ZJ90/6750DB型鉆機井架及底座強度分析

李文彪，高永杰，史楠楠，鄭永譚，聶永晉

(渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)①

ZJ90/6750DB型鉆機井架及底座強度分析

李文彪，高永杰，史楠楠，鄭永譚，聶永晉

(渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)①

結(jié)合ZJ90 /6750DB型鉆機工程實例，建立力學(xué)模型并計算出起升工況下快繩和起升大繩拉力，以及主要桿件最大受力，對井架和底座主要桿件進行初步校核。使用SCAS軟件對井架和底座進行在位和起升的詳細結(jié)構(gòu)校核。計算結(jié)果為鉆機的設(shè)計制造及可靠性分析提供理論依據(jù)。

井架；底座；鉆機起升；強度校核

ZJ90/6750DB型鉆機的名義鉆探深度達到9 000 m，可承受6 750 kN鉤載。井架和底座作為鉆機主要支撐結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)材料，在保證安全的情況下，鉆機某些部件質(zhì)量和外形尺寸無法滿足用戶運輸要求。為了減輕質(zhì)量和減小外形尺寸，ZJ90/6750DB型鉆機部件材料采用海洋高強度鋼，因此，進行井架底座的強度校核是必要的。

1 井架及底座結(jié)構(gòu)

1.1 主要參數(shù)

名義鉆深

9 000 m

最大鉤載

6 750 kN

提升系統(tǒng)最大繩系

7×8

鉆臺高度

12 m

鉆臺面積

13.8 m×12 m

1.2 鉆機結(jié)構(gòu)

ZJ90/6750DB型鉆機采用傳統(tǒng)分片式前開口“K”形井架，底座采用平行四邊形起升方式，井架底座配人字架。

井架為前開口型無繃繩井架，井架后腿坐落在人字架頂端，前腿與人字架前腿坐落在底座頂層，形成穩(wěn)固三角支撐結(jié)構(gòu)。該井架由5段組裝而成，段與段和背扇與各段由雙耳板、雙錐銷連接井架。井架采用低位水平安裝，支腳在鉆臺上，依靠絞車動力，通過鉆臺面上的人字架和起升繩系整體起放井架。

底座分為頂、中、底3層。底層分為左右下座及連桿部分，中層包括前后立柱、斜支架、立支架、斜支架，頂層包括左右上座、立根盒梁、轉(zhuǎn)盤梁、絞車梁。底座采用低位安裝方式，先將前立柱、后立柱、斜立柱和斜拉桿用8個銷子連接底層和頂層，在安裝好鉆臺設(shè)備之后，起升井架。井架起升完畢后，以井架底層立支架下端的兩個液壓絞車為起升動力，帶動底層、頂層與前立柱、后立柱、斜立柱、斜拉桿構(gòu)成的平行四邊形發(fā)生變化，將鉆臺起升到工作位置。

2 設(shè)計計算

2.1 井架和底座起升力計算

2.1.1 井架起升工況

井架起升原理示意如圖1。以井架整體為研究對象，如圖2所示，建立力矩平衡方程為

G×L4-F3×L3-F2×L2-F1×L1=0

式中：G為井架上所有參與起升部件的重力，F(xiàn)2和F3為起升大繩起升時的受力，F(xiàn)1為天車快繩拉力，L1、L2、L3、L4為井架支座對應(yīng)F1、F2、F3、G的力臂。

圖1 井架起升原理示意

圖2 井架起升所受外力示意

以起升時大鉤為研究對象，建立力平衡方程。

F2=F3=2×F/2cosβ

式中：F為井架起升時的鉤載。

本鉆機提升系統(tǒng)最大繩系7×8，承載繩根數(shù)為14，此時效率為0.755，快繩拉力為

井架鉤載

通過建立三角形幾何關(guān)系，建立L1、L2、L3、L4、β對α的函數(shù)式，通過Excel計算，鉤載如圖3，起升大繩拉力如圖4，絞車快繩拉力如圖5。

圖3 井架起升過程鉤載曲線

圖4 井架起升過程大繩拉力曲線

圖5 井架起升過程絞車拉力曲線

以人字架為研究對象，人字架所受外力如圖6所示。F1為天車快繩拉力，快繩跨過人字架橫梁與絞車相連。F4和F5為人字架前后腿所受軸向力。

根據(jù)圖6建立平衡方程。

F4=F1×cosγ3+F2×cosγ2+F3×

cosγ1-F1×cosγ5+F5×cosγ4

圖6 井架起升過程人字架所受外力示意

2.1.2 底座起升工況

底座起升原理如圖7。在底座起升結(jié)構(gòu)中，前后立柱和斜支架均起到支撐作用，在此考慮結(jié)構(gòu)安全性，僅考慮前后立柱在起升結(jié)構(gòu)中的作用。

