新型旋升式井架底座設計

王亞朋+張宏宇+王志忠+宋瑞

摘要：目前國內外各油田正在使用的傳統4000米及其以上石油鉆機的井架和底座結構，多采用多模塊拆散移運的方式，運輸模塊多、搬家及安裝的時間長、成本高，不滿足鉆機快速移運的要求。為此設計了該新型液壓旋升式井架、底座結構，該結構運輸模塊僅為同類設備的1/3，極大的降低了鉆機的搬家周期與成本；采用液壓自動控制技術來實現鉆機井架、底座的起升與下放，安裝迅速、便捷，整個安裝過程不需要大型的吊裝設備；井架的起升與下放采用遠程控制技術，適宜新形式下井場HSE的要求。

關鍵詞：井架；底座 ；快速移動；液壓起升

一、現狀與分析

隨著低油價逐漸成為行業內的常態，對鉆井成本的控制逐漸精細化，國內外用戶對4000米及其以上石油鉆機的搬家及安裝時間、成本等提出了更高的要求。

該類鉆機井架和底座，運輸模塊較多，整體質量大，使得鉆機移運性差，安裝時間長。鉆機的井架底座是整個鉆機中質量最大，運輸模塊最多的部件，對其進行合理的設計，減輕質量，減少運輸模塊，將取得明顯的經濟效益。

為了適應石油鉆井設備的發展方向，適應國際市場，設計新型的液壓旋升式井架底座。鉆機各模塊高度集裝化，具有良好的操作性能、安裝移運性能和環境適應性能[1-2]。

二、整體結構

（一）井架底座結構及優點

主要結構由井架、井架起升液壓缸、底座起升液壓缸、左下基座、左側中層、左上座、上層中間座、右上座、右側中層、右下基座、斜撐桿等組成。

本液壓旋升式井架、底座，與常規的井架、底座結構相比，優點如下：

1.井架采用三節套裝整體式結構。運輸時機械縮回，與天車、游吊系統、鉆井大繩、井架起升液壓缸，形成一個整體的運輸模塊。

2.底座采用大模塊集成式設計結構。共3大運輸模塊，底座臺面設備均低位安裝、整體起升。

3.采用液壓自動控制技術來實現鉆機井架、底座的起升與下放，安裝迅速、便捷、效率高，整個安裝過程不需要大型的吊裝設備。

4.井架的起升與下放采用遠程控制技術，整個起升過程中，底座上沒有人員進行操作，適宜新形式下井場HSE的要求。

5.井架下段采用大斜撐結構，同時由于井架開檔的減少，在保證足夠強度的情況下，井架的重點僅約為常規鉆機的3/5。

三、井架、底座的結構特點

（一）井架結構特點

井架采用三節套裝整體式結構，前開口п型，井架段與段之間采用銷軸+單雙耳板裝置連接結構。

井架設計有專用的井架運輸及安裝小車，小車安裝有三聯板簧懸掛及3根14t車橋，用于運輸時承載井架重量；小車上設計有水平移動、前后移動、高低伸縮液壓缸共3組，用于在安裝井架時對井架與底座的連接耳板。

井架立起后通過井架支座下的墊片增減（前后、左右方向），來調節井架角度以找正井口中心。整個井架的安裝過程，簡便、快捷，并且不需要大型的吊裝設備進行輔助作業；井架運輸為一個運輸模塊，運輸成本低，鉆機搬家快捷。尤其適宜于，井場相對開闊的平原、沙漠、戈壁等環境。

（二）底座結構特點

底座采用大模塊的平行四邊形結構，來實現的鉆機的整體旋升。底座共分為上、中、下3層，底層包括左、右基礎座，中層包括前、中、后立柱及斜撐桿和多級液壓油缸，上層包括左、右上座和中間座，中間座將立根臺和轉盤及其傳動裝置連接為一體。底座臺面設備均低位安裝、整體起升。

底座采用高度集成化的設計，主體結構共3各運輸模塊。左上座、左下座、左旋轉立柱、左底座起升油缸及左斜撐桿為一個運輸單元，右上座、右下座、右旋轉立柱、右底座起升油缸及右斜撐桿為一個運輸單元，上層中間座的轉盤驅動裝置及立根臺為一個運輸單元，每個運輸模塊均設計有橇頭，用于專用鉆機搬家車的裝卸，從而實現，在拆裝作業時不需要專門的大型起吊設備。

