王亞朋+張宏宇+王志忠+宋瑞

摘要：目前國(guó)內(nèi)外各油田正在使用的傳統(tǒng)4000米及其以上石油鉆機(jī)的井架和底座結(jié)構(gòu)，多采用多模塊拆散移運(yùn)的方式，運(yùn)輸模塊多、搬家及安裝的時(shí)間長(zhǎng)、成本高，不滿(mǎn)足鉆機(jī)快速移運(yùn)的要求。為此設(shè)計(jì)了該新型液壓旋升式井架、底座結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)運(yùn)輸模塊僅為同類(lèi)設(shè)備的1/3，極大的降低了鉆機(jī)的搬家周期與成本；采用液壓自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井架、底座的起升與下放，安裝迅速、便捷，整個(gè)安裝過(guò)程不需要大型的吊裝設(shè)備；井架的起升與下放采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，適宜新形式下井場(chǎng)HSE的要求。

關(guān)鍵詞：井架；底座 ；快速移動(dòng)；液壓起升

一、現(xiàn)狀與分析

隨著低油價(jià)逐漸成為行業(yè)內(nèi)的常態(tài)，對(duì)鉆井成本的控制逐漸精細(xì)化，國(guó)內(nèi)外用戶(hù)對(duì)4000米及其以上石油鉆機(jī)的搬家及安裝時(shí)間、成本等提出了更高的要求。

該類(lèi)鉆機(jī)井架和底座，運(yùn)輸模塊較多，整體質(zhì)量大，使得鉆機(jī)移運(yùn)性差，安裝時(shí)間長(zhǎng)。鉆機(jī)的井架底座是整個(gè)鉆機(jī)中質(zhì)量最大，運(yùn)輸模塊最多的部件，對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，減輕質(zhì)量，減少運(yùn)輸模塊，將取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

為了適應(yīng)石油鉆井設(shè)備的發(fā)展方向，適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)，設(shè)計(jì)新型的液壓旋升式井架底座。鉆機(jī)各模塊高度集裝化，具有良好的操作性能、安裝移運(yùn)性能和環(huán)境適應(yīng)性能[1-2]。

二、整體結(jié)構(gòu)

（一）井架底座結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)

主要結(jié)構(gòu)由井架、井架起升液壓缸、底座起升液壓缸、左下基座、左側(cè)中層、左上座、上層中間座、右上座、右側(cè)中層、右下基座、斜撐桿等組成。

本液壓旋升式井架、底座，與常規(guī)的井架、底座結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)點(diǎn)如下：

1.井架采用三節(jié)套裝整體式結(jié)構(gòu)。運(yùn)輸時(shí)機(jī)械縮回，與天車(chē)、游吊系統(tǒng)、鉆井大繩、井架起升液壓缸，形成一個(gè)整體的運(yùn)輸模塊。

2.底座采用大模塊集成式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。共3大運(yùn)輸模塊，底座臺(tái)面設(shè)備均低位安裝、整體起升。

3.采用液壓自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井架、底座的起升與下放，安裝迅速、便捷、效率高，整個(gè)安裝過(guò)程不需要大型的吊裝設(shè)備。

4.井架的起升與下放采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，整個(gè)起升過(guò)程中，底座上沒(méi)有人員進(jìn)行操作，適宜新形式下井場(chǎng)HSE的要求。

5.井架下段采用大斜撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于井架開(kāi)檔的減少，在保證足夠強(qiáng)度的情況下，井架的重點(diǎn)僅約為常規(guī)鉆機(jī)的3/5。

三、井架、底座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（一）井架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

井架采用三節(jié)套裝整體式結(jié)構(gòu)，前開(kāi)口п型，井架段與段之間采用銷(xiāo)軸+單雙耳板裝置連接結(jié)構(gòu)。

井架設(shè)計(jì)有專(zhuān)用的井架運(yùn)輸及安裝小車(chē)，小車(chē)安裝有三聯(lián)板簧懸掛及3根14t車(chē)橋，用于運(yùn)輸時(shí)承載井架重量；小車(chē)上設(shè)計(jì)有水平移動(dòng)、前后移動(dòng)、高低伸縮液壓缸共3組，用于在安裝井架時(shí)對(duì)井架與底座的連接耳板。

井架立起后通過(guò)井架支座下的墊片增減（前后、左右方向），來(lái)調(diào)節(jié)井架角度以找正井口中心。整個(gè)井架的安裝過(guò)程，簡(jiǎn)便、快捷，并且不需要大型的吊裝設(shè)備進(jìn)行輔助作業(yè)；井架運(yùn)輸為一個(gè)運(yùn)輸模塊，運(yùn)輸成本低，鉆機(jī)搬家快捷。尤其適宜于，井場(chǎng)相對(duì)開(kāi)闊的平原、沙漠、戈壁等環(huán)境。

（二）底座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

底座采用大模塊的平行四邊形結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)的鉆機(jī)的整體旋升。底座共分為上、中、下3層，底層包括左、右基礎(chǔ)座，中層包括前、中、后立柱及斜撐桿和多級(jí)液壓油缸，上層包括左、右上座和中間座，中間座將立根臺(tái)和轉(zhuǎn)盤(pán)及其傳動(dòng)裝置連接為一體。底座臺(tái)面設(shè)備均低位安裝、整體起升。

