，，，，

(1. 油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102206； 2.中國(guó)石油集團(tuán) 工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206； 3. 北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 102206)①

ZJ90/6750DB-S型四單根立柱超深井鉆機(jī)，采用4單根1立柱(37.5 m)進(jìn)行鉆井作業(yè)，減少起下鉆時(shí)間，滿足塔里木油田山前地區(qū)深井、超深井提高鉆井作業(yè)速度及效率的需求。該型鉆機(jī)的井架是國(guó)內(nèi)最高、最重的K型井架。相對(duì)于常規(guī)9 000 m三單根立柱鉆機(jī)，四單根立柱鉆機(jī)井架高度增加了9.5 m，有效高度57.5 m，總高度達(dá)68 m；質(zhì)量大、且整體重心上移。因而導(dǎo)致井架起升重力矩大，起升難度大。為解決井架起升難題，本文采用理論公式計(jì)算和有限元計(jì)算的雙重方法對(duì)井架的起升載荷進(jìn)行計(jì)算，以確保其準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，利用有限元方法對(duì)井架起升強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算[1-7]，以使其強(qiáng)度滿足API 4F規(guī)范[8]要求，確保井架起升安全。

1 井架起升載荷計(jì)算

1.1 井架結(jié)構(gòu)及起升原理

四單根立柱鉆機(jī)井架為前開口K型井架，主體分為6段，有效高度57.5 m，井架總高度68 m。游動(dòng)系統(tǒng)采用7×8輪系，有效繩數(shù)為14，最大鉤載6 750 kN。井架主要承載構(gòu)件采用Q420E材料H型鋼。井架上安裝有四單根二層臺(tái)、輔助油管臺(tái)等。井架在近地面水平安裝完成后，采用絞車動(dòng)力，利用人字架將井架整體起升到垂直工作位置[9]。

井架起升載荷計(jì)算所考慮的載荷包括重力、起升載荷。其中，重力包括井架、天車、大鉤、鋼絲繩等自重；起升載荷包含快繩拉力、起升大繩拉力和大鉤載荷。井架起升過程的每個(gè)位置都處于近似靜力平衡狀態(tài)，由此計(jì)算起升時(shí)快繩拉力[10]。另外，井架起升載荷隨井架起升逐步減小，即當(dāng)井架處于初始起升角度時(shí)，起升載荷最大。因此，以初始起升角的工況為最惡劣工況進(jìn)行井架起升載荷計(jì)算。初始起升角為井架在即將起升前井架主體與水平面之間的夾角，其值為5°。井架起升的初始狀態(tài)如圖1所示。

1.2 理論公式法計(jì)算井架起升載荷

井架起升過程近似靜力平衡，絞車牽引產(chǎn)生的起升力矩與重力所產(chǎn)生的重力矩大小相等。快繩拉力、起升大繩拉力以及大鉤載荷之間相互關(guān)系式如(3)～(4)。

∑M重=∑M拉

(1)

G井L井+G游L游+G繩L繩+G天L天=P快L3+P起(L1+L2)

(2)

2P起cos(θ/2)=P鉤

(3)

P鉤=NP快

(4)

式中：∑M重為井架起升的重力矩總和，kN·m；∑M拉為快繩與起升大繩拉力的起升力矩總和，kN·m；P快為快繩拉力，kN；P起為起升大繩拉力，kN；P鉤為大鉤載荷，kN；N為鋼絲繩有效繩數(shù)，取值14；θ為大鉤處兩起升大繩的夾角，井架起升初始時(shí)，θ為70°；G為各部件的重力，kN；L為各載荷相對(duì)于井架大腿支腳的力臂，m。

由井架和人字架的幾何關(guān)系可以得到各載荷所對(duì)應(yīng)的力臂數(shù)值；另外，L1=9.80 m，L2=11.00 m，L3=13.32 m。各部件的重力如表1。

表1 各部件重力載荷與力臂

經(jīng)計(jì)算得：

∑M重=51 912 kN·m，P快=140.2 kN，P起=1 197.9 kN，P鉤=1 962.6 kN。

1.3 有限元法計(jì)算井架起升載荷

井架采用Beam188梁?jiǎn)卧M(jìn)行有限元建模，共產(chǎn)生254個(gè)節(jié)點(diǎn)，479個(gè)單元(如圖1)。支腳處(節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2)只釋放x向旋轉(zhuǎn)自由度；高支架支撐處(節(jié)點(diǎn)115和節(jié)點(diǎn)116)僅施加y向約束UY。

