海洋钻井平台井架安装工艺探讨

【摘 要】随着海洋石油开发节奏的加快，我国海洋钻井平台的建造数量不断增加。钻前公司作为专业化的陆地钻机井架安装施工队伍，近年来不断加大了海洋钻井平台井架安装施工市场的开拓力度，作业施工量逐年增加。由于海洋钻井平台特殊的作业环境、较高的安全要求、高质量要求等原因，海洋平台井架与陆地井架在结构、质量要求、施工要求等方面存在很大的不同，对现场施工带来了较大的难度。本文结合多年的海洋钻井平台井架的安装施工经验，对海洋井架的现场施工安装、质量控制、技术难点等内容进行了研究，力求下一步的技术改进和市场开拓提供技术借鉴和指导。

【关键词】海洋钻井平台；海洋井架；安装工艺

过去几十年，石油工业从浅海到深海再到超深海不断扩张。国际能源署估计，全球油气资源量三分之一位于海洋。全球近10年发现的大型油气田中，海洋占60%以上。这10年间，我国新增石油产量53%来自海洋，2010年这一比例超过80%。海洋油气总产量占全球油气总产量的比例已从1997年的20%上升到目前的40%以上，其中深海油气产量约占海洋油气产量的30%以上。海洋油气的产量和储量一直保持较快增长，也带动了海洋钻井技术、石油开采技术、海洋油气管道技术及装备市场的迅猛发展发展，我国虽然在相关的石油开发勘探、石油钻采工艺技术及装备方面起步较晚，但随着海洋石油开发节奏的加快，近年来也有了较快的发展，海洋钻井平台的建造数量不断增加。钻前公司作为专业化的陆地钻机井架安装施工队伍，近年来不断加大了海洋钻井平台井架安装施工市场的开拓力度，作业施工量逐年增加。由于海洋钻井平台在结构、施工要求与陆地井架存在较大的区别，对现场施工带来了较大的难度，为此，本文结合今年的现场施工经验对海洋井架的安装施工工艺进行探讨。

1 海洋钻井平台分类

海洋钻井平台是主要用于钻探井的海上结构物。平台上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。海洋钻井平台经历了一个比较漫长的发展过程，钻井平台无论在形式上、数量上， 还是在性能方面均发生了巨大变化。

海上钻井因特殊的海洋作业环境，海上钻井设备必须特别设计制造，以克服在海上作业的困扰，海洋钻井平台应适应海洋钻井区域环境且安全、成本较低、满足钻井、采油、测试等各项作业的要求，它的主要技术特点有：1）作业范围广且质量要求高。2）使用寿命长，可靠性指标高。高可靠性主要体现在：①强度要求高。②疲劳寿命要求高。③建造工艺要求高。为了保证海洋工程的质量，采用了高强度或特殊钢材（包括Z向钢材、大厚度板材和管材）；④生产管理要求高。海洋工程的建造、下水、海上运输、海上安装甚为复杂，生产管理明显地高于常规船舶。 3）安全要求高。4）学科多，技术复杂。主要分为移动式平台和固定式平台两大类。以下对几类主要钻井平台做简要介绍。

1.1 固定式钻井平台

固定式钻井平台是所有钻井平台中最古老、最传统的平台形式， 这类平台随着时间的推移先后涌现出桩基式、重力式、绷绳塔式、张力腿式等多种形式。一般来说， 固定式平台的共同特点是结构简单、钻井风险小、制造成本低、受海风海浪等环境因素影响小， 同时还兼有前期钻井和后期采油的多功能特点。因此， 多年来该类平台在世界上仍然拥有一定的数量， 占据着一定的市场份额。

1.2 坐底式钻井平台

又叫钻驳或插桩钻驳，适用于河流和海湾等30m以下的浅水域，从稳性和结构方面看，作业水深不但有限，而且也受到海底基础（平坦及坚实程度）的制约。所以这种平台发展缓慢。

1.3 自升式钻井平台

自升式钻井平台又称甲板升降式或桩腿式平台，由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。该型钻井平台造价较低、运移性好、对海底地形的适应性强，因而，中国海上钻井多使用自升式钻井平台。

1.4 半潜式钻井平台

由坐底式平台发展而来，上部为工作甲板，下部为两个下船体，用支撑立柱连接。工半潜式与自升式钻井平台相比，优点是工作水深大，移动灵活；缺点是投资大，维持费用高，需有一套复杂的水下器具，有效使用率低于自升式钻井平台。到目前为止，半潜式钻井平台已经经历了第一代到第六代的历程。

