0 引言

深水钻机井架是配套于深水钻井平台的关键钻井装备，其在深水钻井作业过程中不仅要承受环境载荷和操作载荷，还要承受由于平台运动而产生的动力载荷，作业工况十分复杂^[1-4]。目前，国外深水钻机井架研制技术已非常成熟，最大钩载超过9 070 kN，国内在这方面的技术进展还比较有限。宝鸡石油机械有限责任公司自主设计制造过3套动态井架，分别是中海油708勘察船配套的钩载2 250 kN的海洋动态井架，流花半潜式平台配套的钩载4 500 kN的海洋动态井架，以及勘探三号半潜式平台配套的钩载5 000 kN的海洋动态井架。上述3种海洋动态井架的成功研制，不仅提升了国内海洋动态井架的设计和制造水平，打破了国外的垄断局面，也为开展大吨位的深水海洋动态井架设计研究奠定了基础。笔者主要介绍了9 000 kN深水钻机井架的设计要求和结构方案，并对井架进行了有限元分析，同时对缩放的井架模型进行了加载试验，以期提高我国的海洋钻机井架设计水平。

1 设计要求 1.1 适用标准

根据国内外设计经验，目前浮式平台配套井架设计所遵循的标准有美国石油学会的API Spec 4F规范、美国钢结构学会的AISC(335—1989)规范、ABS及CCS的海上移动平台入级与建造规范。

1.2 作业环境

目标平台作业区域为3 000 m水深的南海海域，平台在风、浪、流的联合作用下会产生较大运动，运动参数可依据同海域作业平台运动时记录的时间位移数据确定，井架设计时要考虑由于平台运动而引起的动力载荷。目标平台井架支脚距海平高度为29.3m，加上井架高度64.0 m，总高度接近百米，其承载能力受风力影响非常显著，井架设计时要考虑风载荷的影响。

目标平台结构物要求的最低设计温度为-20 ℃，井架主要承载构件选材时要考虑温度的影响。

1.3 设备安装

目标平台配备天车升沉补偿装置、顶驱以及先进的管柱自动化处理系统，井架设计时要考虑这些设备的安装及协同工作要求。

管柱自动化处理系统主要包含HTV(水平到垂直处理系统)和VPH(垂直排管系统)2套系统。HTV由布置在主甲板后部的折臂抓管机、动力猫道、钻台长短动力鼠洞和位于井架“V”形门上的鹰爪机组成。钻柱经动力猫道送到钻台后，由鹰爪机转换为垂直状态，放入长短动力鼠洞进行立柱组合。VPH由钻台上的铁钻工、钻台机械手、井架上的桥式吊机和自动排管指梁组成，组合立柱后将立柱放入各相应指梁存放，作业时通过钻台机械手和桥式吊机送到井口中心。

1.4 钻台布局

钻台是钻井作业的主要工作区，位于主甲板中心位置，高出主甲板10 m左右，上部为井架系统，下部为月池，主要处理钻杆、套管和隔水管等管具类工具。动力猫道前部正对井架大门，用以输送钻杆、套管和隔水管等，后部为折臂抓管机和管子堆场。钻台前部为立放隔水管存储区，立放隔水管处理系统包括1套隔水管处理起重机、1套隔水管倾斜臂(安装于井架上)和1套隔水管指梁。

目标平台钻台布局如图 1所示，采用单井架作业工艺，钻井中心相应配置转盘、顶驱和绞车；辅助钻井设备包括动力鼠洞、司钻房、铁钻工、钻台机械手、风动绞车以及其他设施。

2 主要技术参数及结构方案 2.1 主要技术参数

最大钩载：9 000 kN；

井架有效高度：64 m；

井架顶部开裆： 5.486 m×5.486 m；

井架底部开裆：13.716 m× 15.240 m；

二层台安装高度(至钻台面)：37.1 m；

二层台容量：Φ168.28 mm钻杆、41 m立根242柱，Φ241.30 mm钻铤、41 m立根16柱，Φ346.08 mm套管30柱；

井架前大门高度：22.5 m；

最大额定风速：操作工况(满钩载，满立根)36 m/s，风暴自存工况(无钩载，满立根)55 m/s。

2.2 结构方案

根据目标平台钻台布局图(图 1)，并结合钻井工艺流程及设备安装要求，确定井架为单斜瓶颈式塔形结构。井架结构方案示意图如图 2所示。

井架“V”形大门靠近动力猫道一侧布置有鹰爪机运行导轨，井架上自动排管指梁位于立根区正上方且满足立根排放要求，绞车快绳和死绳均位于井架外部，顶驱双导轨布置在绞车侧。井架全部裸露构件均经热喷涂锌/铝处理，以满足海洋高盐雾和大湿度的环境要求。井架承载能力大，整体稳定性好，同时满足最低设计温度-20 ℃要求，适用于海洋复杂的作业工况。

2.3 井架设计要点 2.3.1 井架结构形式的选择

选取单斜瓶颈结构作为井架的结构形式，自动排管指梁上方第2个桁格以上为井架上部，以下为井架下部。该结构形式在扩大立根侧操作空间的同时减小了井架横截面跨距，既能减轻井架质量又能满足立根的排放及设备安装需求；对井架内部结构及空间进行优化，确保各设备(包括顶驱、桥式吊机、自动排管指梁、载人维护篮及隔水管倾斜臂等)可正常安装，同时运行互不干涉；对井架上部结构进行优化，确保天车补偿装置可安全使用。

