折疊人字架式井架研制與應(yīng)用

魏海鋒，關(guān)苗芳

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730314)①

折疊人字架式井架研制與應(yīng)用

魏海鋒，關(guān)苗芳

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730314)①

傳統(tǒng)鉆機(jī)的井架底座在起升后井架和人字架均在鉆臺(tái)面以上，占用了鉆臺(tái)空間，并且底座起升過程之中存在重心偏斜現(xiàn)象，影響起升平衡。折疊人字架式井架的優(yōu)點(diǎn)是在井架起升后，將人字架折疊至臺(tái)面以下，增大了鉆臺(tái)上的實(shí)際使用面積，采用分體結(jié)構(gòu)起升，平穩(wěn)無偏斜。 通過井架起升力及鉤載計(jì)算以及三維建模分析，對井架底座在各個(gè)工況下進(jìn)行強(qiáng)度分析，以滿足新型鉆井市場對鉆機(jī)結(jié)構(gòu)型式和功能等方面的特殊使用要求。

鉆機(jī)；井架；折疊人字架；計(jì)算

國內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)鉆機(jī)井架底座結(jié)構(gòu)主要有雙升式、旋升式、隨升式3種結(jié)構(gòu)，其共同特點(diǎn)為起升后井架人字架均在鉆臺(tái)面以上，占用了鉆臺(tái)空間，并且底座起升過程之中存在重心偏斜現(xiàn)象，影響起升平衡。折疊人字架式井架的優(yōu)點(diǎn)是在井架起升后，將人字架折疊至臺(tái)面以下，增大了鉆臺(tái)上的實(shí)際使用面積，利于在鉆臺(tái)安裝設(shè)備及方便操作，增加了安全性，滿足了新型鉆井市場對鉆機(jī)結(jié)構(gòu)型式和功能等方面的特殊要求。

1 折疊人字架式井架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及起升原理

JJ450/47.55-K型折疊人字架式井架設(shè)計(jì)是以H型鋼為主大腿的前開口式無繃?yán)K井架，與天車、底座、絞車等部件配套成鉆機(jī)，井架在鉆井過程中用以安放天車、懸掛頂驅(qū)、游動(dòng)系統(tǒng)、鉆具，進(jìn)行起下鉆桿、下套管、處理井下事故等作業(yè)。主要由井架Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段、V段、人字架、起升裝置等主要部件組成。井架上配有二層臺(tái)、擋風(fēng)墻、立管操作臺(tái)、套管扶正臺(tái)、大鉗平衡重等附件，井架結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。轉(zhuǎn)盤梁固定在井架I段之間，井架起升帶動(dòng)立根盒梁起升，到位后，與人字架用銷子連接，之后折疊人字架上半部分折疊至臺(tái)面以下，將起升大繩由分段處分開，連接至頂層后部絞車梁上，利用絞車自身動(dòng)力將絞車梁及絞車起升到位，并連接在井架I段大腿上。人字架其前后支座位于底座底層左、右基座上，組成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。井架大腿支座落在人字架前腿的支座上，井架前后用井架液壓緩沖液缸和人字架上的螺紋頂絲進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便使大鉤對中井眼。人字架頂部可折疊(如圖2所示)，在井架起升到位后。人字架頂部可折疊至臺(tái)面以下，不占用鉆臺(tái)面的空間。

圖1 井架低位安裝示意

2 折疊人字架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

人字架由中間的大橫梁把左右相互對稱的兩個(gè)人字架連成一體，人字架用來起放和支撐井架。井架起升時(shí)為了能夠使井架平穩(wěn)地靠放在人字架上，同時(shí)下放井架時(shí)又能使井架重心前移，依靠井架自身的重力下放。在人字架上設(shè)有液壓緩沖裝置，通過液缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)起升的緩沖和井架下放時(shí)推頂作用。折疊人字架區(qū)別于普通人字架的一個(gè)最大特點(diǎn)，就是可折疊，在井架起升到位后卸掉連接左右人字架的大橫梁，人字架上部便可折疊到鉆臺(tái)下面(如圖3所示)，而且井架在起升時(shí)，轉(zhuǎn)盤梁，立根盒梁已隨著井架的起升到位，已經(jīng)相當(dāng)于起升了底座，節(jié)省了時(shí)間，使起升更加方便，快捷。在人字架大橫梁上有一導(dǎo)向滑輪，在井架起升時(shí)快繩繞過該滑輪，對快繩起支撐和導(dǎo)向作用。

這種人字架折疊的井架結(jié)構(gòu)，使傳統(tǒng)的鉆機(jī)臺(tái)面面積增大，平整，能最大限度地?cái)[放鉆井工具，而且在放置司鉆房的時(shí)候不用再考慮人字架大橫梁干涉的問題，能有效增加井架內(nèi)開檔的距離。人字架折疊需要人為地折疊或者升起，或者用液壓裝置自動(dòng)折疊和升井，使整個(gè)鉆機(jī)的性能大幅提高。

a 直立狀態(tài)(井架起升時(shí)) b 折疊狀態(tài)(井架起升后)

圖3 井架底座起升后人字架折疊時(shí)狀態(tài)

