0 引言

2015年9月，宝鸡石油机械有限责任公司与广东中远船务工程有限公司签订协议，为广州综合地质调查船项目配套地质钻探设备及系统。该船为一艘地球物理综合调查船，装备地质调查、地球物理调查、海洋水文调查以及信息化管理等4类调查设备。

广州综合地质调查船是一种集地质勘探、取样作业和测井功能于一体的系统化设备。基于多功能和特殊化的作业要求，船体主甲板设备种类多、布局紧凑，设备质量和体积均受到严格限制。井架作为调查船的关键设备之一，用于安装提升设备和工具，实现起、下钻柱和取样等作业。而目前海上钻探设备所使用的井架主要有塔形井架和套装井架等，此类井架质量和体积较大，对船体承载能力和安装空间要求较高，无法满足综合地质调查船的配置需求。为此，宝鸡石油机械有限责任公司为广州综合地质调查船研制出一套门形海洋动态井架^[1-3]，该井架采用伸缩式油缸实现提升设备的上、下运行，设备质量轻、体积小，满足综合地质调查船的功能和布局要求。

目前，国外仅荷兰SMST公司研制出门形井架，并将其成功应用于新加坡BESTFORD-3钻井平台上。而国内在门形井架的设计领域尚属空白。宝鸡石油机械有限责任公司研制的门形海洋动态井架完全采用自主化设计，设计质量更轻，承载能力和整体稳定性能更强，打破了国外在门形井架技术领域的垄断。

1 设计基础 1.1 设计原则

井架依据“性能先进、工作可靠、使用安全、运行经济”的原则进行设计，并符合API Spec 4F(第4版)、AISC(335—1989)《美国钢结构手册》、API RP 2A-WSD《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法》、AWS D1.1《钢结构焊接规范》、HSE规范和用户的个性化要求^[4]。

1.2 设计条件

井架设计主要取决于钻井的作业能力、作业方式、作业环境和钻台的布局形式^[5-6]等。井架设计条件如下。

(1) 顶驱端最大载荷：600 kN；

(2) 作业环境温度：-20~55 ℃；

(3) 井架抗风能力：操作工况(满钩载)≤21.6 m/s，风暴工况(无钩载)≤55 m/s；

(4) 井架动态载荷，见表 1；

(5) 为满足勘探、取样、测井等功能和工艺流程的要求，钻台布局如图 1所示。

动力猫道位于井架前侧井口中心线上，钻杆盒与钻铤盒分别水平布置在动力猫道两侧，钻杆盒一侧有抓管机，可将钻杆盒内的钻杆和钻铤盒内的钻铤抓放至动力猫道上，2台基盘绞车分别布置在井架左、右两侧，脐带缆绞车位于井架左侧并与左侧基盘绞车同轴线，猫头控制箱位于井架左支脚的正后方，液压大钳位于井架正后方井口中心线上，2台液压绞车对称布置在液压大钳两侧，取样绞车位于液压大钳正后方，2台液压猫头分别布置在2台液压绞车和取样绞车之间，司钻房位于钻铤盒附近，便于观察猫道和井口，整个钻台布局使各种钻井设备高效集成，充分有效地利用了船体主甲板空间。

2 技术分析 2.1 主要技术参数

最大钩载：750 kN；

井架高度(主甲板到上横梁)：25 m；

顶部开裆(正面外/侧面)：7.0 m/1.8 m；

底部开裆(正面外/侧面)：7.0 m/1.8 m；

动态载荷：与表 1中数值一致；

抗风能力：操作工况(满钩载)36.0 m/s，风暴工况(无钩载)55.0 m/s；

结构安全级别：E2/U2。

2.2 总体结构

门形海洋动态井架通过左、右分段式钢架支腿与顶部连接架构成一个门形结构。井架左、右支腿均由上、中、下3段构成(见图 2)，各段是一个横截面为矩形的焊接结构，由冷拔方形钢管或矩形管焊接而成，上、下各段之间以及上段与连接架之间均通过螺栓连接。井架后侧设有双撑杆，并与船体甲板连接，以保证井架侧向稳定性。井架左、右支腿内侧安装有举升油缸和动滑轮组，钻机利用举升油缸和动滑轮组提升顶驱上、下运行实现起、下钻柱等作业，从而简化了天车，取消了游车和绞车，有效减轻了整机质量。井架连接架上安装有导向滑轮总成，用于大钳平衡重、脐带缆胶车、液压绞车和取样绞车钢丝绳的导向，井架中段安装有基盘导向滑轮，用于基盘绞车钢丝绳导向，每个滑轮均带有润滑管线，用于滑轮轴的润滑。

井架主要承载构件均采用Q345D材料，以适应-20~55 ℃的环境温度要求。井架所有裸露部件均经热浸锌或热喷锌铝处理，增强了井架的抗腐蚀能力。井架滑轮设安全链，螺栓开孔加开口销，增强了井架防松防坠性能。门形井架承载能力大，整体稳定性好，适用于海上复杂工况下工作。

