0 引 言

勘探三号钻井平台属于深海半潜式钻井平台，其所配井架为海洋动态井架^[1]。由于该井架服役已超过30 a，井架的承载能力、尺寸规格和安全规范措施等已不能满足当前海洋钻井作业的要求。宝鸡石油机械有限责任公司于2013年为勘探三号钻井平台研制了5 000 kN海洋半潜平台动态井架，用于替换已超期服役的老井架。试验和现场应用结果表明，新井架符合最新的设计标准和作业规范，满足在新作业环境下长期使用的要求。

根据用户要求，勘探三号钻井平台钻台主体结构和立根排放区保持不变，钻井设备如顶驱、游车补偿装置、扶管机械手、绞车、转驱、司钻房、死绳固定器、气动绞车和高压管汇等继续沿用，井架结构设计需依据目前钻台结构和在用设备布置进行。勘探三号钻井平台钻台布局如图 1所示。

图 1 钻台布局示意图 Fig. 1 Schematic diagram of rig floor layout 1—井架支座；2—司钻房；3—测斜绞车；4—转驱；5—绞 车；6—死绳固定器；7—小绞车；8、10—风动绞车；9—大门坡 道；11—载人绞车；12—管汇；13—顶驱；14—顶驱导轨。

图选项

从图 1可以看出，井架4个支脚位于钻台设备的外侧，绞车、司钻房和死绳固定器置于井架内，井架V大门靠近大门坡道一侧，立根区位于V大门后方，呈左、右对称布置；司钻房和管汇布置在井架左侧；绞车位于井架内部靠后位置；死绳固定器位于立根区右后方。

(1)井架的设计应符合最新产品规范、相关HSE规范和用户个性化要求。

(2)井架最大额定静钩载需由原来的3 500 kN提高至5 000 kN，以提升平台钻探能力。

(3)二层台立根容量由原来的4 000 m增加至7 000 m，原安装在井架外侧部分设备需改装至内侧，井架内部空间需加大。

(4)井架作业环境温度范围由原来0～50 ℃调整为-20～50 ℃，对井架材料低温性能提出更高的要求。

(5)井架操作工况、拖航工况下设计风速由原来的25.0和35.0 m/s分别增加至36.0和51.4 m/s，以提高平台在更广海域钻探和迁徙时应对大风环境能力。

新井架在设计标准规范、承载能力、内部空间和HSE要求等方面均有大幅提升，井架上安装的设备种类和数量较原井架也有所增加，但半潜平台对钻台处可变载荷增加有严格控制要求，钻台设备质量增加过多将引起平台重心和浮心坐标位置的变化，造成平台作业时稳定性和安全性风险的增加。因此，井架设计需严格控制质量，在满足强度、稳定性和内部空间要求的前提下尽力做到轻量化设计。

勘探三号平台新研制井架采用双锥塔形结构，有效高度为56 m，井架顶部开裆尺寸为3.96 m×3.96 m，底部开裆尺寸为12.2 m×12.2 m，井架是一个横截面为矩形的可拆卸、栓装封闭式钢结构。井架主体以二层台上方一个桁格与立柱交汇处为分界点，分为上、下2种不同角度锥形结构。下段井架锥形角度大，可获得大的内部空间，满足大容量立根排放、扶管机械手的安装以及方便在二层台内部设置宽敞走道，用于顶驱电控箱和补偿装置储能罐安装。上段井架锥形较为平缓，使井架上部结构截面快速收缩，减小井架外形，减轻井架重力。

井架主要承载构件由Q345D材料制成，满足环境温度-20～50 ℃的使用要求。立柱、横撑和部分斜撑由焊接H型钢制成，表面热浸锌处理，并经高强度浸锌螺栓连成一个整体，承载能力大，整体稳定性能好^[2]，满足海洋环境中防腐要求。

