非海洋平臺(tái)環(huán)境下海洋雙井口井架載荷試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2劉宏亮2高超杰侯曉東2

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002； 2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

雙井口井架作為海上鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵裝備，除了具有常規(guī)井架安裝游吊系統(tǒng)、頂驅(qū)、自動(dòng)化工具，起升和下放鉆具、套管、隔水管和水下器具等特點(diǎn)外，雙井口井架的兩套游吊系統(tǒng)還具有平衡重載和輕載、減小設(shè)備總體尺寸等特點(diǎn)，經(jīng)相關(guān)文獻(xiàn)研究統(tǒng)計(jì)，雙井口井架可節(jié)省作業(yè)時(shí)間21%～70%。基于雙井口井架極大提高作業(yè)效率的特點(diǎn)，目前新設(shè)計(jì)建造的深水半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船基本都配置雙井架，并且逐步投入使用。加速發(fā)展我國深海石油勘探開發(fā)的技術(shù)裝備，雙井架技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-7]。

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)了一套HJJ1150型海洋動(dòng)態(tài)雙井口井架(以下簡稱雙井口井架)，如圖1。該井架最大鉆井深度15 000 m，主、副井口井架最大鉤載均為11 500 kN，并且具備設(shè)備布局合理、鉆臺(tái)空間大、維修方便，可大幅提高鉆井作業(yè)效率等特點(diǎn)。筆者針對該雙井口井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際作業(yè)工況，設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置，用于雙井口井架在非海洋平臺(tái)環(huán)境下的載荷試驗(yàn)與研究，確保其在海洋平臺(tái)環(huán)境下作業(yè)的安全性和可靠性。

圖1 HJJ1150型海洋動(dòng)態(tài)雙井口井架結(jié)構(gòu)

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)計(jì)原則

雙井口井架載荷試驗(yàn)裝置在滿足HJJ1150型海洋動(dòng)態(tài)雙井口井架載荷試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，依據(jù)“性能先進(jìn)、工作可靠、使用安全、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。在充分模擬雙井口井架在海洋鉆井工況時(shí)主、副井口載荷傳遞到雙井口井架主體上的情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證其既具有足夠承載能力，又兼顧了經(jīng)濟(jì)性[8]。

1.2 設(shè)計(jì)條件

雙井口試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)主要取決于被試產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、鉆井工況時(shí)的最大載荷值、載荷分布以及被試產(chǎn)品與試驗(yàn)裝置的連接等。

設(shè)計(jì)要求：無鉆臺(tái)情況下，HJJ1150型海洋動(dòng)態(tài)雙井口井架能在試驗(yàn)裝置上安裝；能夠同時(shí)加載、差異化加載，即，主井口施加11 500 kN靜鉤載，同時(shí)在副井口施加6 750 kN的靜鉤載；逐級加載測試完成后，重新在副井口施加11 500 kN靜鉤載，同時(shí)在主井口施加6 750 kN的靜鉤載。

1.3 雙井口井架關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

最大鉤載 11 500 kN+11 500 kN

井架有效高度 64 m

井架底部尺寸 25.8 m×10.5 m

井架雙井口間距 18 m

2 載荷試驗(yàn)要求

載荷試驗(yàn)是模擬雙井口井架在作業(yè)工況時(shí)主井口達(dá)到最大11 500 kN、副井口達(dá)到最大6 750 kN的承載情況，加載過程中采集雙井口井架關(guān)鍵點(diǎn)位的應(yīng)力數(shù)據(jù)，兩側(cè)加載裝置逐級加載到最大鉤載后緩慢卸載到0 kN。待雙井口井架恢復(fù)變形后調(diào)整加載數(shù)據(jù)，重新對副井口加載到最大11 500 kN、主井口加載到最大6 750 kN，依照前一次的加載程序逐級加載并采集應(yīng)力數(shù)據(jù)。由此完成雙井口井架的載荷試驗(yàn)，然后對加載過程中的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出、最終形成試驗(yàn)報(bào)告。

3 雙井口井架載荷試驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)方案

3.1 雙井口試驗(yàn)裝置技術(shù)參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)要求，雙井口試驗(yàn)裝置至少由4部分組成，分別滿足HJJ1150型海洋動(dòng)態(tài)雙井口井架在試驗(yàn)臺(tái)上的安裝、載荷施加、載荷傳遞、應(yīng)力采集及結(jié)果輸出。主要技術(shù)參數(shù)：

最大靜載荷加載能力 13 000 kN+13 000 kN

試驗(yàn)裝置外形尺寸 31.2 m×6.03 m×4.42 m

3.2 雙井口載荷試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)方案

雙井口載荷試驗(yàn)裝置由左右兩套結(jié)構(gòu)相同、承載能力相同的井口加載裝置構(gòu)成，每套井口加載裝置主要由加載梁、承載梁、加載油缸及配套控制系統(tǒng)等組成。

1) 該種方案的好處在于能夠?qū)?1 500 kN垂直載荷轉(zhuǎn)化為被試產(chǎn)品與試驗(yàn)裝置組成系統(tǒng)的內(nèi)力，由此將大幅降低試驗(yàn)過程對周圍地基的承載要求和整體制造成本。

