一種新型快移鉆機的結構設計

王永華　熊躍峰

摘要：快速移運鉆機作為新型石油鉆機的一種形式，具有搬遷速度快、成本低、節(jié)省拆裝時間及有效人工勞動強度等優(yōu)勢，近年來研發(fā)速度加快，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。該快移鉆機使用整體拖掛移運，底座采用箱疊式結構，大大節(jié)省了拆裝、搬家的時間及費用。整體移運時，井架既可以直立也可以放倒，同時這類鉆機也適用于沙漠環(huán)境。

關鍵詞：石油鉆機；快速移運；拖掛；伸縮；結構設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE922 文章編號：1009-2374（2016）16-0041-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.019

目前絕大多數(shù)的陸地鉆機鉆完一口井后就需要搬家，移運到下一口井。在鉆機的使用壽命期內(nèi)，搬家、拆卸、運輸和安裝所耗費的時間占了相當大的比例。因此，如何以最少的時間快速高效地移動，運送石油鉆井設備，延長鉆機的使用壽命，使鉆井成本降為最低，成為擺在鉆井工程人員面前的關鍵問題。

一般來說，快速移運鉆機根據(jù)現(xiàn)場使用環(huán)境、運輸距離及井位布局情況，主要分為輪式和步進式兩種移運模式。在運輸條件好，井位距離相對較遠時，適宜采用輪式移運，輪式移運分為半拖掛和全拖掛兩種，中小型鉆機由于運輸負荷和外形尺寸相對較小，一般采用半拖掛形式；深井鉆機采用全拖掛移運形式。在運輸距離相對較近或鉆叢式井時，適宜采用步進式移運，步進式移運可以在井架直立的狀態(tài)下移動。

目前油田用井架、底座的拖掛移運大多都是單獨移運，由于井架重心高，搬家前在移動到拖車裝置上時可靠性差，到井場后還要再次將井架與底座組裝。而整拖鉆機由于井架不下放、運輸高度過高，不同鉆機類型運輸高度至少大于40m。而車載鉆機是井架與主機模塊（包含絞車、柴油機、減速箱等設備）一起運輸，底座必須解體成零部件運輸。另外，由于車載鉆機井架都是有繃繩井架，無法在沙漠環(huán)境使用。

因此，為滿足能把井架放倒運輸，天車、井架、底座、絞車、游車、大鉤、頂驅、轉盤及傳動裝置、主機高壓管匯、主機液氣路等能整體運輸（包括在沙漠環(huán)境），且運輸總高度小于12m，開發(fā)一種符合這些要求的拆裝時間短、運輸高度低、移運效率高且適用于沙漠環(huán)境的鉆機就很有必要。

1 結構說明

底座為箱疊式結構，底部開口與井架開口一致便于整體拖運時通過采油樹。

井架分兩段，采用無繃繩套裝伸縮結構，使用液缸起升。井架上段可由液缸控制伸縮，在井架下放前、運輸時收回井架上段，二層臺可翻轉結構，降低了運輸高度、長度，使運輸時有更好的安全性。

2 結構分析

2.1 主要參數(shù)

底座臺面高度：7m

井架有效高度：35m

最大轉盤載荷：1580kN

額定立根載荷：1350kN

最大額定靜鉤載：1580kN

2.2 基于SAFI進行有限元分析

基于鋼結構有限元分析軟件SAFI對底座、井架、天車部件進行計算。

SAFI軟件是加拿大建筑結構軟件公司開發(fā)的有限元軟件，廣泛應用于各類鋼結構計算分析。SAFI軟件集成了API SPEC 4F以及美國鋼結構協(xié)會AISC《鋼結構手冊》等規(guī)范。SAFI軟件有著廣泛的應用，可以方便地自動完成加載、計算、校核，能夠很好地完成結構設計的理論分析。

SAFI軟件可以采用圖形用戶交互方式建立模型，然后加載運算。對于井架，可以直接建立有限元模型，使用軟件提供的單元庫（各種型材截面），也可以自己定義單元截面。軟件可以做普通有限元軟件所作的結構有限元分析，同時提供了方便用戶的綜合檢驗Limit states值（Limit states就是下文中所說的Uc值），只要Uc值不超過1，單元的強度就滿足要求。

2.3 校核方法的確定

鋼結構設計符合《鋼結構建筑規(guī)范——許用應力設計和塑性設計》（AISC 335-89），用AISC 335-89的許用應力設計部分來確定許用單位應力。對梁單元考慮其彎曲及剪切。對受壓彎桿件強度校核按AISC 335-89中第H章H1.的有關公式對危險桿件進行校核。如下：