底座基礎座前端設計有一套拖杠結構，在鉆井現場可用幾臺拖拉機拖拽拖杠，使鉆機整體緩慢的向前移動，從而滿足叢式井作業的需求。

四、井架、底座的計算

按照API Spec 4F第4版的要求，采用有限元分析軟件ANSYS對井架、底座進行載荷計算與分析，其中產品規范等級選擇為PLS1，結構安全等級選取SSL E2/U2，計算工況分為井架、底座起升工況與加載工況，井架的最大靜載荷為3150kN，底座的最大轉盤靜載荷為3150kN，立根載荷為1600kN，風荷載選取0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°八個方向。

井架、底座梁單元的強度及穩定性分析按照美國鋼結構學會AISC 335-89《結構鋼建筑物規范-許用應力設計和塑性設計》的規定進行對各梁單元的受力進行校核，列出穩定性判別數UCR值。

結果如下：

1.井架在各工況下桿件最大應力為140.58MPa，而最大應力處的結構所用材料為Q345B，屈服強度為345MPa，因此井架的最小安全系數為2.45，遠大于相關標準規定的1.67的要求。

2.底座在各工況下桿件最大應力為110.3MPa，而最拉應力處的結構所用材料為Q345B，屈服強度為345MPa，因此底座的最小安全系數為3.12，遠大于相關標準規定的1.67的要求。

3.井架穩定性判別數UCR值的最大值為0.87，底座穩定性判別數UCR值的最大值為0.54，均滿足AISC 335-89規范規定的UCR值小于1的要求。

4.井架結構桿件長細比LRR值最大為115.56，底座結構桿件長細比LRR值最大為121.4，均滿足AISC 335-89規范規定的受壓構件允許長細比不大于200的要求。

故該井架、底座結構的強度、穩定性均滿足API 4F規范的要求，是安全的。

五、技術創新點

1.該新型井架、底座結構，運輸模塊少，僅為常規同規格設備的1/3，極大的降低了鉆機的搬家周期與成本。

2.底座設計采用平行四邊形機構的運動原理，實現了高臺面設備的低位安裝，降低了工人高空安裝作業的危險和勞動強度。

3.大模塊的設計結構減少了現場連接、安裝的工作量，采用液壓自動控制技術來實現鉆機井架、底座的起升與下放，安裝迅速、便捷，大幅減少了鉆機的安裝時間。

4.井架拆裝采用專用的井架安裝與運輸小車完成，底座拆裝采用專用鉆機搬家車完成，整個安裝過程不需要大型的吊裝設備，降低了鉆機的安裝成本。

5.采用機、電、液一體化設計，起升液壓缸取代人字架和起升大繩，以液壓源取代常規的利用絞車作為起升動力，配置1臺小功率柴油機驅動的液壓泵，因此起升系統成本低，利用率高，靈活快捷。

6.井架的起升與下放采用遠程控制技術，適宜新形式下井場HSE的要求。

六、結束語

該新型液壓旋升式井架、底座結構，在保留了傳統橇裝鉆機結構穩定性高的優點之上，在創新井架、底座的結構形式、減小運輸模塊數量、提高安裝效率、減少輔助設備的使用等方面，獲得了較大程度的突破，應用的液壓油自動舉升和控制技術，滿足了新型鉆機的快速移運、快速安裝的要求。

該新型液壓旋升式井架、底座結構以及整體液壓旋升控制技術，已經在公司產品出口到國外的相關產品上得到了使用及驗證，現場鉆機的搬家及安裝時間相比常規鉆機大幅降低，其中出口到中東某沙漠地區的大模塊鉆機的搬家及安裝時間僅為48小時，鉆機在作業過程中，結構穩定，獲得了用戶的一致好評。

參考文獻：

[1]馬永峰，康濤，楊漢立，等.橇裝模塊鉆機.北京：石油工業出版社，2004：10-15.

[2]王進全，王維旭.國外鉆機技術現狀及我國的發展策略.石油機械，2011，39（6）：65-69.endprint