海洋瓶颈式塔形井架技术领域
本发明涉及海洋钻井领域，特别涉及一种海洋瓶颈式塔形井架，主要用于
海洋石油钻井平台。
背景技术
目前，在国内海洋石油钻井平台钻机井架中，存在品种少、规格不全、适
应性不强的问题，尤其是在深水钻井平台井架和超架深水钻井平台井架，仍然
处于概念设计阶段。
其中，在现有技术中，海洋井架通常以棱锥式井架和瓶颈式井架这两种结
构形式为主，其中棱锥式井架由于立根容量低、二层台操作不便等缺陷，无法
适应新形势下的海洋钻井需求。
井架的结构形式与安装方法在许多情况下决定了钻机的结构形式，同时井
架的设计与制造技术也在很大程度上体现了钻机的技术水平。可以说，具有安
装运输与作业方便、可靠、经济、适应性强的新型井架的发展可以推动钻机结
构和钻机技术的迅速发展。因此，为适应新形势下的海洋石油钻井平台的需要，
研制开发适应性强、大吨位、深水海洋钻机井架，就显得尤为重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中海洋井架的结构适应性不
强、无法用于新形势下的海洋钻井工作的缺陷，提供一种海洋瓶颈式塔形井架。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种海洋瓶颈式塔形
井架，其特点在于，所述海洋瓶颈式塔形井架包括井架本体、二层台及桥式吊
机，所述二层台固定在所述井架本体上，所述桥式吊机的轨道横梁布置在所述
井架本体上，所述井架本体在所述二层台的指梁以上，所述桥式吊机的轨道横
梁的高度开始收口，在所述井架本体的拐点以下的立柱采用直立柱的结构，所
述井架本体的杆件形成心相交结构。
较佳地，所述井架本体采用一横截面为正方形的可拆卸式、栓装封闭式钢
结构。
较佳地，所述井架本体包括四根立柱和若干横斜杆件，所述立柱和所述杆
件通过螺栓连成一体。
较佳地，所述井架主体的拐点的角度小于12度。
较佳地，所述二层台包括钻杆指梁区和套管指梁区，且在所述二层台的外
围设有走台，用于作为钻井维修通道。
较佳地，所述钻杆指梁区位于所述井架本体26.5m的高度处，在所述钻杆
指梁区的中部和端部配有气动卡板。
较佳地，所述套管指梁区位于所述井架本体24.5m的高度处。
较佳地，所述海洋瓶颈式塔形井架还包括猴台，所述猴台设置在所述井架
本体的左侧，与所述井架主体上的横梁连接，所述猴台通过升降液缸控制实现
向下翻转90度，并且通过所述升降液缸使得所述猴台实现26.5m、24.5m的两
个高度位置。
较佳地，所述海洋瓶颈式塔形井架还包括挡风墙，所述挡风墙采用块状结
构，由框架和瓦楞板组成。
较佳地，所述海洋瓶颈式塔形井架还包括防坠落装置，用于防止操作人员
坠落。
本发明的积极进步效果在于：
本发明海洋瓶颈式塔形井架比常规的棱锥式井架更具有立根容量足，井口
活动范围大、二层台操作方便。同时，其还能够满足桥式吊机的工作范围覆盖
整个指梁区域。整个井架体由四根立柱和若干横斜腹杆经高强度螺栓连成一整
体，所有杆件形心相交。因而本发明海洋瓶颈式塔形井架的承载能力大，重心
低，整体稳定性好，抗风抗震能力强，可在海上复杂工况下工作。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例
的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为本发明海洋瓶颈式塔形井架的主视图。
图2为本发明海洋瓶颈式塔形井架的右视图。
图3为本发明海洋瓶颈式塔形井架中井架主体的结构示意图。
图4为本发明海洋瓶颈式塔形井架中二层台的布置示意图。
图5为本发明海洋瓶颈式塔形井架中桥式吊机的轨道布置示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发
明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明
还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开
的具体实施例的限制。
图1为本发明海洋瓶颈式塔形井架的主视图。图2为本发明海洋瓶颈式塔
形井架的右视图。图3为本发明海洋瓶颈式塔形井架中井架主体的结构示意图。
图4为本发明海洋瓶颈式塔形井架中层台的布置示意图。图5为本发明海洋瓶
颈式塔形井架中桥式吊机的轨道布置示意图。
如图1至图5所示，本发明的一个实施例中公开了一种海洋瓶颈式塔形井
架10，其包括井架本体11、二层台12及桥式吊机13。其中，二层台12固定