2) 承載梁采用實(shí)腹結(jié)構(gòu)與桁架結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方案，滿足承載要求的同時(shí)降低了承載梁的生產(chǎn)制造難度；承載梁雙梁結(jié)構(gòu)增大了加載裝置與安裝底座之間的接觸面積，并且兩段式結(jié)構(gòu)也解決了超長件運(yùn)輸困難的問題。

3) 可移動(dòng)式的加載梁不僅適用于常見六支腿式、八支腿式海洋雙井口井架載荷試驗(yàn)的要求，也適用于自升式單井口井架、塔形井架、常規(guī)陸地鉆機(jī)等的載荷試驗(yàn)要求，擴(kuò)展了雙井口試驗(yàn)裝置的適用范圍。

4) 兩套井口加載裝置能夠輕松實(shí)現(xiàn)兩側(cè)油缸的同時(shí)加載和差異化加載的要求，并且都能達(dá)到最大13 000 kN的加載能力；集成了動(dòng)力源和控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)采集功能的移動(dòng)控制房，方便現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)設(shè)備的安裝和使用。

3.3 雙井口井架載荷試驗(yàn)步驟

HJJ1150型海洋動(dòng)態(tài)雙井口井架為首次研發(fā)產(chǎn)品，必須進(jìn)行11 500 kN的最大鉤載載荷試驗(yàn)，驗(yàn)證雙井口井架主體的承載能力和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也是對雙井口井架設(shè)計(jì)和制造過程的檢驗(yàn)，為該種結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算和有限元分析結(jié)果提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

雙井口井架載荷試驗(yàn)操作步驟：

1) 將相當(dāng)于海洋平臺(tái)甲板的工裝安裝底座安裝在雙井口井架試驗(yàn)裝置上。

2) 從下段開始逐件將雙井口井架組裝起來，并且利用工裝天車代替產(chǎn)品配套的天車補(bǔ)償裝置。

3) 鉆井鋼絲繩穿入游吊系統(tǒng)后，通過連接工裝將游吊系統(tǒng)連接到加載裝置油缸上；與此同時(shí)，雙井口井架主體關(guān)鍵測點(diǎn)的應(yīng)力采集裝置、參照點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)識(shí)等也必須安裝到位。

4) 鉆井鋼絲繩一端固定在工裝安裝底座上、另一端通過張緊裝置將游吊系統(tǒng)張緊；為了使鉆井鋼絲繩充分張緊，通常要求傳到游吊系統(tǒng)的鋼絲繩預(yù)緊力必須達(dá)到800～1 000 kN。

5) 再次確認(rèn)各部件連接到位、人員到位后，開始按照試驗(yàn)大綱要求逐級對雙井口井架兩側(cè)的井口進(jìn)行加載，加載過程應(yīng)均勻、緩慢，直到兩側(cè)井口都達(dá)到要求的最大鉤載；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依次記錄各鉤載值時(shí)的應(yīng)力數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)人員依次記錄相應(yīng)的井架主體變形量。

6) 主井口最大載荷11 500 kN、副井口最大載荷6 750 kN加載完成后，緩慢卸載到0 kN。間隔一定時(shí)間后按照試驗(yàn)大綱的要求進(jìn)行副井口最大載荷11 500 kN、主井口最大載荷6 750 kN的加載試驗(yàn)，直至完成所有試驗(yàn)檢測項(xiàng)目。

1—工裝天車；2—雙井口井架；3—鉆井鋼絲繩；4—游車；5—連接工裝；6—工裝安裝座；7—雙井口加載裝置。

4 液壓加載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓加載控制系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作、精確控制油缸載荷外，還應(yīng)保證液壓系統(tǒng)的小載荷低壓穩(wěn)壓和大載荷高壓保壓的功能；另外，液壓加載控制系統(tǒng)中還配備了壓力采集、載荷數(shù)據(jù)顯示、試驗(yàn)報(bào)告輸出等設(shè)備，從而提高了試驗(yàn)裝置的自動(dòng)化程度和安全性，如圖3。

1—液壓站；2—壓力表；3—壓力變送器；4—數(shù)控系統(tǒng)；5—手電雙控?fù)Q向閥；6—手動(dòng)泄壓閥；7—比例溢流閥；8—電磁換向閥；9—手動(dòng)調(diào)壓閥。

5 加載梁和承載梁設(shè)計(jì)

加載梁用于加載油缸的安裝，并且橫置于地坑下部；試驗(yàn)時(shí)加載梁兩端的上表面與承載梁下表面相接觸，加載油缸收縮時(shí)通過接觸面將載荷傳遞到承載梁上。承載梁放置在地坑中，其上表面與周圍地面相平齊，是雙井口載荷試驗(yàn)裝置的主承載部件，具有抵抗彎曲變形、傳遞試驗(yàn)載荷、轉(zhuǎn)化受力方式的作用，總體結(jié)構(gòu)如圖4。

