石油鉆機整機移運裝置的設計與研究

孫曉微

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石油鉆機整機移運裝置的設計與研究

孫曉微

（蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

文章以鉆機整體移運裝置為研究對象，通過對底座及外圍配套設備的改進，結合實際移運環境，根據不同移運距離的要求，設計出一種安全可靠，承載性好，整體布置合理，連接脫離快捷牢固的移運裝置。

石油鉆機；移運裝置

前言

目前，許多國內外典型和新型鉆機移運系統結構，根據現場作業環境、移運距離及井位布置情況，鉆機整體移運方法主要分為輪式移運方式和步進式移運方式兩種。輪式移運方式：一般用在井位距離相對較遠、運輸條件較好、場地寬闊、使用環境不受限制土質較硬時。輪式移運方式又分為半拖掛和全拖掛兩種。中小型鉆機由于運輸負荷輕且外形尺寸相對較小，因此大多采用半拖掛形式；深井鉆機則由于負荷重，外形尺寸較大所以大多采用全拖掛移運形式。步進式移運方式：在運輸距離相對較近或打叢式井時，宜采用步進式移運方式，步進式移運裝置可以滿足鉆機在工作狀態下移動。步進式移運方式又分為底座下加導軌式和在底座的四個角上加裝四個移動座兩種形式，它們都是利用頂升油缸將鉆機主體整體頂起，再利用水平推移油缸推動鉆機移動。此種方法，結構緊湊，移運時方便快捷，很大的減少了井隊人員的勞動強度。

但是以上兩種移運方式還存在如下問題：a.由于鉆機的偏載容易造成在兩條軌道上所產生的摩擦力大小不一，導致液缸在推進時鉆機在兩條軌道上的位移不同；b.如果液壓系統給兩側液缸提供的液壓油某一時刻流量的不同,也會導致兩側液缸產生的行程不一；c.由于生產制造帶來的誤差，如：兩條軌道的平行度誤差、安裝誤差、水平度誤差；液壓缸的生產誤差；液壓管路以及閥件生產、安裝誤差等均能導致鉆機在移動時產生位移差。

1 移運系統結構設計與分析

1.1 總體結構布置

本文所設計的平移裝置是用在7000m石油鉆機的移運上，總體布置按步進式平移考慮。即在鉆機左、右基座前段和后端各增設一套平移裝置支撐座，在鉆機起升后作業狀態下需進行平移時，只需將鉆機主體用四套平移裝置的頂升液缸頂起，再由自行走機構帶動鉆機主體一起向前或向后移動，到達指定位置后由剎車機構制動，然后收縮舉升油缸，將鉆機主體移運至目標位置，然后將外圍的配套設備相應的也用移運設備移運到指定地點。鉆機平移裝置布置如圖1所示：

圖1 鉆機平移裝置布置圖

主要技術參數如下：

（1）液缸額定壓力是18MPa

（2）頂升液缸缸徑/數量為420mm/4套

（3）最大舉升高度<150mm

（4）舉升質量約800噸

（5）基礎承壓強度≥2MPa

（6）推薦拖移過程速度為1.39 mm/s按5m/h)，假設鉆機整體在1分中從靜止狀態獲得該速度，所以加速度u=1.39 /1=1.39 mm/s2。

由于鉆機在整體移運過程中的重量主要由頂升液缸和其連接的滾動裝置承載，輪胎不承受主要載荷，只承受自身重量和一部分鉆機重量，主要起到提供牽引力的作用。裝在輪轂上的電動機輸出的扭矩通過傳動軸和差速器以一定的比例分配到移運裝置的前后半軸上，四個車輪時刻都能單獨提供驅動力，在鉆機移運過程中始終保持四輪驅動的形式，可根據場地的實際情況合理分配牽引力，保證具有很好的通過性與穩定性。此移運裝置采用模塊化設計，各模塊間可縱橫拼接，具有較強的靈活使用性能。結構如圖2所示：

