一種不壓井修井機底座的參數化設計和有限元分析

摘要：不壓井修井作業是一種產能效率高且對環境影響小的油氣田作業方式，底座是不壓井修井機的結構承載載體，其強度質量直接關系到設備和系統的安全。文章選用三維建模軟件對底座進行參數化建模，在有限元分析軟件中對加載后的模型進行有限元求解，求解得到的應力應變結果對底座的設計和制作具有理論參考意義。

關鍵詞：不壓井修井機；底座；參數化設計；有限元分析；結構承載載體 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE935 文章編號：1009-2374（2017）03-0156-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.070

不壓井作業能降低對產層的污染，最大程度地保護和維持原始地層，并極大地提高產能，現已廣泛應用于修井作業中。不壓井修井機的應用有利于油氣田的穩定生產和長期開發。底座作為不壓井修井機的結構承載基礎，用于支撐整個設備。底座的強度質量直接關系到設備的整體質量和安全，也影響油氣田開發的效益，故安全、經濟、合理的底座設計方法顯得特別重要。本文通過三維建模軟件對底座進行參數化建模，在有限元分析軟件中模擬底座受載情況并進行有限元分析，求解得到應力和變形的結果，對底座的設計和生產提供一定的思路和依據。

1 參數化設計

參數化設計一直是機械行業系統設計所追求的目標，它可以極大地提高機械設計效率。參數化設計方法因其直觀性、實用性、高效性等特點，現已廣泛應用在各類機械行業中。

綜合考慮油氣田井場現場布置要求和不壓井修井機性能參數等因數，確定出底座的結構形式和基本外形尺寸。采用基于尺寸驅動的參數化設計方法，通過建模軟件里的“3D草圖”功能繪制出底座的框架，框架參數化的“3D草圖”如圖1所示。框架“3D草圖”中的每一個尺寸線可以看成是一個參數，尺寸線上的數字就相當于是參數名，尺寸線的方向代表了幾何數據實體和參數間的關系。當底座的框架結構外形尺寸需要更改時，可調整對應的框架“3D草圖”中的參數化尺寸，根據參數值對不壓井修井機底座框架實體尺寸進行編輯修改后，框架結構外形尺寸便會隨之得到相應的更新。

2 建立模型

確定框架所有尺寸后，根據設計要求從建模軟件結構件庫里選定制作底座相應的型材，并對底座中非結構承載部件（如梯子、護欄等）和零件加工工藝結構（如倒角、工藝槽、安裝螺栓孔等）做簡化處理，得到底座三維模型，如圖2所示。轉換建模軟件中底座的三維模型格式，導入到有限元分析軟件后，再對生成的模型進行修整（如設置各連接處的接觸、約束等），更新后的新模型如圖3所示。

3 計算前處理

結合設計要求的材料，在有限元分析軟件中設置和賦予相對應的材料參數、材料性能和材料屬性值（如材料的密度、泊松比、楊氏模量和屈服強度等），并對模型設置相應的分析單元和接觸單元。由于在計算前處理時，主要根據計算的精度和計算機的運算速度來確定單元的大小，雖然單元越小（網格劃分得越細），有限元分析計算的結果精度就越高，但相應的計算機運算的時間也就越久。在保證計算結果準確性的同時提高計算分析效率，根據結構件大小的不同，設置不同大小的網格劃分單元，并對在應力集中的部位（如底座上部斜撐桿與上橫梁的連接處）將網格劃分得細一些，網格劃分后模型的結點（nodes）數為674004個，單元（elements）數為343318個，如圖4所示。根據底座工況條件，添加相應的約束，將底座底面固定，在底座上的支座處添加相應工況大小的載荷。

4 輸出結果

前處理完畢后，設置需要查看的求解結果（如應力值、應變值等）。通過有限元分析軟件自帶的求解器求解，得到底座的應力云圖如圖5所示，底座的應變云圖如圖6所示。

由應力云圖可明顯看出，最大應力為145.54MPa，完全滿足安全條件要求。底座上部斜撐桿與上橫梁的連接部位應力最大，上下底座的斜撐桿處應力相對較大。由應變云圖可明顯看出，最大應變1.94mm發生在上底座的支座處，上底座的中部橫梁的變形也相對較大，該結果與實際情況很吻合。為了避免底座應力過大或出現大變形的危險現象，在設計和制作底座時，需結合有限元分析結果，重點關注上下底座的斜撐桿、上底座的支座和上底座的橫梁，且對底座的選型材料和焊接質量也應重點考慮。

5 結語

底座作為不壓井修井機重要的金屬鋼結構承載載體，設備在作業過程中，底座的強度必須滿足各類安全要求。在設計底座時，需根據相關工況條件重點考慮較大應力和較大應變的區域，本文通過對不壓井修井機底座進行參數化建模和結構有限元分析，可獲得靠譜的底座應力和變形等方面的信息，并為指導底座的安全設計和制作提供理論參考依據。

參考文獻

[1] 謝永金，曹立明.新型不壓井作業設備的研究[J].石

油機械，2007，35（9）.

[2] 王煒.不壓井作業裝置技術現狀與應用分析[J].石油

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作者簡介：吳作為（1989-），男，供職于中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，碩士，研究方向：石油機械設計。

（責任編輯：秦遜玉）