2.3.2 井架有效高度的确定

井架有效高度取决于起下钻作业工况，本井架使用的立根长41.1 m，起下钻时所需的井架有效高度=游车长度+顶驱长度+立根长度+接头长度+安全高度=3.2+9.8+41.1+1.2+8.0=63.3(m)。因此，本井架有效高度取64.0 m满足要求。

2.3.3 自动排管指梁位置的确定

自动排管指梁用于存放钻具，一般位于立根区域正上方并与之匹配，其安装高度主要取决于立根长度、桥式吊机及钻台机械手的作业空间。

2.3.4 井架上、下部分界点的确定

以井架缩口处为分界点，以上为上部，以下为下部。井架内部设备运行轨迹到达上部的只有顶驱，因此，井架上部空间只需满足顶驱运行即可。井架主要设备均安装在下部空间内，决定井架下部高度的主要因素有自动排管指梁安装高度、立柱长度、桥式吊机的机械臂作业空间。

2.3.5 “V”形大门高度的确定

井架“V”形大门是钻具进入井架内部的入口，大门高度必须满足最长钻具的进入要求；在所有钻具中隔水管最长，为22.9 m。隔水管通过动力猫道输送至“V”形大门侧，并在鹰爪机的提升下与钻台面约成60°的倾斜状态，“V”形大门高度至少大于22.9sin60°=19.8(m)，本井架“V”形大门设计高度为22.5 m，满足要求。

2.3.6 鹰爪机安装位置的确定

鹰爪机用于抓取从动力猫道输送过来的钻具，并将其从水平状态转换成竖直状态，存放在动力鼠洞内，配合铁钻工完成离线接单根工作，之后将立根交送给桥式吊机，因此鹰爪机的安装位置必须满足与上述设备之间交送钻具的要求。另外，鹰爪机的下行位置必须能够抓取动力猫道上的钻具，上行位置必须能够将钻具送达桥式吊机机械臂作业半径内，水平运行区域必须能够覆盖动力鼠洞所在区域，上、下运行距离必须大于2根钻具长度。

2.3.7 桥式吊机安装位置的确定

桥式吊机用于在自动排管指梁、鹰爪机及井口之间传送钻具，因此其水平运行轨迹必须覆盖立根排放区、鹰爪机机械臂送达区域以及井口区域，竖直方向可抓取最短及最长钻柱。

2.3.8 隔水管倾斜臂安装位置的确定

隔水管倾斜臂用于扶持从动力猫道送来并被顶驱提升的隔水管，其安装位置必须保证倾斜臂机械手的回转半径可覆盖隔水管进入井架内部的极限位置。

3 井架有限元分析计算 3.1 有限元模型

为确保井架设计强度满足API Spec 4F规范^[5]要求，应用海事结构有限元分析软件SACS对井架进行了计算分析。井架有限元模型如图 3所示。SACS软件具有风载荷自动加载功能和杆件强度校核功能，并且通过了API认证，具有操作简单、运算速度快、查看结果方便以及计算结果可靠等特点。

3.2 工况组合

根据API Spec 4F规范^[5]，参考国内外浮式平台动态井架设计计算经验，井架的设计计算工况主要有操作工况和风暴工况^[6]。2种工况下又根据风向及动态载荷对井架最为不利的载荷方向进行组合形成若干子工况，如表 1和表 2所示。表中操作工况为9 000 kN钩载+满立根+36 m/s风速，风暴工况为528 kN钩载+满立根+55 m/s风速。

3.3 有限元计算结果

计算结果表明，井架在操作工况下最大UC值为0.984，位于“V”形大门对侧斜立柱上。图 4为该工况下UC值大于0.850的杆件位置示意图。井架在风暴工况下最大UC值为0.933，位于“V”形大门斜立柱上。图 5为该工况下UC值大于0.850的杆件位置示意图。

井架在上述危险工况下的最大UC值均小于AISC(335—1989)^[7]规定的允许值，因而井架设计满足API Spec 4F规范^[5]要求。

4 井架模型试验

9 000 kN井架设计完成后，根据相似原理设计了一套缩比尺为7的缩放井架模型，如图 6所示。将缩放的井架模型置于可以模拟平台6自由度运动的振动台上，进行动态载荷与最大钩载荷的联合加载，通过测试缩放模型井架关键部位的位移、应力和加速度等，验证了有限元分析的正确性，提高了井架设计的可靠性，也为深水浮式钻井平台配套井架的设计分析及验证找到一个可行的方法。

由井架模型试验结果可知，试验井架的最大Von Mises应力为126.12 MPa，测试点材料的屈服强度为235 MPa，结构的安全系数大于1.67^[8]，绝大部分对比点的计算结果与测试结果吻合，个别点误差较大，偏差超过20%，造成计算结果和测试结果之间误差的原因较多，如外界环境的影响、对比点的位置偏差、理论模型和实际测试模型之间的差异等，但不影响整体趋势的判别^[9-11]，因此仍然可以验证有限元计算结果的正确性。

5 结 论

(1) 9 000 kN深水钻机井架采用单斜瓶颈式塔形结构，承载能力强、内部空间大，满足钻深1万 m的钻井作业要求，也满足海上自动化设备的安装使用要求。

(2) 进行了井架载荷工况组合分析，并应用海事结构有限元分析软件SACS完成了井架的计算分析。计算结果表明，井架在操作工况和风暴工况下的最大UC值分别为0.984和0.933，满足API Spec 4F规范要求。

(3) 依据相似原理设计了井架缩放模型，并对模型进行了动态载荷和最大钩载荷的联合加载，试验结果表明，试验井架的最大Von Mises应力为126.12 MPa，结构的安全系数大于1.67，验证了有限元计算结果的正确性。