根据平台钻台设备布局图(见图 1)，确定井架V大门靠近大门坡道一侧，井架上立根排放区位于V大门后方，左、右两侧对称布置，绞车快绳和死绳均位于井架内部，TDS-8SA顶驱双导轨布置在大门对侧，依据TDS-8SA顶驱和补偿装置上、下运行空间放样，将套管扶正台布置在TDS-8SA顶驱导轨后方。

井架结构方案示意图如图 2所示。

图 2 井架结构方案示意图 Fig.2 Schematic diagram of derrick structure 1—天车；2—井架主体；3—笼梯；4—放空管；5—二层台；6—三层台；7—顶驱导轨；8—起重架；9—大钳配重；10—高压立管；11—套管台；12—快绳；13—死绳；14—死绳固定器。

图选项

最大额定静钩载：5 000 kN；

井架有效高度：56 m；

井架顶部开裆(正面/侧面)：3.96 m/3.96 m；

井架底部开裆(正面/侧面)：12.2 m/12.2 m；

二层台高度(至钻台面)：26.7 m；

二层台立根容量(ø127.0 mm钻杆)：7 000 m；

井架前大门高度：15 m；

结构安全级别：E2/U2；

产品规范等级：PSL1；

井架动态参数如表 1所示。

(1)井架采用双锥塔形结构，与原单锥井架结构相比，大幅增加了井架内部作业空间，满足扶管机械手等各种作业设备的安装及操作要求，提高了井架内排放立根的能力，使立根排放容量由不足4 000 m增加至7 000 m。

(2)采用焊接H型钢作为井架主立柱材料^[3]，较原井架采用组焊的十字形双角钢，立柱横面积只增加33%，而其2个方向的惯性矩较原立柱材料增大了320.0%和75.4%，大幅增强井架承载能力的同时又有效减轻了井架质量。

(3)二层台设计时考虑了钻井作业时所需7 000 m立根排放容量以及平台摇摆时立根排放对稳定性要求，设计了一种特殊的钻杆靠放指梁。指梁由挡杆、卡爪和卡座等组成，卡爪和卡座安装在挡杆上。钻杆在指梁上靠放时，打开卡爪，将钻杆推至卡座中，闭合卡爪，钻杆就被卡住固定在卡爪和卡座之间空隙中；若需取出钻杆，上翻打开卡爪，即可将钻杆推出卡座并用于钻井作业。采用此结构指梁，可将钻杆可靠的固定在指梁上，不会发生钻杆脱出事故。与此同时，二层台四周设置了通畅的环形走道和逃生通道，走道上安装有顶驱控制箱、补偿装置储能罐等设备，使得设备维护更加安全方便。 二层台结构布置见图 3。

图 3 二层台结构示意图 Fig. 3 Structural schematic of the racking board 1、4—钻杆指梁；2—钻铤排放架；3—舌台；5—挡风墙；6—顶驱电控箱；7—顶驱轨道支撑梁；8—储能器；9—逃生台；10—走台。

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(4)因需对井架内排放小直径钻杆中部进行支撑，以增加其排放刚性，在井架大门内侧15 m高度设置了三层台。三层台包含钻杆和钻铤支撑梁、走道以及护栏等。三层台结构布置见图 4。

图 4 三层台结构示意图 Fig. 4 Structural schematic of the layer 3 board １—走台；２、４—钻杆支撑梁；３—钻铤支撑梁。

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(5)在主体结构设计时就考虑了井架在平台上安装方案。井架采用在地面分成4段组装再依次将各分段吊至平台进行对接，各分段采用单片组合后再组装成段的安装技术。与传统单杆逐件安装相比，安装效率显著提高，同时也大幅降低了井架向平台吊运时对吊机能力需求，使得小型吊机即可满足井架吊装工作。