Uc= （1）

Uc= （2）

當fa/Fa≤0.15時，可用式（3）代替式（1）和（2）：

Uc= （3）

式中：

Fa——只有軸心力存在時允許的軸心壓應力

Fb——只有彎矩存在時允許的彎曲壓應力

Fe′=等于除以安全系數(shù)的歐拉應力，ksi（在Fe′的表達式中，lb是在彎曲平面內(nèi)的實際無支撐長度，rb是相應的回轉半徑，K是在彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù)，如同F(xiàn)a、Fb和0.60Fy的情況一樣，在風載和地震載荷作用下，F(xiàn)e′可增大1.33倍）

fa——算得的軸向應力

fb——在所考慮點的計算壓縮彎曲應力

Cm——系數(shù)，見AISC 335-89的第H章H1.，對井架構件取Cm=1.0

Fa按AISC 335-89第E章如下公式計算：

當Kl/r當Kl/r>Cc時：

式中：

K——在彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù)

l——在彎曲平面內(nèi)的實際無支撐長度

r——回轉半徑

Cc——區(qū)分彈性與非彈性屈曲的柱的

E——鋼材長細比的彈性模量

Fbx和Fby按AISC 335-89第F章確定。

綜上所述，Uc值是構件的綜合校對值，計算Uc≤1認為該構件強度、剛度滿足要求，若Uc值>1，且應力值也較大，則該構件須加強后重新校對。

2.4 模型處理

該結構主要是由天車、井架、底座等組成的整體空間鋼架結構。為了便于進行有限元分析，對力學模型做以下處理：（1）井架為剛架結構，井架各桿件之間連接可靠，近似為剛性連接；（2）二層臺和天車在建模時與井架合為一體，鉤載、快繩力和死繩力通過天車作用到井架及底座上。立根靠力和立根風力通過二層臺作用到井架上；（3）天車、井架、底座附件，如梯子總成、大鉗平衡重、套管扶正臺等建模時全部忽略掉，在計算時將天車、井架、底座自重乘以一定的放大系數(shù)（如1.4），以考慮這些附件的重量影響；（4）根據(jù)截面尺寸不同，把各桿件劃

分為寬邊工字鋼、矩管、圓管、槽鋼、角鋼等單元類型。

2.5 計算結果

計算結果如表1所示：

2.6 傾覆和滑移驗算

該鉆機用于提供抵御傾覆和滑移的靜載荷最大值均取設計最小載荷的90%，在計算最小重量時不計可選結構和設備，且流體儲罐等容器是按無流體來考慮的即只計算設備的干重。本鉆機提供穩(wěn)定力矩的是鉆井結構件重量除去可選設備（如立根等），提供穩(wěn)定力矩的主要包括底座、井架、天車、絞車等設備的干重。對比各工況，預期工況下環(huán)境載荷（風速47.8m/s）提供傾覆與滑移載荷最大，若預期工況下傾覆與滑移滿足要求，則在其余工況下也滿足要求。

2.6.1 傾覆驗算。預期工況風載作用力矩及抗傾覆計算結果分別見2、表3。

通過上述計算分析可知，抗傾覆安全系數(shù)最小為2.69，均大于1.25，該結構滿足API Spec 4F關于傾覆的要求。

2.6.2 滑移驗算。該底座支撐在地面上，進行滑移驗算時靜摩擦系數(shù)取0.15。鉆井結構件的抗滑移阻力F：

F=N×0.9×0.15

式中：

N——0.9倍設備干重提供的正壓力

F——抗滑移阻力

預期工況抗滑移計算結果見表4：

通過上述計算分析可知，抗意外滑移安全系數(shù)最小為1.28，均大于1.25，該鉆井結構滿足API Spec 4F關于意外滑移的要求。

3 結語

（1）該結構融合了車裝鉆機和整拖鉆機的優(yōu)點，井架采用兩段套裝伸縮，無繃繩，縮小運輸時的長度尺寸，使鉆機運輸高度和長度大大減?。唬?）主機（含井架、底座、絞車、動力及傳動系統(tǒng)）整體移運，井架下放后運輸高度僅8.5m，也可在井架直立情況下整體移運，同時滿足沙漠環(huán)境使用要求；（3）該配置打破快移鉆機傳統(tǒng)，底座采用箱疊式結構，節(jié)省了拆裝、起放時間；（4）與常規(guī)搬家時間相比，可以大大縮短鉆機搬家的時間，不僅鉆井作業(yè)效率提高，而且節(jié)約了搬家費用；（5）通過以上計算分析，結構設計合理，選材經(jīng)濟合理，強度、剛度滿足使用要求。

參考文獻

[1] 侯依甫.鉆井和修井井架、底座設計指南[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005.

[2] 陳如恒，沈家駿.鉆井機械的設計計算[M].北京：石油工業(yè)出版社，1995.

[3] 余利軍，王嘉.套裝伸縮式鉆機井架的研制及應用

[J].石油機械，2003，31（3）.

[4] 劉欽祥，張興勇.ZJ40CZ/K直立無繃繩4000m車裝鉆機的研制[J].石油機械，2007，35（6）.

[5] SY/T 5609-1999石油鉆機基本參數(shù)[S].

[6] SY/T 6584-2003車裝鉆機[S].

[7] API Spec 4F.Specification for Drilling and Well Servicing Structures[S].

[8] AISC 335-89.Specification for Structure Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design[S].

[9] AWS D1.1M：2010.Structural Code-Steel[S].