钻机井架技术现状及发展趋势

1、海洋钻机井架制造技术现状

1．1海洋钻机井架焊接与加工技术

井架的制造质量与井架的可靠性密切相关。制造工艺能否反映设计意图，需要先进的制造工艺与设备来保证。目前的做法一是制作大型焊接工作平台，按井架图纸进行1：1放样，制定严格的PQR及wPS文件，对结构进行尺寸、质量及形位公差控制，对关键工序制作专用工装并进行检测跟踪。二是增加下料辅助设备，如光电下料设备、数控等离子火焰两用切割机、仿形切割机、倒角机、管子加工车床，对井架板材进行下料、倒坡口，对管材进行焊口加工，以保证焊接质量。三是引进大型加工机床，如数控车床、数控铣床以及数控镗床等，保证井架的加工精度。四是建造大型井架钢结构生产车间。如南阳二机石油装备(集团)有限公司引进的数控镗铣加工中心ACC180—420，能完成对12m×3m大型井架单片的一次端面铣削、镗孔，保证井架单片间接触的面积，保证连接孔的精度。但目前井架的整作精细度和生产规模与国外专业的石油井架制造商相比仍有较大差距。1．2海洋钻机井架涂装技术

井架在海上油气田承受酸碱、潮湿、酸雾、高低温、冰雪等作用，腐蚀较快，需要做特别的防腐设计。我国对海上固定式钢质石油生产平台的腐蚀控制制定了相应标准，即SY／T10008-2000。从兼顾防腐的结构设计、防腐工序安排原则、常用防腐方法分类、防腐方案推荐、涂料采购和入库验收及性能试验、涂漆颜色等方面人手，制定了相应企业标准，即Q／RGJ204．15—2007《海洋平台石油钻采设备防腐涂装通用技术条件》。通常的做法是对海洋井架本体采用表面底层喷铝+表面复合涂层的防腐系统，喷铝层不小于150la,m，封闭层不小于130m。对销轴、螺栓等连接件进行镀锌处理。但目前国内井架的长效

www.1kuang.com防腐质量或外观质量仍比不上发达国家的涂装防腐水平。2、我国海洋钻机井架结构发展趋势我国海洋钻机井架结构发展趋势如下：

(1)发展自升式K形特种井架，即分片制作、分段组装、分段套装、垂直连接技术井架J。这种井架由几个井架分段依次连接而成，包括位于顶部的上段、位于底部的下段、位于中部的若干中段单元以及井架常规必备的设施，如天车、二层台等。井架在井场安装时，先将井架的上段套装在下段内，然后通过下段的前开口处，将一中段单元竖立置于下段内部中心部位，利用机械或液压起升方式将中段单元升起，与上段进行连接。连接完成后，脱开承载机构，进行中段和上段提升，到位后，操纵承载机构工作，实现对上段和中段支撑，完成第l节中段单元连接。按同样的方法可进行其他中段单元的连接。这种井架具有安装空间小、作业高度可预先调整、不需要大型吊机、能实现结构模块化、拆装快速、海运方便等特点。(2)发展瓶式塔形海洋井架J。这种井架采用塔形结构，二层台以下井架立柱采用直立柱结构，二层台立根以上位置开始收口设计，井架所有杆件形心相交。因而井架稳定性好、抗风抗震能力强、井口活动范围大、立根容量足、二层台操作方便。

(3)发展带有钻柱运动补偿结构的井架。钻柱运动补偿器按其安装的位置不同可分为天车型运动补偿器、游车型运动补偿器、液缸升降钻机的运动补偿器、绞车型运动补偿器等。对于深海钻机井架而言，为克服波浪对钻机的影响，发展具有自动升沉补偿装置的新型井架具有重要意义。例如设计带有天车补偿装置的井架、游车补偿装置的井架。当采用天车补偿时，需在天车底座上设计天车上下运动导轨架，配套安全液压缸与工作气缸。当采用游车进行升沉补偿时，一般的做法是在井架两侧安装游车运动导轨及液压缸。在设计开发自动升沉补偿装置时，可以借鉴深海采矿升沉补偿技术l8J。此外，双联井架以及类似RAM公司用大型液压缸来升降钻具或进行升沉补偿的特殊井架结构也是浮式钻井井架的主要发展方向之一。