1.5 钻井船

钻井船是浮船式钻井平台，它通常是在机动船或驳船上布置钻井设备。平台是靠锚泊或动力定位系统定位。目前，海上钻井船的定位常用的是抛锚法，但该方法一般只适用于200m以内的水深，水再深时需用一种新的自动化定位方法。

2 海洋钻井平台井架与陆地井架的不同

由于海洋钻井平台特殊的作业环境、较高的安全要求、高质量要求等原因，海洋平台井架与陆地井架在结构、质量要求等方面存在很大的不同。

陆地钻机井架建井周期一般较短，辅助设备相对较少且对空间没有过严格地要求，侧重强调井架的易运输、易拆卸、易安装，井架结构间连接点较少，在保障结构强度的前提下降低现场经济组装的难度，结构重量较小，对吊机要求较低。目前，常用的陆地钻井井架桁架式塔型结构、A型结构等形式，其中以A型结构居多，井架安装运输需要分成多个模块，模块内部以焊接为主，模块间通过螺栓或者销连接。

海洋钻井平台一般要求25-40年不进坞维修，因此对结构防腐、高应力区结构型式以及焊接工艺等提出了更高要求，其井架结构承载力较大，一般采用高强度或特殊钢材桁架式结构，一次安装多年不进行拆卸；要充分利用平台有限的空间，井架上的附属设备较多，设备安装精度要求较高；井架结构螺栓连接为主，连接点多，一个井架经常需要使用上万套螺栓，螺栓安装有较高的轴向力要求；总体重量较大，对安装场地和吊机有较高的要求。

因此，在海洋井架的安装建造过程中，质量控制点多，施工难度大，需采取有效地质量保障措施，在安装工艺方法上与陆地井架也有很大的不同，建造施工周期较长。

3 海洋钻井平台井架安装施工工艺

由于受到场地大小、吊机载荷、结构特点等原因，海洋井架的具体安装工艺有较大的不同，一般目前常用安装作业方法有场地单件吊装法、分段地面面装法、扒杆吊装法。单件吊装法是在地面工装上，将井架部件逐一吊装，单件安装的方法，一般适用于地面场地有限的作业方法，安装精度控制难度较大，施工速度较慢。分段地面面装法，“分片地面组装，分段井架安装”的施工模式，该工艺可有效提高施工速度对场地和吊机有较高的要求。扒杆吊装法，使用扒杆作为施工机具，完成井架部件的吊装施工，逐件进行组装的施工方式，适用于场地受限、大型吊机作业受限的工况，可应用于井架在平台的安装作业，施工速度较慢，井架的安装精度控制较难。

目前，由于分段地面面装的施工方法可有效提高施工进度，降低特高空作业工作量，井架垂直度、尺寸等控制精度较高，应用较为广泛，下面将主要针对此法进行介绍和探讨。

3.1 分段地面面装施工工艺

结合多年的海洋井架安装施工经验，我们目前海洋井架的施工工艺为：“分片地面组装，分段井架安装”的施工模式，一般将井架主体分三段进行地面整体组装，此外井架天车及人字架作为一个整体进行地面组装，最后的整体对接组装在悬臂梁上完成。该工艺可有效提高施工速度，降低特高空作业量。

（1）施工准备

A）井架部件清点：在作业现场需根据甲方提供的部件与设备清单对其进行细致的清点；发现实物与清单不符的情况，及时与甲方相关人员沟通，这可以为后续的施工提供有效地保障，有时一个部件就可能导致整个工程施工周期的大大延长。

B）场地准备：现场需提供压缩空气气源、电源接线等，40个以上的高度不小于800mm、截面尺寸500mmX500mm以上的水泥墩或其他支撑。依据井架安装的经验和井架安装施工图纸，确定一个满足现场施工需求尺寸的场地。

C）工装准备：施工前需根据井架结构设计尺寸合适、结构稳固、较强刚性的地面工装，其结构应与井架与悬臂梁上的底部安装耳板相同，作为井架地面安装的基础。同时还需根据实际情况，加工制作其他各段井架安装时的工装，并需配备各种厚度的钢板垫片若干，用于水平度调整。

