5000 m地質巖心鉆機卡鉆工況下瞬態動力學仿真

韓菲，黃洪波，王玉丹，雷康，賀鑫，吳海泉，程斯一，姚鄒，文國軍

(1.中國地質裝備集團有限公司，北京 100016；2.中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院，武漢 430074；3.湖北省智能地質裝備工程技術研究中心，武漢 430074)

0 引言

我國礦產資源比較豐富，淺層礦和地表礦產等資源隨著礦產資源勘查力度的不斷加強在日益減少，探礦的難度也在不斷增大[1]。目前地質巖心勘探正朝著大深度、復雜地層勘探邁進。突破復雜地層的技術限制，完成更大深度的尋找礦藏工作是我國能源可持續發展的重要戰略[2]。大深度地質巖心鉆探技術是礦產勘查的重要手段，而鉆機井架是鉆探作業中的必備裝置，用于安放天車等設備與工具，提供起下鉆空間，屬于塔式鋼架結構。鉆機井架長期受到交變載荷與振動等的影響，容易發生變形、疲勞等形式的損壞，分析井架在受到各類載荷下的動力學特性具有重要意義。

隨著有限元相關理論及應用的擴展，基于有限元分析的井架動態特性的研究亦被推進。任國友等利用ANSYS有限元分析軟件對K型井架進行了動力學分析，通過結果比對，建立了井架的動力學評判標準[3]。付春艷等通過有限元方法分析了井架不同工況下的瞬態特性，且討論了井架起放過程的加速度變化趨勢和危險點[4]。王樹忠等為研究井架和鉆探設備的振動干擾問題，對井架和底座進行了模態分析和諧響應分析，結果顯示在井架的低階自振頻率(前四階)時容易與鉆探設備發生共振[5]。本文對地質巖心鉆機井架卡鉆工況載荷下進行了瞬態動力學分析，即井架在卡鉆情況下的瞬態動力學響應，并通過仿真分析得出了井架在這種特殊工況下的危險點。

1 深孔地質巖心鉆探井架的結構特點

鉆機井架屬于細長鋼架結構，在外部載荷或者慣性力的作用下，井架頂端的水平位移比較大，晃動比較劇烈，從而引起整個井架的振動。當鉆探深度增加時，鉆機需要配備更長的鉆具，井架的有效尺寸會明顯的增大，井架的振動會更容易發生。因此，深孔地質巖心鉆探井架需要在滿足大尺寸的同時，還要保證井架具有良好的強度、剛性和穩定性。

深孔地質巖心鉆探中，井架通常設計為K型井架。K型井架是一種前開口的、多段拼接的鋼架結構[6]。一般分為4～6段，運輸時拆分成單個井架段，可在地面低位根據要求進行拆卸、組裝，在下放過程中一般進行整體吊放。K型井架的整體是一個焊接鋼架結構，具有整體剛性好的優點。

2 卡鉆工況下井架的載荷分析

深孔地質巖心鉆探過程中，由于地層條件比較復雜，鉆頭遇到巖石縫等情況時會發生卡鉆事故。卡鉆事故發生后，鉆具的軸壓力和扭矩將達到最大值，同時反作用力會對井架產生同樣大的沖擊。根據能量守恒原則，突然發生卡鉆時動能完全轉化為勢能，會對井架產生明顯的沖擊作用?？梢愿鶕?1)和式(2)確定相應的軸壓力F1與回轉扭矩T1[7]：

(1)

(2)

式中：F0為鉆機額定軸壓力，取值F0=530 kN；T0為鉆機額定轉矩，取值T0=14 kN·m；k1和k2分別是系統的剛度系數和扭轉剛度系數，根據參考文獻[8]，取值k1=3.1×109N·m，k2=8.6×103N·m·rad-1；m0為頂驅動力頭與鉆具質量和，取值m0=16 736 kg；J為轉動慣量，根據實際鉆桿的規格計算可得J=127 kg·m2；v為最大額定鉆進速度，取值v=0.42 m/min(即0.007 m/s)；ω為鉆頭的回轉速度，ω=170 r/min(即17.69 rad/s)。