3 井架起升力及鉤載計(jì)算

JJ450/47.55-K型井架采用人字架起升方式，井架起升裝置如圖4所示。在起升裝置中配有起升大繩，起升三角架及高低支架，井架起升時(shí)為了能夠使井架平穩(wěn)的靠放在人字架上，同時(shí)下放井架時(shí)又能夠使井架重心前移，從而依靠井架本身自重下落，在人字架上設(shè)有液壓緩沖裝置，通過液缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)。

1—高支架；2—低支架；3—起升大繩；4—起升三角架。

根據(jù)靜力學(xué)平衡方程：

2PL1+TL2=∑GL

(1)

(2)

式中：G為井架上所有參與起升部件集中的重力；L為井架上所有參與起升部件的重心到井架旋轉(zhuǎn)銷軸的垂直距離；α為井架原始起升角度時(shí)大鉤下兩條起升大繩夾角的一半，α=90°/2=45°；L1為起升繩到井架大腿銷軸的距離；L2為快繩到井架大腿銷軸的距離；P為起升繩單繩拉力；T為快繩拉力；n為繩數(shù)，n=12；η1為井架上的兩個(gè)懸臂導(dǎo)向滑輪的效率0.96；η2為天車6×7輪系的效率0.782(摘自API 9B)。

把式(2)代入式(1)，得出單根起升繩的拉力為

3.1 靜平衡狀態(tài)

靜平衡狀態(tài)是井架剛離開高支架50～100mm，剎車旋停以做各項(xiàng)安全檢查時(shí)的狀態(tài)。

此時(shí)η1=1；η2=1。

大鉤載荷為

QGJ=2PJcosα=2×898.675×cos45°=1 269.3 kN

3.2 動(dòng)平衡狀態(tài)

此時(shí)η1=0.96；η2=0.782。

大鉤載荷為

QGD=2PD×1.042cosα

=2×1 202.7×1.042×cos45°=1 839.7 kN

3.3 井架起升大繩的破斷拉力

FPD≥PJ×2.5=3 013 kN

起升鋼絲繩為6×36WS+FC-?72-1770，最小破斷拉力為3 030 kN，設(shè)計(jì)滿足要求。

4 結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)折疊人字架井架的設(shè)計(jì)圖紙，利用結(jié)構(gòu)分析SAFI軟件，建立了井架底座的整體有限元模型，計(jì)算了井架作業(yè)、可預(yù)見風(fēng)、不可預(yù)見風(fēng)、井架起升、底座起升等5種工況下井架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果顯示，在這5種工況下，井架結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件UC值均小于1，符合API 4F規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

1) 在井架作業(yè)、底座作業(yè)、可預(yù)見風(fēng)、不可預(yù)見風(fēng)這4種工況下UC值大于0.8的構(gòu)件如圖5所示。UC值最大為0.89，對應(yīng)的構(gòu)件編號(hào)為M987，位于井架Ⅱ段。

圖5 井架作業(yè)時(shí)UC值分布

2) 在底座起升工況下UC值大于0.8的構(gòu)件如圖6所示。UC值最大為0.92，位于井架Ⅱ段。

圖6 底座起升時(shí)井架UC值分布

3) 在井架起升工況下UC值大于0.7的構(gòu)件如圖7所示。UC值最大為0.97，位于人字架立柱上端。

圖7 井架起升時(shí)UC值分布

根據(jù)API 4F規(guī)范第4版的計(jì)算模型進(jìn)行有限元分析，JJ450/47.55-K型折疊人字架式井架設(shè)計(jì)在各種工況下所有桿件組合應(yīng)力均小于許用值，該井架滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，且具有一定的抗風(fēng)能力，井架設(shè)計(jì)安全。

5 結(jié)論

1) 通過井架起升力以及SAFI軟件建模計(jì)算，該折疊人字架式井架達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，滿足正常作業(yè)工況下及設(shè)計(jì)生存工況的強(qiáng)度要求。

2) 井架主體均采用H型鋼，人字架在井架起升完成后折疊到鉆臺(tái)下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全可靠，模塊化安裝，搬家方便。

[1] 董輝，常寶華，馮彥偉.石油鉆機(jī)移運(yùn)裝置應(yīng)用研究[J].石油礦場機(jī)械，2016，45(4)：63-66.

[2] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

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[6] GB/T20174-2006，石油天熱氣工業(yè)鉆井和采油設(shè)備鉆通設(shè)備[S].

[7] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[8] 常玉蓮.鉆井井架、底座的設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996.

Research and Application of the Mast with the Folding A-Frame

WEI Haifeng，GUAN Miaofang

(Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou 730314，China)

Currently，as the conventional mast and substructure of drilling rig are raised，the A-frame of mast is still placed on the drilling platform and takes up space.Moreover，the phenomenon of centre of gravity off-set that effect the raising balance exists in the raising process of the substructure.The advantages of the mast with folding A-frame are that the A-frame can be folded and placed under the drilling platform so as to increase the actual usable area of the platform after the mast is raised.Upon analyzing the raising force of mast，hook load calculation and three-dimensions modeling，the strength analysis of mast and substructure under various working conditions is performed to meet the special applications of the drilling rig structure pattern and function on emerging drilling rig market.

drilling rig；mast；folding A-frame；calculation

1001-3482(2016)12-0060-04

2016-08-22

魏海鋒(1982-)，女，甘肅皋蘭人，工程師，現(xiàn)從事石油鉆采設(shè)備的設(shè)計(jì)研究工作，E-mail：weihaifeng@lansland.com。

TE923

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.016