工装需要摆放在具有足够地基承载力的地基上，并需对地基表面进行适当的处理，从而使工装摆放地面（主要是工装四角位置）处于同一水平面内。按照工装设计图纸进行工装的现场组装，组装完毕后，需对工装的尺寸、四角水平度进行检测和调整。所有各段工装的检测和调整需做记录（水平度和尺寸检测表），调整完成后，需向甲方进行报验。

（2）井架安装

A）分段组装要点

a）每段中选择具有对称性或结构较为稳定的两个侧面，采取地面单片水平组装的方式进行施工。

按照部件先大后小的原则（即从立柱、大平拉筋、大斜拉筋至小平拉筋、小斜拉筋的顺序）按照图纸要求进行两面的水平组装，所有螺栓在初步组装阶段只进行手工拧紧，不可紧固。吊装过程中，需在井架部件的下方垫放木片或枕木（用于调整水平和保护部件锌层）。

b）在确保单片水平度误差控制在±3mm以内，对角线和开档尺寸误差控制在±3mm以内的前提下，完成所有螺栓的紧固，然后安装井架梯子平台、梯子、各种支撑与支架等井架部件。在完成两侧面单片的地面组装后，使用吊机将两片分别吊起放置于地面工装上，在确保四个井架底部柱尺寸和水平度误差后，做好扶正措施的同时，采取从下至上的顺序，逐一吊装其他两面的井架主体部件，开始阶段不可安装井架附件和设备。

c）完成两面所有井架部件的组装后，需对井架四个底柱的水平和尺寸进行检验和调整。调整完成后，进行所有螺栓逐层的预紧，做好相应的标记，并需对井架四个底柱的水平和尺寸进行检验和调整。调整完成，报验合格后，进行所有螺栓逐层的终紧作业，并做好标记。

d）在完成螺栓的终紧施工后，进行平台、梯子、 BELLYBOARD、V―DOOR ROLLER、支架（摄像头、灯、防喷管线、STANDBUILD、管汇等）、电缆托架、稳绳器等部件及设备的安装。

B）段组装

a）组装前准备

对两段所有需要终紧的螺栓进行检查，确保无漏紧、未安装的情况，并及时对需吊装段上的遗留物进行仔细清理，连接吊装吊耳、牵引绳。

提前场地清理，为吊机预留摆放位置和行走路线，作业范围内不允许非施工人员停留。

b）段组装

一般在完成各段的单独安装后，将第一和二段、第三和四段分别组成一个整体，最终完成整体组装时，通过两次吊装在悬臂梁上完成。

①吊机吊起吊装段，离开地面500mm以上后，对其底部开档尺寸进行再次检验、调整，检查各处有无结构变化。

②第二段（第四段）吊至第一段（第三段）上部后，进行初步的对正，并指挥吊机缓慢下方至第二段（第四段）立柱底部对正定位销距离第一段（第三段）上部耳板300mm处。

③井架四角安装人员手动扶正第二段（第四段）井架，并检查有无对接妨碍之处。检查无问题后，将定位销对正销孔，指挥吊机缓慢下方，实现两段的对接。

④对接过程中，井架作业人员需同步注意穿越第一二（三四）段的大斜拉筋与第一段（第三段）上部连接耳板的对正。

⑤安装两段的立柱的连接螺栓，进行全部螺栓的初紧。安装大斜拉筋的连接螺栓，并进行螺栓的初紧。然后完成两段间的所有螺栓的终紧施工。

⑥对两段间的井架梯子、附件等进行连接。

3.2 螺栓的安装

螺栓安装是井架安装中的一个重要环节，一般在实际施工中，需根据船东的具体施工要求可采用扭矩法和转角法两种施工方法，并提供最终的螺栓紧固报告。转角法施工可参考《AISC钢结构手册》结构连接规范ASTM A325或A490的钢结构节点说明书。

（1）螺栓安装前准备

A）螺栓等不得被泥土、油污粘染，保持洁净、干燥状态。施工部位摩擦面应防止被油污和油漆等污染，如有污染必须彻底清理干净。检查螺栓孔的孔径尺寸，孔边毛刺必须彻底清理。

