基于SAFI的ZJ40DB撬裝旋升式井架底座的設(shè)計(jì)*

郝保川，韓 猛

(山東科瑞機(jī)械制造有限公司,山東 東營(yíng) 257067)

0 引 言

近年來(lái)，對(duì)于4 000 m以下的鉆機(jī)，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家達(dá)成了共識(shí)，認(rèn)為推廣車(chē)載鉆機(jī)，發(fā)展撬裝鉆機(jī)已經(jīng)成為大趨勢(shì)[1]。車(chē)載鉆機(jī)本身具有移運(yùn)性能好、拆裝簡(jiǎn)單方便、起升井架迅速、占地面積小等特點(diǎn)，越來(lái)越受歡迎。但由于產(chǎn)油國(guó)地理因素不同，客戶(hù)使用習(xí)慣不同，情況千差萬(wàn)別，撬裝鉆機(jī)也是必不可少的選擇之一[2]。

目前，常規(guī)ZJ40DB撬裝井架底座普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜拆裝困難、經(jīng)濟(jì)性和可靠性不足、鉆臺(tái)面高度不足影響組合防噴器安裝、鉆臺(tái)面空間不足影響施工操作等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型ZJ40DB撬裝旋升式井架底座。該井架底座具有拆裝方便、經(jīng)濟(jì)性和可靠性高、鉆臺(tái)面空間大、臺(tái)面高度高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 技術(shù)參數(shù)

井架底座的技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 井架底座技術(shù)參數(shù)

1.2 主材料

該井架底座t12以上的板材、H型鋼、方管選用材料的材質(zhì)為Q355D；承載要求較高的銷(xiāo)軸、起升滑輪軸選用材料的材質(zhì)為40CrNi2MoA，其余銷(xiāo)軸材料的材質(zhì)為42CrMo。

井架底座的主型材選取如表2所示。

表2 井架底座主型材

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

井架底座的三維模型如圖1所示[3]。

圖1 底座模型圖

(1) 如圖1所示，底座主要由底層、頂層、中層、臺(tái)面內(nèi)外圍等部件組成。如圖2所示，井架主結(jié)構(gòu)為前開(kāi)口K型，背面有拉桿、橫梁與主體各段相連，主體各段間均為銷(xiāo)軸連接。井架上配有二層臺(tái)，同時(shí)配有通往二層臺(tái)的籠梯，配有死繩固定器、快繩穩(wěn)繩器、大鉗平衡重等井架附件。

圖2 井架模型圖

(2) 如圖1、2所示，井架底座采用模塊化設(shè)計(jì)。各模塊之間使用銷(xiāo)軸連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便。井架底座采用旋升式結(jié)構(gòu)，相對(duì)于目前普遍存在的箱疊式結(jié)構(gòu)和雙升式結(jié)構(gòu)，旋升式結(jié)構(gòu)具有拆裝方便，起升過(guò)程無(wú)需更換起升大繩，起升過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。如圖3所示，井架底座能夠?qū)崿F(xiàn)高臺(tái)面設(shè)備的低位安裝，鉆臺(tái)上的設(shè)備(轉(zhuǎn)盤(pán)、轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置、液壓貓頭等)均可低位安裝，安裝迅速可靠。

圖3 井架底座起升狀態(tài)圖

(3) 利用有限元分析軟件SAFI進(jìn)行設(shè)計(jì)減重。井架底座總重量為198 t，與常規(guī)ZJ40DB井架底座相比，重量減輕15%以上，有效降低了制造成本，顯著提高了鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

(4) 常規(guī)ZJ40DB鉆臺(tái)面高度普遍為3～5 m，該底座鉆臺(tái)面高度為7.5 m。完全滿(mǎn)足深井鉆機(jī)對(duì)井口安裝組合防噴器的要求，并可使泥漿回流管有足夠的回流高度、同時(shí)方便安裝多層頭套頭及泥漿凈化裝置。

(5) 臺(tái)面長(zhǎng)度為12.6 m，寬度為10.3 m。與常規(guī)ZJ40DB井架底座相比，臺(tái)面面積大20%以上，完全滿(mǎn)足鉆臺(tái)面施工過(guò)程中對(duì)操作空間的要求，并且有足夠的空間放置井口工具。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

運(yùn)用有限元分析軟件SAFI對(duì)井架底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。SAFI是SAFI Quality Software公司開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，完全滿(mǎn)足石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 4F 5th的要求，該軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果提供了一個(gè)Limit States值，只要該值小于1，便表示該單元強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足要求[4]。

按照API SPEC 4F 5th[5]的要求，井架底座使用工況下的Limit States值如圖4所示，井架底座起升工況下的Limit States值如圖5所示[6]。

圖4 井架底座使用工況下的Limit States值

圖5 井架底座起升工況下的Limit States值

表3 井架底座各工況下Limit States值前10位的單元列表

如表3所列，在API SPEC 4F 5th規(guī)定的各個(gè)工況下，最大Limit States值出現(xiàn)在井架起升工況下的井架右II段的1156號(hào)單元，最大Limit States值為0.95，其值小于1，從而表明該井架底座滿(mǎn)足API SPEC 4F 5th規(guī)范的要求。

3 結(jié) 論

(1) 此設(shè)計(jì)井架底座采用SolidWorks三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用有限元分析軟件SAFI進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明設(shè)計(jì)安全可靠性符合API SPEC 4F 5th規(guī)范的要求。

(2) 此設(shè)計(jì)ZJ40DB撬裝旋升式井架底座具有拆裝方便、經(jīng)濟(jì)性高、鉆臺(tái)面高度高、鉆臺(tái)面空間大等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。