ZJ90D型鉆機(jī)整體拖移力學(xué)計(jì)算

李富平，高學(xué)仕，王 棟，石美玉

（1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017） ①

ZJ90D型鉆機(jī)整體拖移力學(xué)計(jì)算

李富平1，高學(xué)仕1，王 棟2，石美玉1

（1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）①

鉆井結(jié)束后鉆機(jī)要進(jìn)行拆卸、運(yùn)輸?shù)竭_(dá)新的井位，對(duì)于井位相距較近的，浪費(fèi)了時(shí)間和資源，可采取整體拖移鉆機(jī)到新的井位。應(yīng)用ANSYS對(duì)ZJ90D型鉆機(jī)在滿立根狀態(tài)下的整體拖移進(jìn)行計(jì)算，分析其應(yīng)力及變形分布情況。結(jié)果表明：在拖移過程中，該鉆機(jī)的應(yīng)力及變形較小，強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足要求。

鉆機(jī)；整體拖移；力學(xué)計(jì)算

為了提高鉆井效率，節(jié)省資源，對(duì)于近距離井位的鉆機(jī)遷移，可不需要拆卸運(yùn)輸，而進(jìn)行鉆機(jī)的整體拖移。本文應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)ZJ90D型鉆機(jī)在滿立根狀態(tài)下的整體拖移進(jìn)行計(jì)算，分析其應(yīng)力及變形的分布情況，考核其在拖移過程中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿足要求。計(jì)算結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)鉆機(jī)的整體拖移提供有力的依據(jù)。

1 初始條件

1） 鉆機(jī)設(shè)備總重力G＝9 000kN。

2） 拖移接觸面為鋼板，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，鋼與鋼之間的摩擦因數(shù)為0.10～0.15，取其靜摩擦因數(shù)為μJ＝0.15，滑動(dòng)摩擦因數(shù)為μD＝0.12。

3） 推薦拖移過程速度為1.39mm／s（按5 m／h），假設(shè)鉆機(jī)整體在1s中內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)獲得該速度，所以加速度a＝1.39／1＝1.39mm／s2。

4） 拖移過程中除承受自重力外，還承受16.5 m／s（32節(jié)）的風(fēng)載荷［1］。風(fēng)向?yàn)閺木芮伴_口向后吹風(fēng)是最惡劣工況。

5） 二層臺(tái)指梁處排滿立根，其受力如圖1所示。

6） 鉆機(jī)整體拖移時(shí)，拉力點(diǎn)位于鉆臺(tái)底座下層的前側(cè)。

圖1 二層臺(tái)受力示意

2 拖移方式及受力分析

鉆機(jī)整體拖移是在鉆機(jī)底部整體鋪上鋼板，用拖車?yán)系醵沟鬃阡摪迳暇徛?，鉆機(jī)整體拖移方式如圖2所示。

鉆機(jī)在整體拖移過程中，要承受自重力、環(huán)境風(fēng)載荷、摩擦力以及拖移拉力。這些載荷均通過ANSYS命令流施加在模型上［2－3］。

鉆機(jī)整體拖移需克服的靜摩擦力為

鉆機(jī)整體拖移需克服的動(dòng)摩擦力為

鉆機(jī)整體從靜止到運(yùn)動(dòng)需要克服最大靜摩擦力，所以拖移的外界拉力應(yīng)遵循圖3所示的拉力時(shí)間變化。

圖2 鉆機(jī)整體拖移方式

圖3 拉力－時(shí)間關(guān)系曲線

3 ANSYS計(jì)算結(jié)果

經(jīng)有限元計(jì)算，得到TIME＝1時(shí)刻（即時(shí)間歷程1s時(shí)刻）的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 鉆機(jī)整體拖運(yùn)應(yīng)力云圖（TIME＝1）

由圖4可以看出，拖移過程中最大應(yīng)力出現(xiàn)在井架二層臺(tái)指梁處，最大應(yīng)力值128MPa。

為了方便觀察井架及底座的瞬態(tài)位移響應(yīng)［4］，分別取井架天車梁節(jié)點(diǎn)、二層臺(tái)節(jié)點(diǎn)、鉆臺(tái)面井架大腿鉸支節(jié)點(diǎn)和底座中層立支架節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)，如圖5～8所示。

圖5 天車梁位移響應(yīng)

圖6 二層臺(tái)位移響應(yīng)

圖7 井架大腿鉸支點(diǎn)位移響應(yīng)

圖8 底座中層立支架位移響應(yīng)

從圖5～8可以看出，在1s時(shí)刻各曲線均出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，說明該時(shí)刻振動(dòng)最劇烈，在鉆機(jī)上的位置如圖9所示，對(duì)應(yīng)該時(shí)刻的前10個(gè)較大應(yīng)力桿件應(yīng)力如表1所示。

圖9 前10個(gè)較大應(yīng)力桿件在鉆機(jī)上的位置

表1 前10個(gè)較大應(yīng)力桿件應(yīng)力 MPa

4 結(jié)論

1） 最大應(yīng)力發(fā)生在二層臺(tái)指梁處215、216號(hào)單元，最大應(yīng)力值為128MPa，該單元材料為Q235－B，材料屈服極限235MPa，安全系數(shù)為1.84。其次，立根盒前梁、底座中層立支架、前立柱、斜立柱的應(yīng)力也較大，但均小于材料的許用應(yīng)力，有較高的安全系數(shù)，滿足整體拖移的要求。

2） 整體拖動(dòng)的瞬間（TIME＝1）結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)，但位移響應(yīng)較小，拖動(dòng)平穩(wěn)。

3） 按推薦速度1.39mm／s、滿立根狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)該鉆機(jī)整體設(shè)備的安全可靠拖移。

［1］ API Spec 4F，鉆井和修井結(jié)構(gòu)規(guī)范［S］.2008.

［2］ 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 尚曉江，邱 峰，趙海風(fēng)，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］.2版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［4］ 吳 昌，艾志久，陳海林，等.JJ250／42－K型井架動(dòng)態(tài)特性分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（11）：19－23.

Mechanics Computation of Whole Tows Moves for ZJ90D Drilling Rig

LI Fu－ping1，GAO Xue－shi1，WANG Dong2，SHI Mei－yu1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，ChinaUniversity of Petroleum，Dongying257061，China；2.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administration，Dongying257017，China）

Generally speaking，after the well drilling has ended，the drilling machine must be disassembled and transported to arrive at anew well position.But for the wells that are short distance，it wastes plenty of time and the resources.A method for the whole tows moves was proposed，calculating the whole tows moves for the ZJ90D drilling machine with full pipe setback by ANSYS，analyzing its stress and the distortion distributed.The result indicated：during the whole tows moves，the stress and the distortion were small，the intensity and the stability satisfy the request.

drilling rig；whole tows moves；mechanics compute

1001－3482（2011）08－0029－03

TE922

A

2011－02－22

李富平（1987－），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事石油鉆采機(jī)械的研究，E－mail：li－fp＠163.com。