高寒列車式鉆機躍層固控系統研究

鄔 柯，唐 浩，楊 斌，楊新超，李 敏，吳 寒

(四川宏華石油設備有限公司，四川 廣漢 618300)

0 引言

21世紀以來，隨著較易開采的油氣藏逐年減少，為滿足人類社會活動的需要，人們將目光投向難以開采的寒冷地帶和極地，從而促使適合寒冷地帶和極地使用的列車式鉆機迅速發展[1]。

高寒地區是指因高緯度形成的特別寒冷的氣候區，常年在-45 ℃～-20 ℃，極寒時低于-60 ℃。高寒列車式鉆機采用輪軌+滑軌叢式移運，要求該類型鉆機配套的固控系統能通過液壓動力隨主機沿軌道做遠距離移動，實現叢式井作業[2,3]。固控系統作為鉆井作業的關鍵裝備，在保障鉆井作業的同時，也占據了大量井場面積，目前傳統列車式鉆機的固控系統就占據鉆機系統整機占場面積的60%。因此，如何在有限的井場上盡量減少固控系統的占地面積，同時還要保證其滿足鉆井作業的泥漿處理能力，還要實現模塊化滿足高寒鉆機移運的要求，這是對固控系統布局設計的一大挑戰。本文通過對高寒鉆機固控系統進行系統研究，提出了躍層固控系統的概念，并開展動力學分析研究，以滿足保溫和安全性的要求。

1 高寒鉆機躍層固控系統技術方案

1.1 固控系統結構設計

傳統低溫固控系統采用兩層布局，如圖1所示，罐體和固控裝備在底層一字排開，人行及操作區域置于第二層，外側采用保溫棚保護，這種布局不僅冗長，占用了大量井場面積，也難以集中監測控制，更擴大了散熱面積，增大了保溫空間。

圖1 傳統固控系統平鋪布局

本文針對傳統低溫固控系統的不足和高寒鉆井需要，提出“處理能力強、節約井場、模塊化、抗寒保溫、安全可靠”的固控系統設計思路，突破傳統固控系統平鋪式布局，提出固控系統由水平向空間發展的理念，創新性地研發了短距離、高體表比、躍層式復合固控系統，如圖2所示。罐體和固控設備置于底層，便于集中監測控制，第二層是人行及操作空間，第三層放置儲備罐，并且可以根據鉆井需要配置數量，第四層作為人行及操作區域，固控系統的外側安裝一體化保溫棚。

圖2 躍層固控系統

1.2 躍層式復合固控系統模塊化設計

如圖3所示，躍層式復合固控系統采用模塊化設計，積木式搭建的固控撬座和滑撬座融合為一體，保溫棚和固控系統設計為一個整體，結構空間更緊湊。該設計減少了保溫空間和加熱空間(節約加熱功率約190 kW)，也減少了生產和客戶運行成本。所有罐體和固控設備均采用模塊化設計，分別置于固控撬座上，固控撬座和平移滑撬融合，安裝拆卸方便快捷。保溫棚與固控系統一體化設計，頂框為整體式結構，立柱接口躍層密封，過電纜處采用插接，保溫效果好。

圖3 躍層復合固控系統模塊化結構

新型躍層固控系統與傳統固控系統相比，布局長度減少43.86%，散熱面積減小24.48%，保溫空間減少24.49%，有效節約了井場面積，降低了建場成本，大大減少了保溫能耗。

2 躍層固控系統動力學分析

2.1 有限元模型的建立

根據躍層固控罐的實際設計尺寸，采用Autodesk Inventor 2017建立了躍層固控罐的幾何模型，如圖4所示。然后在把三維模型導入ANSYS Workbench中，并根據實際情況下固控罐各部分材料的主要參數，對固控罐的各部分組件設置相應的材料屬性、截面尺寸，完成網格的劃分，整個固控罐劃分為149 069個網格、279 233個節點。