計(jì)算方法如下[10]：先賦給快繩拉力一個(gè)初始值進(jìn)行試算，然后，判斷支撐處節(jié)點(diǎn)115和節(jié)點(diǎn)116處y向的約束反力是否為0，如接近0，則賦予的初始值即為快繩拉力，否則，重新賦予快繩拉力新的數(shù)值，直至節(jié)點(diǎn)115和節(jié)點(diǎn)116處y向約束反力近似為0。待計(jì)算得到快繩拉力后，可換算起升大繩拉力和大鉤載荷。

經(jīng)計(jì)算得：P快=141.0 kN，P起=1 205.0 kN，P鉤=1 974.0 kN。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2種方法計(jì)算得到的起升載荷接近，相差小于0.6%。計(jì)算結(jié)果得到相互驗(yàn)證，保證了計(jì)算的精確性。

2 井架起升強(qiáng)度有限元仿真分析

為保證井架強(qiáng)度滿足起升工況要求，滿足API 4F規(guī)范的要求，對(duì)風(fēng)載(風(fēng)向?yàn)閤向，風(fēng)速為16.5 m/s)耦合下的井架起升強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，得到井架應(yīng)力和變形狀態(tài)，如圖2～3所示。

圖2 井架起升工況等效應(yīng)力云圖

圖3 井架起升工況變形云圖

從圖2～3可以看出，起升時(shí)井架的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在井架前側(cè)大腿上。井架大腿是井架的主要承載結(jié)構(gòu)，為更好地觀察井架大腿整體的應(yīng)力分布狀態(tài)，圖4給出了井架前側(cè)一大腿上各單元的最大等效應(yīng)力曲線，橫坐標(biāo)為井架大腿從下到上各單元的編號(hào)。井架大腿從下往上，等效應(yīng)力整體上呈先增大，后減小的趨勢(shì)，單元9～11區(qū)域等效應(yīng)力最大，此區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)際起升中重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

圖4 井架大腿單元最大等效應(yīng)力曲線

井架大腿的設(shè)計(jì)安全系數(shù)應(yīng)大于API 4F規(guī)定的1.67，大腿材料屈服強(qiáng)度為420 MPa，則許用應(yīng)力為252 MPa。從圖4中可以看出，井架大腿整體等效應(yīng)力均小于252 MPa，最大值為222 MPa，滿足規(guī)范要求。最大變形量為108 mm，井架總高度為68 m，相對(duì)變形量為0.16%，井架起升工況剛度可靠。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鉆機(jī)投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，進(jìn)行井架起升作業(yè)，如圖5所示。井架起升過程中，大鉤載荷最大值出現(xiàn)在起升初始階段，最大值為2 018.8 kN。如表2所示，大鉤載荷的實(shí)際測(cè)量值與2種計(jì)算方法獲得的數(shù)值非常接近，計(jì)算值相對(duì)于實(shí)際測(cè)量值的最大偏差為-2.8%。在井架起升過程中，對(duì)井架應(yīng)力較大區(qū)域進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)得井架的最大應(yīng)力為215 MPa，同樣和有限元仿真計(jì)算結(jié)果接近。整個(gè)起升過程，井架各受力件無明顯損傷變形。現(xiàn)場(chǎng)井架實(shí)現(xiàn)安全起升。

表2 大鉤載荷實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較 kN

圖5 四單根立柱鉆機(jī)井架起升示意

4 結(jié)論

1) 理論公式法與有限元法計(jì)算得到的井架大鉤載荷與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值相近，計(jì)算值相對(duì)于實(shí)際測(cè)量值的最大偏差為-2.8%，2種計(jì)算方法獲得的起升載荷準(zhǔn)確可靠。

2) 井架實(shí)際起升過程中，監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，井架最大應(yīng)力為215 MPa，與有限元計(jì)算得到井架大腿最大應(yīng)力相近，小于井架的設(shè)計(jì)安全許用應(yīng)力，井架強(qiáng)度滿足起升工況要求。