在井架本体11上，桥式吊机13的轨道横梁14布置在井架本体11上。所述井
架本体在二层台12的指梁16以上，桥式吊机13的轨道横梁的高度开始收口，
在井架本体11的拐点15以下的立柱采用直立柱的结构，井架本体11的杆件
形成心相交结构。
进一步地，井架本体11采用一横截面为正方形的可拆卸式、栓装封闭式钢
结构。此处的井架本体11包括四根立柱和若干横斜杆件，所述立柱和所述杆
件通过螺栓连成一体。该井架主体设计遵循API4F规范，结构设计符合AISC
《建筑物钢结构规范》。主体结构采用有限元计算分析，其结果满足海洋环境
下的使用条件。因而其承载能力大，重心低，整体稳定性好，抗风抗震能力强，
适用于海上复杂工况。
井架主体11采用瓶颈式结构，在设置桥式吊机13的轨道横梁14的高度处
开始收口设计。拐点15以下井架立柱采用直立柱结构，在保证井口活动范围
大、立根容量足、二层台12操作方便的同时又能满足桥式吊机13的工作范围
覆盖整个指梁区域，而且井架主体11的拐点15角度优选为10.2度，小于临界
角度12度。
二层台12包括钻杆指梁区16和套管指梁区17，且在二层台12的外围设
有走台，用于作为钻井维修通道。此处的钻杆指梁区16位于井架本体11的
26.5m高度处。可容纳5-1/2″钻杆444柱(12654m)、8″钻铤28m立根4拄
(112m)、9-1/2″钻铤28m立根4拄(112m)、11″钻铤28m立根1拄(28m)。
在钻杆指梁区16的中部和端部配有气动卡板、每柱钻铤配有气动卡板，防止
滑脱。套管指梁区17位于井架本体11的24.5m高度处，可容纳9-5/8″套管
24柱(624m)和一处临时指梁，每柱立根配一个气动卡板。指梁上所配的气
动卡板由司钻房远程屏幕控制卡板的开关，配合桥式吊机实现立根排放自动
化，从而节约钻井人工成本。
指梁容量是井架的主参数之一，是衡量井架钻井作业能力的指标。指梁容
量能满足钻井深度，意味着在正常钻井作业中，免去了接单根的时间。一个立
根通常由三根30英尺长的钻杆组成，接单根的工作可以由排管系统、铁钻工、
动力鼠洞在下钻前空暇时间进行，在下钻时，每次可下一个立根，节约2/3的
上扣时间。
对于高度52m、底跨12.192m、顶跨5.485完全相同的瓶颈式井架和棱锥式
井架，在高度同为26.5m的二层台位置，面积分别是148.6m2和77.8m2,相差为
47.6％。通过在二层台指梁布置，瓶颈式井架二层台12的立根容量171为444
柱(12654m)，以井口为基准，指梁的面积为10.5×5.4(m2)。然而，传统棱
锥式井架的立根容量为218柱(6213m)，以井口为基准，指梁的面积为7.1×3.8
(m2)。由此可以看出，传统棱锥式井架的立根容量仅为本发明瓶颈式井架立
根容量的49％，而且由于空间有限，无法设置套管指梁。瓶颈式结构的塔形井
架由于立根容量足，在钻进时，可连续作业，节约2/3的上扣时间。对于海上
钻井平台，其昂贵的租赁费是以小时计算的，缩短作业周期，就是降低钻井成
本。因此，瓶颈式结构的塔形井架有着极强的市场竞争力。
二层台12的指梁上设有排放立根的气控挡杆装置，以防止立柱从指梁中滑
脱造成事故，同时又能保证立柱排放整齐，便于桥式吊机13的排、送管。井
架主体11配备两个液压千斤顶20，供井架安装时找正、对中调整用。井架主
体11中全部裸露的构件均经热浸锌处理，所有紧固件采用热浸镀锌处理，增
强了井架整体的抗腐蚀能力。井架主体11上还配有立管台、套管扶正液压机
械臂，同时配有通往二层台12、天车台的梯子及防坠落装置30，还配有快绳
稳绳器装置，大钳平衡重等附件。例如，采用大钳平衡重两套，总配重重量为
1000kg，可通过增减配重块，满足重量为50～1000kg不同设备的配重。防坠
落装置30作为操作人员上下井架时的一种安全保护装置，其主要由双保险挂
钩、D型扣、防坠器连接绳及安全带组成。
另外，海洋瓶颈式塔形井架10还包括挡风墙40，挡风墙40采用块状结构，
由框架和瓦楞板组成，可以改善钻井工人、维修工人的操作条件。其结构形式
为左、右、后三方伸出井架，前部在井架主体11的前腿外侧。挡风墙40的高
度设在井架主体11的第五、六、七、八层，主要功能就是改善在二层台12上
作业人员的作业环境。其外形尺寸可以优选为15.53m×14.2m×7.9m。
在井架前部设逃生门两处，对应在逃生平台处。门开在挡风墙40上，侧面
推拉开，门自身带有配重，在打开门扣时，自动缩移，不需外力推动。门扣在
平时安全可靠，紧急时刻能快速开启，方便逃生。