底座采用高度集成化的設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)共3各運(yùn)輸模塊。左上座、左下座、左旋轉(zhuǎn)立柱、左底座起升油缸及左斜撐桿為一個(gè)運(yùn)輸單元，右上座、右下座、右旋轉(zhuǎn)立柱、右底座起升油缸及右斜撐桿為一個(gè)運(yùn)輸單元，上層中間座的轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置及立根臺(tái)為一個(gè)運(yùn)輸單元，每個(gè)運(yùn)輸模塊均設(shè)計(jì)有橇頭，用于專(zhuān)用鉆機(jī)搬家車(chē)的裝卸，從而實(shí)現(xiàn)，在拆裝作業(yè)時(shí)不需要專(zhuān)門(mén)的大型起吊設(shè)備。

底座基礎(chǔ)座前端設(shè)計(jì)有一套拖杠結(jié)構(gòu)，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)可用幾臺(tái)拖拉機(jī)拖拽拖杠，使鉆機(jī)整體緩慢的向前移動(dòng)，從而滿(mǎn)足叢式井作業(yè)的需求。

四、井架、底座的計(jì)算

按照API Spec 4F第4版的要求，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)井架、底座進(jìn)行載荷計(jì)算與分析，其中產(chǎn)品規(guī)范等級(jí)選擇為PLS1，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)選取SSL E2/U2，計(jì)算工況分為井架、底座起升工況與加載工況，井架的最大靜載荷為3150kN，底座的最大轉(zhuǎn)盤(pán)靜載荷為3150kN，立根載荷為1600kN，風(fēng)荷載選取0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°八個(gè)方向。

井架、底座梁?jiǎn)卧膹?qiáng)度及穩(wěn)定性分析按照美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)AISC 335-89《結(jié)構(gòu)鋼建筑物規(guī)范-許用應(yīng)力設(shè)計(jì)和塑性設(shè)計(jì)》的規(guī)定進(jìn)行對(duì)各梁?jiǎn)卧氖芰M(jìn)行校核，列出穩(wěn)定性判別數(shù)UCR值。

結(jié)果如下：

1.井架在各工況下桿件最大應(yīng)力為140.58MPa，而最大應(yīng)力處的結(jié)構(gòu)所用材料為Q345B，屈服強(qiáng)度為345MPa，因此井架的最小安全系數(shù)為2.45，遠(yuǎn)大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.67的要求。

2.底座在各工況下桿件最大應(yīng)力為110.3MPa，而最拉應(yīng)力處的結(jié)構(gòu)所用材料為Q345B，屈服強(qiáng)度為345MPa，因此底座的最小安全系數(shù)為3.12，遠(yuǎn)大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.67的要求。

3.井架穩(wěn)定性判別數(shù)UCR值的最大值為0.87，底座穩(wěn)定性判別數(shù)UCR值的最大值為0.54，均滿(mǎn)足AISC 335-89規(guī)范規(guī)定的UCR值小于1的要求。

4.井架結(jié)構(gòu)桿件長(zhǎng)細(xì)比LRR值最大為115.56，底座結(jié)構(gòu)桿件長(zhǎng)細(xì)比LRR值最大為121.4，均滿(mǎn)足AISC 335-89規(guī)范規(guī)定的受壓構(gòu)件允許長(zhǎng)細(xì)比不大于200的要求。

故該井架、底座結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性均滿(mǎn)足API 4F規(guī)范的要求，是安全的。

五、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1.該新型井架、底座結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸模塊少，僅為常規(guī)同規(guī)格設(shè)備的1/3，極大的降低了鉆機(jī)的搬家周期與成本。

2.底座設(shè)計(jì)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)了高臺(tái)面設(shè)備的低位安裝，降低了工人高空安裝作業(yè)的危險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.大模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)減少了現(xiàn)場(chǎng)連接、安裝的工作量，采用液壓自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井架、底座的起升與下放，安裝迅速、便捷，大幅減少了鉆機(jī)的安裝時(shí)間。

4.井架拆裝采用專(zhuān)用的井架安裝與運(yùn)輸小車(chē)完成，底座拆裝采用專(zhuān)用鉆機(jī)搬家車(chē)完成，整個(gè)安裝過(guò)程不需要大型的吊裝設(shè)備，降低了鉆機(jī)的安裝成本。

5.采用機(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)，起升液壓缸取代人字架和起升大繩，以液壓源取代常規(guī)的利用絞車(chē)作為起升動(dòng)力，配置1臺(tái)小功率柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵，因此起升系統(tǒng)成本低，利用率高，靈活快捷。

6.井架的起升與下放采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，適宜新形式下井場(chǎng)HSE的要求。

六、結(jié)束語(yǔ)

該新型液壓旋升式井架、底座結(jié)構(gòu)，在保留了傳統(tǒng)橇裝鉆機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)之上，在創(chuàng)新井架、底座的結(jié)構(gòu)形式、減小運(yùn)輸模塊數(shù)量、提高安裝效率、減少輔助設(shè)備的使用等方面，獲得了較大程度的突破，應(yīng)用的液壓油自動(dòng)舉升和控制技術(shù)，滿(mǎn)足了新型鉆機(jī)的快速移運(yùn)、快速安裝的要求。

該新型液壓旋升式井架、底座結(jié)構(gòu)以及整體液壓旋升控制技術(shù)，已經(jīng)在公司產(chǎn)品出口到國(guó)外的相關(guān)產(chǎn)品上得到了使用及驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)的搬家及安裝時(shí)間相比常規(guī)鉆機(jī)大幅降低，其中出口到中東某沙漠地區(qū)的大模塊鉆機(jī)的搬家及安裝時(shí)間僅為48小時(shí)，鉆機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，獲得了用戶(hù)的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬永峰，康濤，楊漢立，等.橇裝模塊鉆機(jī).北京：石油工業(yè)出版社，2004：10-15.

[2]王進(jìn)全，王維旭.國(guó)外鉆機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及我國(guó)的發(fā)展策略.石油機(jī)械，2011，39（6）：65-69.endprint