圖7 底座起升原理示意

以頂層和頂層部裝置為研究對象，將系統(tǒng)簡化為只有前后立柱和頂層起升滑車拉力的系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 底座起升受力示意

圖中GD為底座的集中重力；P為滑車拉力，PX、PY為滑車拉力在水平和豎直方向的分力；FD1為前立柱拉力，F(xiàn)D1X、FD1Y為前立柱拉力在水平和豎直方向的分力；FD2為后立柱拉力，F(xiàn)D2X、FD2Y為后立柱拉力在水平和豎直方向的分力。

建立平衡方程為

建立幾何方程為

(FD1Y+FD2Y)=(FD1+FD2)×tanα1

滑車拉力為

對前立柱支點取矩，在豎直方向建立平衡方程。

-PYl1-GDl2+FD2Y(l2+l3)=0

對后立柱支點取矩，在豎直方向建立平衡方程。

-PY(l1+l2+l3)-FD1Y(l2+l3)+GDl3=0

以起升三腳架為研究對象，起升三腳架所受外力如圖9所示。FD3為立支架支反力，F(xiàn)D4為斜支架支反力，建立平衡方程為

FD3=FD4×sinγ-P×sinβ1

圖9 起升三腳架示意

通過Excel計算，底座中層起升力如圖10，底座起升滑車拉力如圖11。

圖10 底座起升中層立柱起升力曲線

圖11 底座起升滑車拉力曲線

根據(jù)計算，在井架起升角度和底座起升角度最小時起升力最大，相應(yīng)參與起升的桿件也是在剛剛起升時所受的拉力或壓力最大。人字架后腿和中層三腳架前腿為受拉桿件，可按照受拉二力桿進行校核。根據(jù)材料力學(xué)壓桿穩(wěn)定校核方法，可知人字架前腿中層前后立柱和三角架后腿均滿足壓桿穩(wěn)定條件。

2.2 有限元計算

2.2.1 有限元模型

根據(jù)井架和底座設(shè)計結(jié)構(gòu)，簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)連接點建立結(jié)點，在鉸接點釋放相應(yīng)自由度。井架和底座在起升初始位置時桿件的受力最大，因此利用軟件計算井架和底座起升在初始位置的最大受力工況。

結(jié)構(gòu)坐標系遵循右手定則建立，以地面井口中心為坐標原點，面對大門坡道方向為x軸的正方向，面對大門坡道方向右側(cè)為y軸，垂直向上為z方向，有限元模型如圖12。

2.2.2 設(shè)計載荷

1) 鉆井組件靜載荷。使用所建立的井架底座有限元模型靜載荷，并在井架上添加相應(yīng)的附件和設(shè)備質(zhì)量。

2) 最大額定靜鉤載FG=6 750kN。包含游動設(shè)備載荷(適用時，在所有載荷工況中游動設(shè)備和從橫梁上懸掛下來的鋼絲繩的質(zhì)量產(chǎn)生的載荷 FTE=150kN) 。

3) 最大轉(zhuǎn)盤額定靜載荷FZ=6 750kN。

4) 最大額定立根載荷。立根盒立根載荷W=3 200kN；二層臺立根靠力Fh=W/4×tan2°(立根在x、y方向的斜靠角度按2°考慮)。

5) 環(huán)境載荷。對于陸地鉆機，主要考慮風(fēng)載荷，根據(jù)API規(guī)范，設(shè)計風(fēng)速如表1。本計算選取每隔45°、8個方向?qū)︺@機加載風(fēng)載荷。

表1 不帶繃繩輕便井架海岸最小設(shè)計風(fēng)速 m/s(節(jié))

6) 起升載荷。通過2.1.1節(jié)和第2.1.2節(jié)數(shù)值計算的起升載荷，將計算結(jié)果施加在相應(yīng)井架起升天車位置和底座起升的滑車上。

圖12 井架底座有限元模型

2.2.3 設(shè)計工況

跟據(jù)API 4F規(guī)范，鉆井結(jié)構(gòu)使用以下載荷的組合設(shè)計：

1) 操作工況1a。靜載荷+靜鉤載FG+立根載荷(W+Fh)+環(huán)境載荷(風(fēng)速16.5 m/s)。

2) 操作工況1b。靜載荷+游動設(shè)備載荷FTE+轉(zhuǎn)盤載荷FZ+立根載荷(W+Fh)+環(huán)境載荷(風(fēng)速16.5 m/s)。