海洋瓶颈式塔形井架10还包括猴台18，猴台18设置在井架本体11的左
侧，整体框架结构，与井架主体11上的横梁连接。猴台18通过升降液缸控制
实现向下翻转90度，并且通过所述升降液缸使得猴台18实现26.5m、24.5m
的两个高度位置。这里所述的液缸带自锁装置，控制装置设在猴台轨道上，高
度位于二层台。
本发明中采用的桥式吊机13设置在井架主体11的高度为33.12m位置上，
设有桥式吊机13的运行轨道131，桥式吊机13的钳头可沿着轨道前后、左右
运动，其运动范围应该覆盖整个指梁区域，完成区域内的排管作业。对于高度
52m、底跨12.192m、顶跨5.485完全相同的瓶颈式井架，在高度为33.12m位
置处，布置瓶颈式井架桥式吊机轨道。瓶颈式井架桥式吊机轨道的轨距为
10.64m、钳头行程2.52m，在指梁区域的覆盖面积为10.6×5.5(m2)，完全覆
盖指梁区域。然而，传统的棱锥式井架桥式吊机轨道的轨距为6.398m、钳头行
程0.396m，在指梁区域的覆盖面积为6.4×3.4(m2)，无法覆盖指梁区域。由
此可见，瓶颈式结构的塔形井架对于设备的安装、使用有着棱锥式井架无法比
拟的结构特点。
同时，33.12m这个高度也是井架拐点的高度，井架拐点的高度确定既能满
足桥式吊机的工作范围，又能保证井架拐点的角度低于临界值12度。如果井
架拐点的角度大于12度，拐点处的水平分力将聚增，局部结构需加强，对材
料的材质、截面要求更高，也进一步提高了设计成本和制造成本。
根据上述结构描述，井架主体11的结构形式为井口对中布置，瓶颈式桁架
结构，井架主体11的拐点高度为33.12m.各构件采用高强度防松、防锈蚀(热
侵锌)螺栓连接。
井架主体11的收口(拐点)高度的确定，首先应高于二层台12，以保证
指梁容量满足钻井深度，井口活动范围大、二层台操作方便。同时又能满足桥
式吊机的工作范围覆盖整个指梁区域，而且井架拐点的角度应小于临界角度12
度。
同时，井架主体11分为5段，除第三段井架拐点焊接后长度为12.42m外，
其余各段长度均在12m以内。段与段之间、横梁与立柱之间、斜梁连接采用高
强度防松、防锈蚀(热侵锌)螺栓连接。
二层台指梁的高度位置确定在26.5m，低于井架拐点，指梁容量为12654m，
满足钻井深度12000m。由于立根容量足，在钻井作业时，可连续作业，节约
2/3的上扣时间，缩短作业周期，有效地降低钻井成本。桥式吊机的钳头可沿
着轨道前后、左右运动，它的运动范围应该覆盖整个指梁区域，完成区域内的
排管作业。
由于海洋石油钻井作业长期处于海洋环境中，井架作为海洋石油装备的关
键部件，不仅受工作载荷、同时风载荷和波浪载荷的作用影响也很大。因此对
井架主体材料的要求是这次设计研发首先要解决的问题。同时要解决的问题还
有井架在海上承受酸碱、潮湿、盐雾、高低温、冰雪等作用下，腐蚀严重，需
要做特殊的防腐处理以及井架紧固件的防松。
为了满足井架在海洋环境及低温条件下的整体性能以及主要设备安装处
井架应具有足够的强度和刚度，制定了相应的材料规范，确保材料具有足够的
强度、塑性、低温冲击韧性。
在井架结构设计中，充分考虑到风、波、流等对井架的影响，在设计初期，
通过建模，对井架作业及拖航状态进行仿真分析，严格按API4F规范要求，选
定环境因素、确定设计工况、计算设计载荷；建立完整的有限元模型，按AISC
钢结构规范对所有结构件进行强度校核；根据有限元输出的节点力对螺栓连
接、关键焊缝进行校核。力求井架在满足静态、动态的载荷情况下，主材料采
用最合理的截面，达到降低井架重量的目的。
针对井架在海洋平台使用的特殊性，在设计中，首先加强井架的结构防腐
设计，参照相关标准，采用“整体”热浸锌的涂装防腐工艺。并通过加强检测
手段，提高井架的防腐耐久性和表面美观。
在上述结构的基础上，实际操作中还需要对井架的结构进行强度校核，井
架结构的强度校核严格按API4F规范要求：选定环境因素、确定设计工况、计
算设计载荷；建立完整有限元模型，按AISC钢结构规范对所有结构件进行强
度校核。
井架的载荷通常分为4类：静载荷、作业载荷、风载及惯性载荷。根据其
作业情况及环境载荷影响工况分为5种：作业、预期、非预期、吊装及运输。
另外，还需要对环境因素进行确定。井架安装在海洋钻井平台的钻台上，
主要受风载荷的作用，在拖航工况下亦会受到平台横摇、纵摇及升沉的影响。
井架的结构安全等级为E1/U1,产品规范等级:PSL1,保存工况(无钩载、无立根)
风速为51.5m/s(100kn)；作业工况(满钩载、无立根)风速为36m/s(70kn)；
