) 較小的測試過程中的碰掛損傷風(fēng)險；3) 5″標(biāo)準(zhǔn)鉆桿的提升能力和提升安全保障；4) 通過井架本身的游吊系統(tǒng)，吊環(huán)、吊卡等標(biāo)配作業(yè)工具提升鉆桿，使測試作業(yè)和正常井架提升作業(yè)的操作幾乎一樣，操作的安全性大大提高；5) 由于在與大梁的觸面使用了橡膠墊，在應(yīng)力測試過程中對鉆、修井機底座大梁的損傷大大降低，特別對于大梁的防腐涂層。

4.5. 三款井架應(yīng)力測試工裝的差異性和適用性

根據(jù)適用范圍的不同設(shè)計的這三款井架應(yīng)力測試工裝，已經(jīng)可以涵蓋在役的絕大多數(shù)海洋修井機和模塊鉆機的井架應(yīng)力測試，個別異形底座結(jié)構(gòu)形式的鉆、修井機除外。這三款井架應(yīng)力測試工裝的差異性和適用性(見表2：三款井架應(yīng)力測試工裝的特點和適用范圍)。

Table 2. Features and scope of application of the three tooling models表2. 三款井架應(yīng)力測試工裝的特點和適用范圍

5. 結(jié)論

1) 三款井架應(yīng)力測試工裝有很好的通用性，應(yīng)力測試范圍可以涵蓋在役的絕大多數(shù)海洋修井機和模塊鉆機，有效解決了海洋修井機和模塊鉆機在定期檢測過程中的井架應(yīng)力測試問題。

2) 棄用了傳統(tǒng)的用索具拉拽的方式，采用5″標(biāo)準(zhǔn)鉆桿通過井架本身的游吊系統(tǒng)，吊環(huán)、吊卡等標(biāo)配提升工具進行工裝的提拉，使應(yīng)力測試作業(yè)和正常鉆、修井提升作業(yè)在操作上幾乎一樣，操作的安全性大大提高。

3) 三款井架應(yīng)力測試工裝充分考慮了工裝的長期儲存、移運、安裝過程中的方便性和安全性，以及使用過程中降低對鉆、修井機本體的損壞。

4) 三款井架應(yīng)力測試工裝均考慮了過載量，留有過載裕度，在實際使用過程中不易因指重表讀數(shù)偏差造成工裝的過載損壞。