圖4 躍層固控罐幾何模型

根據躍層固控罐的實際工況可知，固控罐在使用過程中主要受到罐內流體對罐壁的壓力、自身的重力以及罐底座受到的相應支持力。其中，流體對罐壁的作用力通過在罐內添加液體靜壓力的方式得以實現，根據固控罐的充液情況，又分為滿載、半載兩種工況；自身重力通過添加重力加速度得以實現；支持力則通過對罐底進行全自由度約束得以實現。罐內液體靜壓力加載和罐底全位移約束分別如圖5、圖6所示。

圖5 罐內液體靜壓力加載 圖6罐底全位移約束 圖7滿載工況下固控罐變形云圖

2.2 變形分析

在滿載工況下，仿真得到的躍層固控罐變形云圖如圖7所示。

由圖7可知：整體上，上下兩層固控罐變形較大的區域主要在罐底、橫梁以及橫梁連接的前后罐壁處，其中，罐底中間區域變形量較大，隨著往四周延伸變形逐漸減小；橫梁上的變形在中間區域較大，隨著往兩側的伸展變形逐漸減小；而前后罐壁的變形呈現隨著與罐壁上的兩個變形較大區域距離的增加而逐漸減小；最大變形出現在上部固控罐的中心區域，其值為2.419 7 mm。

在半載工況下，躍層固控罐的變形云圖如圖8所示。

由圖8可知：整體上，固控罐變形較大的區域主要在罐底處，罐底中間區域變形量較大，隨著往四周延伸變形逐漸減小；最大變形也出現在罐底的中心區域處，其值為1.552 7 mm。

對比分析兩種工況下躍層固控罐的變形可知：兩種工況下，上層固控罐罐底的變形量都較大，最大變形也出現在該區域；在滿載情況下，下層固控罐的罐壁及橫梁也存在較大的變形，而半載情況下，罐壁及橫梁變形較小。

2.3 應力分析

在滿載工況下，躍層固控罐的應力云圖如圖9所示。

由圖9可知：躍層固控罐應力較大的區域主要在固控罐之間支撐件的連接位置以及罐壁與罐底連接處，其余部位應力值相對較小；應力最大值出現在罐壁與罐底連接位置，其值為124.12 MPa，考慮到罐體材料為Q235B(許用應力為235 MPa)，安全系數為235/124.12=1.89>1，罐體安全。

在半載工況下，躍層固控罐的應力云圖如圖10所示。

由圖10可知：與滿載工況的應力分布情況相近，半載情況下，躍層固控罐應力較大的區域也主要在固控罐之間支撐件的連接位置以及罐壁與罐底連接處，其余部位應力值相對較小；與滿載工況略有不同的是其最大應力點出現在固控罐之間的支撐件連接位置，其值為71.268 MPa，安全系數為235/71.268=3.3>1，罐體安全。

通過對比兩種工況下躍層固控罐的應力云圖可知：兩種工況下，支撐件與兩罐間的連接位置及罐壁與罐底連接位置都存在較大的應力；兩種工況的最大應力位置不同，滿載工況下，最大應力出現在罐壁與罐底連接處，而半載工況下，最大應力出現在支撐件與上層固控罐的連接位置；兩種工況下的最大應力值都小于許用應力，安全系數足夠，罐體安全。

3 結論

針對高寒地區鉆井對固控系統在性能、空間、運移、保溫及安全等方面的要求，開展了高寒鉆機固控系統躍層復合結構優化設計關鍵技術研究，確保了固控系統節約井場、快捷拆裝、抗寒保溫、安全可靠。

(1)提出了固控系統由水平向空間發展的理念，開展了空間結構設計以及固控系統方案對比分析研究。

圖8半載工況下固控罐變形云圖 圖9 滿載工況下固控罐應力云圖 圖10 半載工況下固控罐應力云圖

(2)突破傳統固控系統平鋪式布局，創新性研發了短距離、高體表比、躍層式復合固控系統，與傳統固控系統相比，減少了布局長度、散熱面積和保溫空間，有效節約了井場面積，降低了建造成本，大大降低了保溫能耗。

(3)開展了固控系統模塊動力學仿真分析研究，分析了躍層固控系統在滿載和半載條件下的變形和應力，掌握了固控系統在多種復雜工況下的動力學特性，確保了固控系統的安全可靠。