拖航工况风速为36m/s(70kn)，摆角为15°，周期为10s。长期作用在井架上
的不变载荷，包括井架本身的重量以及安装在井架上各种设备和工具的自重。
在本发明海洋瓶颈式塔形井架进行钻井工作情况下，其井架结构产生的载
荷如下表一所示。
载荷
定义
大小
最大额定静钩载/kN
作用在井架结构上最大静载荷
9000
工作绳拉力/kN
最大钩载下快绳和死绳产生的合力
616.7
立根载荷/kN
立根自重水平分力
210.8
顶驱转矩/N.m
顶驱工作时对导轨产生的转矩
183035
HTVA转矩/N.m
HTVA工作时对导轨产生的转矩
55687
表一
另外，本发明海洋瓶颈式塔形井架的风载荷如下：
API4F规定了风载荷的计算方式，对每种工况的风载荷，不同结构安全等
级的最大额定设计风速Vdes将采用设计基本风速Vref乘以海上系数a荷隙的
方法确定。所有工况的风向均可来自任意方向。风速值应代表3秒阵风，在开
阔水面上10m基本高度结合100年的重现期来对暴风雨母体进行测量。
风力应作用于整个结构，应用逐件设计法的风力矢量和进行估算，风力按
下列公式和表进行计算：
Fm＝0.6115×Ki×(Vd×β)2×Cs×A
Fi＝Gf×Ksh×∑Fm
Fm风力，位于独立构件纵轴法线上，或位于附属物投影面积法线上；
Ki独立构件纵轴与风之间倾角系数；
β高度系数；
Cs形状系数；
Ft作用在每个独立构件及钻井结构的附件上的风力矢量和；
Gf空间相干性的阵风影响系数；
Ksh构件或附件屏蔽和纵横比修正系数；
当井架在拖航的时候受到波浪引起的横摇、纵摇及升沉产生的惯性载荷，
动力应由下列组合而成：纵向动力，纵摇待起伏；横向动力，横摇带起伏；斜
向动力与起伏组合，除非采购方另有规定，斜向动力应按纵向力和横向力的平
方和的平方根来确定。
设计工况按API4F第7节要求，结合项目设计参数定义设计工况如下表二
所示。
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表二
井架的有限元计算：API4F规定钢结构设计应符合AISC335-89。对于操
作及安装条件，许用应力修正因子不应增加，对于运输条件，许用应力可以比
基本许用应力增加三分之一，对于不可预期和预期的设计暴风条件，许用应力
可以比基本许用应力增加三分之一。
本项目选用SACS海洋结构有限元计算软件，SACS提供单元UC值，综
合考虑了单元受拉、压、剪切、压弯、拉弯等各种载荷情况的计算结果，完全
遵循AISC335-89规范要求。
井架有限元模型包含载荷、单元特性、模型几何图与连贯性、单元有效长
度系数及符合设计工况。有限元计算结果包括支反力、各单元节点力、井架变
形和井架各单元UC值。井架结构件UC值都小于1，大于0.8。
井架主体设计遵循API4F规范，结构设计符合AISC《建筑物钢结构规范》。
主体结构采用有限元计算分析，其结果满足海洋环境下的使用条件。设计依据
“安全、可靠、先进、方便、经济”，满足HSE要求。井架体为瓶颈式塔形结
构，由H型钢作为井架体立柱，整个井架体由四根立柱和若干横斜腹杆经高强
度螺栓连成一整体，所有杆件形心相交。因而承载能力大，重心低，整体稳定
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，适
用于海上复杂工况下作业。在提高井架的适应性的同时，还充分考虑到设备的
安装、使用，以及作业时各个设备之间动作的衔接，尽可能缩短作业周期、降
低作业成本。因此，9000kN海洋塔形井架的设计、研发、制造，对于进一步提
高中国品牌的竞争力和影响力有着极其深远战略意义。
综上所述，本发明在井架的设计研发中，为实现井架结构模块化，拆装快
速化、海运方便等特点，井架所有构件采用高强度(热浸锌)螺栓连接。于是
井架紧固件的防松也是这次研发设计中必须解决的问题，通过计算、试验，最
终确定井架连接螺栓的防松措施采用“转角法”，避免高强度螺栓因采用扭矩
法紧固而受力离散较大的缺陷。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，
这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的
技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多
种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。