井架设计计算遵循美国石油学会API Spec 4F及美国钢结构学会AISC(335-89)中的有关规定，采用有限元分析软件ANSYS分别在操作工况1a、操作工况1b、风暴工况和拖航工况下对井架结构进行分析计算^[4]，并按照AISC(335-89)中轴心受压和受弯组合应力校核公式以及轴心受拉和受弯组合应力校核公式的要求对每一杆件进行校核，验证井架结构强度及稳定性是否满足设计要求，确保井架的安全可靠性。

以平台钻台面井口为坐标原点，X轴正向指向井架V大门侧，Z轴正向指向司钻侧，Y轴正向指向上方，建立全局直角坐标系进行井架的建模。井架模型中包含了井架主体、二层台、三层台、天车梁、天车架、天车台、TDS-8SA顶驱导轨、游吊、升沉补偿以及TDS-8SA顶驱等，其余部分附件通过质量单元予以施加，井架计算分析模型如图 5所示。

图 5 井架计算分析模型 Fig. 5 Analysis model of the derrick

图选项

根据API Spec 4F规范，结合井架在厂内试验工况，井架的设计计算工况如表 2所示

根据井架有限元计算结果得出，计算工况中，操作工况1a 315°风向、拖航工况315°风向井架受力状况最为恶劣。依据井架在厂内进行的载荷试验与计算工况比对需要，对井架试验工况进行了计算，以上计算结果整理如下。

组合方式：满钩载，满立根，315°方向风载荷，+y向升沉加速度，-x向纵摇加速度，+z向横摇加速度。最大UC值位置及组合应力云图分别如图 6及图 7所示。由图可知，操作工况1a井架最大UC值为0.960，最大应力值为199.448 MPa。

图 6 井架最大UC值位置 Fig. 6 The maximum UC value point on the derrick

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图 7 井架应力分布图 Fig. 7 Stress distribution of the derrick

图选项

组合方式：游吊自重，无立根，315°方向风载荷，+y向升沉加速度，-x向纵摇加速度，+z向横摇加速度。最大UC值位置及组合应力云图分别如图 8及图 9所示。

图 8 井架最大UC值位置 Fig. 8 The maximum UC value point on the derrick

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由图 8和图 9可知，拖航工况井架最大UC值为1.189，最大应力值为233.203 MPa。

图 9 井架应力分布图 Fig. 9 Stress distribution of the derrick

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组合方式：满钩载，无立根，315°方向风载荷。最大UC值位置及组合应力云图分别如图 10及图 11所示。

图 10 井架最大UC值位置 Fig. 10 The maximum UC value point on the derrick

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图 11 井架应力分布图 Fig. 11 Stress distribution of the derrick

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由图 11可知，载荷试验工况井架最大UC值为0.749，最大应力为154.489 MPa。

计算结果表明，所有工况下井架所有单元应力均小于材料的许用值，最大UC值也小于AISC(335-89)规定的允许值，因而井架设计满足API Spec 4F规范要求。

井架设计制造完成后，在宝鸡石油机械有限责任公司试验井场进行了整体组装和最大额定静钩载试验。载荷试验采用地梁式加载油缸向下拉大钩的方法进行，加载载荷从2 000 kN到5 000 kN，重复3次^[5]。载荷试验时各应力布点处测试结果满足规范要求。

井架经过组装和最大额定静钩载试验，各项检验结果均为合格，顺利通过了用户和中国船级社(CCS)的出厂验收。

(1)5 000 kN海洋半潜平台动态井架采用双锥塔形结构，使用高强度H型钢等，实现了承载能力、内部作业空间、立根排放容量及抗风能力等的提升，井架质量也得到有效控制。新研制的井架提高了平台在更广海域钻探作业及迁徙时应对恶劣环境的能力。

(2)井架有限元分析计算和最大钩载试验结果表明，井架的结构设计符合规范要求，井架的安全可靠性得到了保证。

(3)井架在勘探三号半潜平台上安装顺利，沿用设备与井架预留安装接口均能成功对接。目前，该平台已完成多口油井的钻探作业，井架及其上安装设备工作正常，得到了用户的认可。