B）根据施工技术要求，认真调整扭矩扳手。扭矩扳手的扭矩值应在允许偏差范围之内。施工用的扭矩扳手，其误差应控制在±5%以内。

C）遇到安装孔有问题时，在征得甲方同意后方可扩孔，不得用氧-乙炔扩孔，应用扩孔钻床扩孔，并重新清理孔周围毛刺。

D）螺栓应自由穿入孔内，严禁用锤子将螺栓强行打入孔内。螺栓的穿入方向应该一致，一般采取朝向井架外侧、向下穿入、螺栓相对等几个原则，局部受结构阻碍时可以除外。安装图纸有穿入方向的相关技术要求时，应以图纸为准。螺栓垫圈位置应该一致，安装时应注意垫圈正、反面方向。

（2）螺栓安装

A）螺栓全部安装就位后，可以开始紧固。紧固方法一般分两步进行，即初紧和终紧。

B）应对全部螺栓进行初紧，使接点板叠的摩擦面紧密接触，形成“密贴”状态。螺栓应从节点刚性最大的部分到自由边顺序地进行。先紧的螺栓可能会因后紧的螺栓而松弛，因此，有必要按同样的次序复拧一遍，以使所有的螺栓最终都达到“密贴”工况。

C）螺栓初紧后应做好标记，防止漏拧。一般初拧后标记用一种颜色，终拧结束后用一种颜色，加以区别。所有的螺栓紧固需提供相关的记录表格。

3.3 井架校正作业方法

井架天车中心应与转盘中心为于同一垂线上，根据要求一般需满足一定的误差要求，当超出误差范围时需进行校正调整作业。

（1）准备工作

需准备与井架底柱固定螺栓相应的扳手及经纬仪、水准仪等其它工具，井架底部四角准备好千斤顶，各种厚度的垫井架钢板。

（2）操作方法

A）井架天车中心垂线与转盘中心出现偏差，在井架底部四角垫入相应厚度钢板。

B）松开井架底部联结处的螺栓，根据需要的调节量松开合适的距离；用千斤顶顶起井架一个或两个角，根据需要的调节量增减调节垫片；调整好后取掉千斤顶，拧紧螺栓；然后测量天车的位置，符合设计要求即可。

C）井架左右方向的调节通过增减井架左右两侧面井架大腿与井架支座之间的调节垫片来进行；井架前后方向的调节通过增减井架前后两面井架大腿与井架支座之间的调节垫片来进行。

3.4 顶驱导轨调整

顶驱导轨是海洋井架中比较重要的一个部件，对其垂直度有很高的要求，特别是要与天车中心与井口中心的连线保持平行，也是井架安装中难度较大的一个环节。

顶驱中心对中主要靠顶驱导轨的垂直精度保证，在调整时，以天车中心与井口中心的连线为对中基准线，在井架校正作业完成后，对导轨进行井架前后和左右位置进行细致调整作业。

（1）调整前准备

A）所有导轨必须已经全部安装到位，与支撑间的固定全部螺栓处于预紧状态。

B）导轨垫片表面处理干净，无泥土、杂物、锈蚀、铁屑放置相应位置，固定牢靠。

C）对导轨连接处进行对正，结合处结合紧密，并使所有连接螺栓处于终紧状态。

（2）调整作业

A）一般采取从上之下的方式进行。将顶部导轨间距调至设计尺寸呢 ，误差0――+5mm范围内，紧固导轨与天车梁连接螺栓，再次测量误差。

B）要找出井口和天车中心点，以底部井口中心和顶部天车中心点连线为基准线，选择两条合适的钢丝，从钻台面至导轨顶端，设置两条间距为设计尺寸的平行于基准线的调整参考线，尺寸误差控制在2mm，并紧固到松紧合适。

C）以调整参考线为基准线，对两条顶驱导轨进行前后和左右方向的调整。

D）调整一般是靠增减导轨不同厚度的固定垫片来实现。也有部分海洋井架导轨的支架上螺栓孔为长孔，需要手动调整，具体的调整作业方式以船厂提供的技术图纸为依据。

E）调整完成后，要对所有螺栓进行终紧施工。

近年来，钻前公司依靠多年的井架安装经验和成熟的陆地井架安装工艺技术，积极开拓海洋钻井平台井架安装作业市场，依靠较为科学的施工工艺、精细的施工组织、完善的安全管理措施、优质的施工质量，与国内多家海工单位建立了良好的合作关系。本文结合现场施工经验，对海洋井架的施工工艺进行了初步的总结和探讨，下一步在充分结合海洋井架自身特点的基础上，还需继续进行研究和完善更为成熟和高效的施工技术工艺，为公司的外部市场开拓提供技术支撑。