2.3 技术特点

(1) 井架利用伸缩油缸完成钻具提升和下放作业。采用沿井架左、右导轨立柱上、下运行的2组动滑轮组取代了天车上的定滑轮组，通过安装在井架内裆两侧的举升油缸举升2组动滑轮组，使顶驱在绕过2组动滑轮组的钢丝绳的牵引下随动滑轮组一起沿井架导轨立柱上、下运行，从而实现钻具的提升和下放作业。

(2) 采用轻量化设计。井架为格构式门形结构，内裆前、后开口，与常规井架相比，减少了背横梁及斜拉杆；井架承载较大的立柱采用较大截面的矩形钢管，其余构件均采用截面较小的方钢管，有效减轻了井架自重; 利用动滑轮组取代了传统天车，利用举升油缸取代了传统绞车，有效减轻了整机质量。

(3) 钻杆立根水平排放在主甲板钻杆盒内，取代了传统直立排放在二层台指梁内的方式，从而取消了二层台配置，有效减轻了井架质量，并降低了立根靠力和风载对井架承载能力和整体稳定性的影响。

(4) 举升油缸支座安装在井架支脚上，使举升油缸承受的钻井主载荷通过油缸支座和井架支脚传递到船体主甲板上，从而使作用在井架上的载荷大幅度降低，有效地提高了井架的承载能力以及整体稳定性。

(5) 井架采用分段组焊整体栓装式结构。井架主体由左、右支腿(分别由上、中、下3段构成)和顶部连接架共7个模块构成，每个模块均为焊接结构，各模块之间采用高强度螺栓连接，与传统钻机井架相比，门形井架拆装单元少，安装效率高。

(6) 井架各段及连接架安装时通过内、外锥定位和导向，各段连接螺栓孔在井架卧装时与连接板配钻，有效减少安装误差，从而保证井架立柱的直线度要求。

3 设计计算^[7-10] 3.1 整体结构有限元分析

井架设计遵循API Spec 4F(第4版)和美国钢结构规范AISC(335—1989) 等标准规范。笔者采用SACS有限元分析软件对井架在操作工况、起放基盘工况和风暴自存工况下进行分析计算，同时验证井架结构强度和稳定性是否满足设计要求。

分析计算时，对组成井架的各杆件用三维弹性梁单元进行模拟，同时对井架设备及附件用质量单元进行模拟，对不影响计算结果的小附件可忽略，各杆件之间模拟为刚性连接。井架计算模型见图 3。

3.2 工况组合

根据API Spec 4F(第4版)规范第7章的规定，并结合调查船的作业特点，井架存在3种危险工况，各工况组合如表 2所示。

3.3 有限元计算结果及分析

有限元计算得出，井架在操作工况45°风向、起放基盘工况135°风向和风暴自存工况270°风向时受力状态最为恶劣，计算结果分析如下。

3.3.1 操作工况

操作工况下井架顶部连接架的滑轮架上出现最大UC值0.889，如图 4所示。

3.3.2 起放基盘工况

起放基盘工况下井架右后撑杆上出现最大UC值0.954，如图 5所示。

3.3.3 风暴自存工况

风暴自存工况下井架左上段前侧上部横梁上出现最大UC值0.996，如图 6所示。

上述计算分析结果表明，井架在所有工况下，其最大UC值均小于表 2中规定的校核系数，因此井架设计满足规范要求。

4 厂内试验

750 kN门形海洋动态井架设计制造完成后，于2017年2月在宝鸡石油机械有限责任公司试验井场内完成了组装试验和最大钩载试验。

组装试验过程中对各部件的干涉情况进行了检查，组装完成后对上部连接架井口中心相对下部井口中心偏差以及井架立柱直线度等进行了测量。组装过程中各构件间的连接无干涉，组装完成后上部连接架井口中心相对下部井口中心偏差6 mm，小于试验允许值20 mm；井架立柱全长范围内直线度均小于4 mm，小于试验允许值10 mm；井架立柱每2 m范围内的直线度均小于1 mm，小于试验允许值2 mm。

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125 kN至750 kN逐级进行，每级载荷的加载值及加载时间进行至少3次循环的加载和测试，每次卸载完成后间隔至少15 min再进行下一次加载测试。加载过程中对受力较大的井架内侧立柱、后侧斜撑杆及伸缩滑轮架等处的应力进行了测试，最大钩载状态下井架伸缩滑轮架应力最大，应力值为77.4 MPa，小于材料的许用应力值207 MPa；井架上部连接架井口中心相对底部井口中心偏差8 mm，小于试验允许值20 mm。

试验结果表明：井架结构工艺设计合理，安装可靠，井架承载能力达到设计规定的指标，产品制造质量满足图纸及有关文件和技术标准的要求。

5 结论

(1) 井架采用分段组焊整体栓装式门形结构，利用举升油缸实现钻具提升和下放作业，在满足设备功能要求的前提下实现了结构的简化，有效减轻了井架质量，提高了井架整体稳定性和安装效率。井架适用于在海上复杂工况下工作。

(2) 井架有限元分析计算、组装试验和最大钩载试验结果表明：井架设计制造满足标准规范要求，井架使用安全可靠。

(3) 门形井架的研制有效解决了综合地质调查船的设备配套问题，为该类船体的配套设备提供了设计思路，可实现在除南北极外的无限海域进行地质勘探、取样和测井等作业。