(4)完善井架配套结构、提高井架适应性。如设计顶驱安装、设置实用可靠的钻杆自动排放系统。即使对次要的附属结构也要做到精细设计，例如对井架梯子、栏杆、平台的设计应符合人机工程学。3、发展海洋钻机井架新材料与新工艺3．1发展适应深海钻机井架结构的新材料

为适应大型海洋平台钻机井架对强度与质量的要求，建议发展高强度井架材料，确保材料具有足够的强度、塑性和缺口韧性以及优良的防腐性能。能够生产优质高级的Q345系列H型钢，WH60系列大尺寸高强度H型钢。H型钢的翼腹板采用全熔透焊接，焊接指标符合AWSD1．1／D1．1M要求，材料力学性能包括低温冲击性能符合GB712~2000《船体结构用钢》要求。

由于海洋钻机井架位于上层作业甲板，所处的工作环境及失效造成的影响没有船体及插入水中的平台导管恶劣，但与陆地井架相比，对环境的要求以及对故障的预防又要严格得多。加上目前海洋钻机没有规模性的生产，在今后的标准制定或完善中，有必要对钻井平台与应用于平台上的设备的材料要求作区别性说明，有利于井架新材料的发展与运用。3．2发展新的焊接技术与焊接装备

www.1kuang.com浅海大型钻机或深海钻机井架整体尺寸较大，传统的制作方法与设备难以保证连接的同轴度、接触部位的接触比以及整体形位公差，需引进大型数控镗、铣设备。目前，井架的焊接主要为手工电弧焊，由于井架制作难度加大、制作精度与焊接量增加，需要发展新型焊接技术与校正技术。其中焊接机器人在井架焊接过程的应用将成为一种发展趋势。为改变常规的焊接方法，进而提高生产效率，多功能大型压力校直机、焊后热处理设备、焊后振动时效设备成为必要配置。再者是推行专业化生产，保证工艺的提高与稳定，确保井架制造质量。3．3涂装技术向结构大型化、防腐耐久性、表面美观方向发展

由于跨海桥梁钢结构与海洋平台设施有类似的使用工况，相近行业间可相互借鉴。如我国东南沿海一座跨海大桥钢箱梁的防腐涂料体系设计方案，包括2道海洋防腐底漆、l道封闭漆、1道中间漆、2道面漆，共采用6道工艺，漆膜总厚度达325m，其工艺方法值得借鉴。在结构表面处理方面，一方面继续推广发展热喷铝、热喷锌工艺，另一方面可以制造大型工艺槽，对零部件进行整体热浸锌或热浸铝。此外，加强井架的结构防腐设计，例如避免积水、存污、消除无法做防腐处理的结构，并通过油漆选型、油漆调配、油漆烘烤工艺、改进试验方法、加强检测手段，来提高井架的防腐耐久性与表面美观。4、结束语

我国海洋钻井起步较晚，资金投入有限，而陆地大型钻机发展相对较快，也较为成熟，可以在借鉴陆地钻机技术以及类似行业技术的基础上来发展深水海洋钻机及井架。在进行深水钻机井架设计时，应研究和探讨风力、波、流等对井架的影响，一是利用现有国家资源，进行风洞模型模拟试验；二是建立井架通用有限元分析模型库，对井架工作及拖航状态进行仿真分析。可以预见，随着下一个海洋石油勘探开发高潮的到来，海洋钻机井架品种较少、适应性不强、功能不完善的局面将得到很大改善，海洋钻机井架的设计与制造技术将日渐走向成熟。