1—加載油缸Ⅰ；2—加載梁Ⅰ；3—承載梁Ⅰ；4—加載梁Ⅱ；5—承載梁Ⅱ；6—加載油缸Ⅱ；7—輔助梁。

5.1 關(guān)鍵部件有限元分析

基于大型有限元分析軟件ANSYS對最惡劣使用工況時(shí)的雙井口試驗(yàn)裝置一側(cè)井口的主承載梁和下部加載梁的受力進(jìn)行了計(jì)算分析。

雙井口試驗(yàn)裝置加載梁所要適應(yīng)的最惡劣工況為大跨距單井口鉆機(jī)的加載試驗(yàn)，該試驗(yàn)工況時(shí)內(nèi)側(cè)開檔中心距8 850 mm，外側(cè)開檔中心距13 450 mm，最大鉤載為13 000 kN，如圖5所示。

1—承載梁；2—加載梁；3—加載油缸；4—鉆機(jī)底座梁。

根據(jù)上述工況條件和試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)的對稱性建立了單側(cè)井口1/4有限元加載模型，如圖6～7。

1) 有限元模型采用四面體網(wǎng)格，單元類型選用帶中間節(jié)點(diǎn)的Solid186實(shí)體單元，以減小四面體網(wǎng)格的剛性。

圖6 加載裝置1/4計(jì)算分析模型約束

圖7 加載裝置1/4計(jì)算分析模型網(wǎng)格劃分

2) 各對稱面均采用對稱約束。

3) 在有限元分析中，零位移約束為絕對的剛性約束，對應(yīng)力分析結(jié)果影響較大，這和實(shí)際情況有所不同(絕大多數(shù)約束為彈性約束)。由于剛性約束邊界只影響附近小范圍的應(yīng)力分布，為了提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)圣維南原理，可使模型的約束邊界遠(yuǎn)離所關(guān)心的關(guān)鍵區(qū)域。基于該原則，建模時(shí)將承載梁上部的鉆機(jī)底座加高到3 m，然后對其上表面進(jìn)行約束，這樣處理之后，鉆機(jī)底座剛度對承載梁接觸面處位移變化的影響可以忽略不計(jì)，如圖6；因此，查看計(jì)算結(jié)果時(shí)只對加載梁和承載梁進(jìn)行分析判定[10]。

4) 鉆機(jī)底座與加載梁之間、加載梁與承載梁之間均采用接觸的模型，設(shè)置了相應(yīng)的摩擦因數(shù)；并且對接觸位置網(wǎng)格進(jìn)行了局部細(xì)化，進(jìn)一步降低了約束對計(jì)算結(jié)果的影響。

5) 1/4載荷施加在加載梁連接耳座的銷軸孔上。

5.2 結(jié)果分析

加載裝置的加載梁和承載梁在大跨距、13 000 kN最大載荷工況試驗(yàn)時(shí)，可采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)于受彎構(gòu)件(梁)的計(jì)算和設(shè)計(jì)的方法來進(jìn)行校核。校核結(jié)果顯示：承載梁中心面處的最大合成應(yīng)力為151 MPa，而承載梁上所有材料均為Q345B，該材料的屈服極限為325 MPa；因此，承載梁主體手工計(jì)算結(jié)果的安全系數(shù)為2.15，滿足強(qiáng)度要求[9]。

有限元分析結(jié)果如圖8～9。加載梁主體中心面位置處的應(yīng)力為140～175 MPa，與經(jīng)典方法計(jì)算的結(jié)果接近，由此證明有限元模型和分析方法是合理的。

圖8 加載梁應(yīng)力分布云圖

圖9 最大應(yīng)力位置點(diǎn)

圖9中顯示了最大應(yīng)力位置，該處位于加載梁油缸連接耳座根部，屬于焊縫連接處，最大應(yīng)力約為261 MPa。出于安全考慮，加載梁的連接耳座在設(shè)計(jì)之初就選用了屈服強(qiáng)度為530 MPa的高強(qiáng)度材料，具有2.03的安全系數(shù)。所以加載梁滿足設(shè)計(jì)要求[11]。

6 結(jié)論

1) 針對HJJ1150型海洋動(dòng)態(tài)雙井口井架設(shè)計(jì)的雙井口載荷試驗(yàn)裝置，自動(dòng)化程度高、操作簡單、安全可靠，可以滿足雙井口井架安裝，同時(shí)滿足加載、差異化加載、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)采集的試驗(yàn)要求。

2) 有限元分析和經(jīng)典方法計(jì)算的結(jié)果均表明，本文設(shè)計(jì)的雙井口井架載荷試驗(yàn)裝置的強(qiáng)度可以滿足該雙井口井架的載荷試驗(yàn)要求。

3) 通過現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了雙井口井架產(chǎn)品的承載能力、整體穩(wěn)定性，還驗(yàn)證了雙井口井架試驗(yàn)裝置的安全性和可靠性，為海洋裝備產(chǎn)品、試驗(yàn)工裝的研制提供了良好的參考依據(jù)。由此證明雙井口載荷試驗(yàn)裝置可用于非海洋平臺(tái)環(huán)境下雙井口井架的載荷試驗(yàn)與研究。