3) 預(yù)期工況2。靜載荷+游動設(shè)備載荷FTE+轉(zhuǎn)盤載荷FZ+環(huán)境載荷(風(fēng)速38.6 m/s)。

4) 不可預(yù)期工況3。靜載荷+游動設(shè)備載荷FTE+轉(zhuǎn)盤載荷FZ+立根載荷(W+Fh)+環(huán)境載荷(風(fēng)速30.7 m/s)。

5) 井架起升工況。靜載荷+井架起升載荷+環(huán)境載荷(風(fēng)速16.5 m/s)。

6) 底座起升工況。靜載荷+底座起升載荷+環(huán)境載荷(風(fēng)速16.5 m/s)。

2.3 計算結(jié)果

通過對鉆機井架和底座載荷定義和工況組合后，在SACS軟件中進行結(jié)構(gòu)計算，該軟件可根據(jù)相應(yīng)規(guī)范計算出每個單元設(shè)計載荷和組合工況的最大UC值。井架起升時人字架前腿、井架1、2段前腿UC值0.70～0.99，其余結(jié)構(gòu)UC值均在0.7以下；底座起升工況中起升三腳架后腿UC值0.70～0.99，其余結(jié)構(gòu)UC值均在0.7以下。

根據(jù)計算可以看出，單元最大UC值均小于1，可以判定井架和底座各單元結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

4 結(jié)論

1) 通過對鉆機起升的強度計算可知，控制鉆機的質(zhì)量對鉆機起升的安全性十分重要，同時要考慮結(jié)構(gòu)安全性，材料費用和結(jié)構(gòu)實用性的最佳綜合點，是設(shè)計工作的首要任務(wù)。

2) 通過SCAS設(shè)計軟件計算，結(jié)合API 4F規(guī)范，能夠?qū)ξｋU結(jié)構(gòu)進行前期設(shè)計核算和修改，同時結(jié)合后期現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比分析，計算數(shù)值偏差較小。SCAS軟件滿足鉆機設(shè)計要求。

3) 井架和底座經(jīng)過校核，高強度海洋材料滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，為今后鉆井設(shè)備設(shè)計開發(fā)提供新思路。

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

[2] 劉鴻文.材料力學(xué)(上、下冊)[M].3版.北京：高等教育出版社，1992.

[3] 張學(xué)軍，陳孝珍.ZJ70DB型鉆機井架起升過程有限元仿真分析[J].石油礦場機械，2008，37(12)：35-38.

[4] 王路林，高學(xué)仕，王佐祥.井架起升過程的有限元仿真分析[J].石油礦場機械，2006，35(2)：20-22.

[5] 楊敬源，常玉連，劉玉泉，等.彈弓式底座起升機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計計算[J].石油機械，1992(10)：1-11.

[6] 鄒龍慶，付海龍，任國友.JJ160/41-K型井架有限元分析與承載能力研究[J].石油礦場機械，2004，33(6)：33-35.

[7] 吳 昌，艾志久，陳海林，等.JJ250/ 42-K 型井架動態(tài)特性分析[ J].石油礦場機械，2009，38( 11)：19-23.

ZJ90/6750DB Drilling Rig Derrick and Substructure Strength Analysis

LI Wenbiao，GAO Yongjie，SHI Nannan，ZHENG Yongtan，NIE Yongjin

(China Petroleum Liaohe Equipment Company，Panjin 124010，China)

In this paper，ZJ90 /6750DB as research object，establishment mechanical model are used to calculate the fast rope and wire rope tension force and calculate the maximum force of main beam in lifting condition.A preliminary check of main beam for the mast and substructure is given.Then these detailed checks using SACS software in raising and in-place condition are given as well.The result provides theoretical basis for the rig design and manufacture.

drilling derrick;substructure；rig lifting；strength analysis

1001-3482(2016)12-0028-05

2016-07-21

渤海石油裝備制造有限公司科技項目“9000米輕型變頻電驅(qū)鉆機研制”( Y-13M000205)

李文彪(1980-)，男，吉林德惠人，碩士研究生，現(xiàn)從事石油鉆采設(shè)備和海工產(chǎn)品方面的設(shè)計工作，E-mail：liwenbiao1980@163.com。

TE923

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.008