雙升式鉆機(jī)井架起升過(guò)程受力研究

趙磊 江苗苗 王柳 王龍庭

1、中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司2、勝利油田富邦實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司3、中國(guó)石油西南油氣田分公司蜀南氣礦4、中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院

油田井架是石油工業(yè)設(shè)備中重要的組成部分 ,它是大型剛性框架結(jié)構(gòu). 底座支撐著井架 、絞車(chē)和轉(zhuǎn)盤(pán)，根據(jù)底座的起升方式 ，鉆機(jī)主要可分為雙升式鉆機(jī) 、旋升式鉆機(jī) 、隨升式鉆機(jī) 、箱疊式鉆機(jī)等[1-3]。由于雙升式鉆機(jī)的井架位于底座頂層，在起升過(guò)程中受環(huán)境影響因素較大 ，起升載荷較大 ，缺乏安全可靠性 ，因此對(duì)雙升式鉆機(jī)的井架起升過(guò)程進(jìn)行受力研究具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 有限元模型建立

建模的基本過(guò)程是創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)→創(chuàng)建構(gòu)件→定義構(gòu)件材料 →定義構(gòu)件截面形狀→ 賦予構(gòu)件截面形狀 。其中節(jié)點(diǎn)主要定在井架底座的變截面處、焊接點(diǎn)、鉸接點(diǎn)及其他連接點(diǎn)等。

為了更容易得出準(zhǔn)確的結(jié)果和方便建立模型 ， 只建立井架和底座上主要型材結(jié)構(gòu) 。忽略井架底座上所有耳座和倒角等次要結(jié)構(gòu)，必要的連接件由被連接部分的型材代替。按照井架直立狀態(tài)來(lái)進(jìn)行建模，并對(duì)鉆機(jī)井架和底座模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化 ，建立模型如圖1所示。

圖1井架起升模型

以實(shí)際工況重量對(duì)建立模型施加載荷，由于建模過(guò)程中對(duì)井架部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化 ，故模型重量比實(shí)際重量小，在施加載荷時(shí)需以附重載荷的方式將小于實(shí)際重量的部分施加到井架相應(yīng)部位。

加載的主要過(guò)程是定義載荷名稱 →定義風(fēng)載 → 在節(jié)點(diǎn)或構(gòu)件上施加載荷→創(chuàng)建不同工況下的載荷組合。定義風(fēng)載時(shí)，需要輸入風(fēng)向角度，風(fēng)速和陣風(fēng)系數(shù)。 在井架起升過(guò)程中 ，預(yù)先添加0° ，45°，90° ，135° ，180° ，225° ，270° ，315° 八個(gè)方向的風(fēng)載。風(fēng)速和陣風(fēng)系數(shù)都是根據(jù)APISpec4F來(lái)確定，風(fēng)速定為16.5m/s，陣風(fēng)系數(shù)定為0.85。創(chuàng)建不同工況下的載荷組合時(shí)，SAFI提供了一個(gè)載荷因子(Factor)來(lái)對(duì)施加的載荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。

邊界條件設(shè)置如下：

（1）添加節(jié)點(diǎn)約束

在底座相應(yīng)部位添加固定約束，以此來(lái)固定底座 ，為了模擬的真實(shí)可靠性，添加必要的彈簧約束以對(duì)彈性地基進(jìn)行模擬。在高支架的位置設(shè)置只受壓力的彈簧， 模擬高支架在起升初始狀態(tài)時(shí)對(duì)井架的支撐作用。

（2）釋放桿件轉(zhuǎn)動(dòng)自由度

實(shí)際工況井架起升過(guò)程 ，一些桿件之間的連接存在轉(zhuǎn)動(dòng)副，故需要對(duì)這些桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行釋放。

2 結(jié)果分析

2.1 起升力數(shù)值模擬

為了得出起升力與起升角之間的關(guān)系，先排除其他因素干擾，將所有工況中的風(fēng)載的載荷因子均設(shè)置為0。分析不同起升角工況時(shí)，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的載荷因子乘以施加的起升載荷力即可得出相應(yīng)的起升力。通過(guò)這種方式，可以計(jì)算出起升角α在不同工況下的起升載荷。本文對(duì)起升角α為5° 、10°、15°、20° 、30° 、40° 、50° 、60° 、70° 、80° 、90° 的工況進(jìn)行了分析。如圖2是根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出的起升力與起升角曲線關(guān)系圖，由圖可知，井架起升過(guò)程中，隨著起升角逐漸增大，起升力逐漸減小。當(dāng)起升角為5°時(shí)，起升力最大。當(dāng)起升角為90°起升力為0。為了對(duì)井架的強(qiáng)度進(jìn)行校核，需對(duì)井架在起升過(guò)程中受力最大的工況進(jìn)行分析，由圖可知井架在起升角α為5°時(shí)起升力最大。

圖2起升力與起升角關(guān)系曲線

2.2 確定風(fēng)載方向

預(yù)先對(duì)0° ，45° ，90° ，135° ，180° ，225° ，270° ，315°八個(gè)方向施加風(fēng)載。以初始起升角α=5°時(shí)的工況下對(duì)井架受不同方向的風(fēng)載進(jìn)行研究。對(duì)井架10個(gè)桿件單元在不同方向風(fēng)載工況下的ULS值進(jìn)行分析。查看不同方向風(fēng)載工況下井架各桿件單元的ULS值，所得結(jié)果如表1。由表中數(shù)據(jù)可以看出，在風(fēng)載方向?yàn)?5°時(shí)，各桿件單元的ULS值最大，ULS值越大，表示桿件受力越大，桿件失效的可能性更大。

表1不同方向風(fēng)載下井架各桿件單元的ULS值

2.3 初始起升角下井架受力

如圖3顯示了在起升角5°且45°風(fēng)載方向的情況下，井架的應(yīng)變情況，紅色為井架變形部分。從圖中可以直觀地看出，井架各部分結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生明顯的變形，整體結(jié)構(gòu)變形較為均勻，沿著一個(gè)方向的位移最大的也只達(dá)到40mm左右，滿足井架起升要求。

圖3井架位移云圖

如圖4顯示了在起升角5°且45°風(fēng)載方向的情況下，井架的應(yīng)力情況，此時(shí)井架各桿件單元的ULS值均小于1，大部分處于0.25-0.5之間，最大ULS值出現(xiàn)在2909號(hào)單元，位于人字架的右前撐桿上，其ULS值是0.8546，滿足強(qiáng)度要求。

圖4井架應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

（1）本文對(duì)井架不同起升角所受到的起升力進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，隨著井架起升的變大，起升力隨之減小，且起升角為5°時(shí)，起升力最大，起升角為90°時(shí)，起升力為0。

（2）起升角為5°時(shí)井架所受到的起升力最大，為了保證井架起升過(guò)程的安全可靠，對(duì)此位置的井架進(jìn)行強(qiáng)度校核和受力分析。在該位置設(shè)置不同的方向風(fēng)載，結(jié)果顯示風(fēng)載方向?yàn)?5°時(shí) ，ULS值最大考慮到風(fēng)載的影響，井架受力最大 ，對(duì)起升過(guò)程影響最大。

（3對(duì)起升角為5°，45°風(fēng)載方向工況下井架起升過(guò)程進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。結(jié)果表明井架結(jié)構(gòu)位移變形和應(yīng)力均滿足要求，且最大ULS值為0.8546，小于1，井架各結(jié)構(gòu)是安全可靠的，強(qiáng)度符合起升要求。