通過式(1)和式(2)可計算得到最大軸壓力和最大轉矩分別為：F1=580 kN，T1=32.5 kN·m。鉆具的軸壓力和最大轉矩會反作用于井架，做井架的動力學仿真時將卡鉆時的最大軸向力F1和最大轉矩T1加載到鉆架的頂端四個節點上進行模擬。

3 井架的瞬態動力學仿真分析

3.1 井架的仿真模型

K型井架是一個以梁和桿為主的空間鋼架結構，結構較為復雜，為了減少仿真計算的工作量，在不影響仿真結果的前提下，對井架提出如下假設，并對其模型進行簡化：①忽略井架上為安全施工而人為設置的附屬結構，將質量點添加在井架的相應節點上，本文只研究井架結構的應力和應變；②為了便于分析，認定井架的梁與桿為剛性固連，井架各段之間采用鉸接固定[9]；③井架底部和底座之間采用全約束。

在ANSYS Workbench的DM模塊中設置好尺寸，繪制空間草圖連成線體，設置合理的截面形狀和尺寸參數，完成井架有限元模型的建立，見圖1。

圖1 井架有限元模型Fig.1 Finite element model of derrick

井架的材料設定為Q345，根據Newmark方法估算出求解時間步為0.0059 s[10]。相關的井架參數及仿真參數的設置見表1和表2。

表1 井架的材料參數Tab.1 Material parameters of derrick

表2 求解參數設定Tab.2 Setting of solution parameter

3.2 仿真載荷設置

圖2 卡鉆時井架載荷步設置Fig.2 Setting of derrick load step during sticking

卡鉆載荷通過鉆具和鋼絲繩傳遞給井架，力作用在井架頂端的節點上。本文主要研究井架在正常鉆進時突然卡鉆的瞬態特性，卡鉆事故的載荷步設置如圖2所示。第一載荷步是鉆機啟動狀態，時刻為0～1.0 s，軸壓力和轉矩從零逐漸增大，1.0 s達到正常鉆進載荷值，此時的軸壓力為530 kN，轉矩為14 kN·m。第二個載荷步是鉆機穩定運行狀態，1.0～2.0 s軸壓力和轉矩保持不變。第三個載荷步是突發卡鉆狀態，時刻為2.0～2.1 s，軸壓力突增至580 kN，轉矩突增至32.5 kN·m。第四載荷步是卡鉆后瞬態力的維持階段，時刻2.1～10.0 s，軸壓力和轉矩保持在卡鉆狀態下。

3.3 卡鉆情況下的井架瞬態動力學分析

一般情況下，井架受到瞬態載荷時頂端振動幅度較大，因此本文僅對井架頂端節點進行了位移和速度響應分析。圖3是卡鉆情況下，井架頂端在不同方向的瞬態位置響應曲線和速度響應曲線。

圖3 卡鉆情況下井架的瞬態響應Fig.3 Transient response of derrick under sticking

由圖3可以得出，井架z向(立柱軸向)和y向(側向)振動的幅度都比較小，因此可忽略這兩個方向的位移響應。井架x向(前開口方向)的振動幅度比較大，時間t≈2.7 s時最大位移量為34.9 mm，位移為負。由此說明：在整個振動過程中，井架表現為向后傾倒，人字架彎曲受力，振型表現為后傾變形，井架整體擠壓人字架，導致人字架出現彎曲變形。時間t≈2.3 s時，井架頂端的速度達到最大值為92.8 mm/s，此時振動速度較快；時間t≈3.0 s后井架的位移和速度響應在阻尼的作用下逐漸變小歸為穩態。

4 結論

本文主要對地質巖心鉆機井架在卡鉆工況下的載荷進行了分析，并通過ANSYS對井架的瞬態動力學進行了仿真分析，可以得出結論：在卡鉆工況下，井架有向后傾的趨勢，人字架容易彎曲是主要危險點，隨著時間推移，整個井架的位移和速度在阻尼的作用下逐漸變小歸為穩態。