圖2 鉆機移運系統結構示意圖

1.2 使用條件及注意事項

使用鉆機整體移運裝置前，首先要沿鉆機位移方向整平夯實場地；然后在場地上方鋪設一層或多層厚鋼板，確保場地能夠承受鉆機整體對場地的壓應力；或者在場地上方鋪設固定鋼質運行軌道，并保證兩條運行軌道平行且在同一平面內，一般推薦使用與鉆機重量相適宜的槽鋼做運行軌道。

當鉆機整體與移運裝置的頂升液缸連接好時，應檢查鉆機是否平穩水平，液缸的頂升支點與鉆機連接是否可靠，場地是否平整，或者軌道是否平行水平，是否有應力不夠而變形現象，同時檢查運行軌道內是否有其他影響正常移運的障礙物，當檢查完畢，確保安全前提下，啟動牽引裝置。移運裝置帶動鉆機整體緩慢勻速前進，牽引過程中，應時刻注意移運裝置、鉆機整體、軌道、地基等是否正常，如發現異常，應立刻停止移運，排除故障后方可繼續牽引，直到將鉆機移運到指定地點。

2 支架結構的可靠性分析

2.1 支架建模

移運裝置靜止時，滾動裝置支架只承受移運裝置自身質量，在鉆機工作狀態移運鉆機時，主要承受自身重量和鉆機總體重量，由于移運裝置采用對稱布置形式，載荷具有對稱性，因此建立1/4鉆機整體的移運模型。如圖3所示：

本本所述移運系統的支架選用材料為Q345，厚度為30的鋼板焊接而成，其彈性模量為2.06x105MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3，外形尺寸為1500mmx600mm。對支架有限元模型設置相應參數，施加垂直載荷，選擇上平面為受力面，指定約束面。本文采用Shell63單元，Shell63單元即具有彎曲能力又含有膜力，可以承受平面內的載荷及法相載荷，每個單元節點具有6個自由度：沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節點坐標系X、Y、Z軸的轉動，考慮應力剛化作用和大變形能力。本文在劃分網格時采用參考單元邊長為20mm，為保證網格質量，采用人工劃分。各板件的連接采用連續角焊縫，可以用節點共享的方式處理，本文在公共邊界處采用等分數的單元劃分，使其節點重合，最后合并節點，即完成了共節點操作。

圖3 支架網格劃分模型

2.2 有限元計算結果分析

鉆機天車、游車、大鉤、水龍頭、轉盤、補心、轉盤獨立驅動裝置、絞車、井架、底座、鋼絲繩、司鉆控制房、左、右偏方等鉆機的主要部件重量總計約550噸，加上全部立根（250噸），故平移總重約為800噸（不含平移時需移去的坡道、滑梯及梯子等）。利用軟件得到的最大Von Miss等效云圖（如圖4所示）可以看出，最大應力值為25537.6MPa，發生在支架液缸連接板處，與下支板的焊接質量有關，但未超出許用應力值。次大值發生在下支板與上面板連接處，其應力值為17029MPa，支架其他部位的應力值均遠小于材料許用應力值，相對安全。由支架位移云圖，可以看出支架的最大位移4.175e-002出現在下支板與上面板連接的中間部位，其余部位位移較小。

圖4 Von Miss等效云圖

3 總結

本文以鉆機整體移運系統為研究對象，對鉆機整體移運裝置進行了模塊化的結構設計，并對各個模塊進行了簡要的論述，主要對承重支架進行了有限元建模，有限元分析，得出了支架的總體應力分布圖及變形圖，并對其結構進行了優化改進分析。最后對可靠性進行分析與說明。此移運裝置的初步設計已完成，還需要進一步的細化和分析。

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Design and Research of Integrated Moving System on Drilling Rig

Sun Xiaowei

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

Based on drill whole transit system as the research object, through to the base and peripheral equipment improve -ment, combined with the actual removed environment, according to the requirements of different move distance, design a kind of safe and reliable, good bearing, the overall layout is reasonable, the connection from quick and strong move device.

Drilling Rig; removed system

A

1671-988(2019)05-140-03

U462

A

1671-7988(2019)05-140-03

U462

孫曉微(1981.12-), 女，碩士學歷，工程師，就職于蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司。研究方向：石油鉆機總體系統研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.043