楊子龍 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

管鋒 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

熊先杰 (中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

低成本、高效鉆井要求石油鉆機(jī)井架及底座呈現(xiàn)快速移運(yùn)性和鉆井適用性發(fā)展[1]。超深井鉆機(jī)的工作面臨更加復(fù)雜的地質(zhì)條件，環(huán)境更為惡劣，井架和底座承受的載荷和載荷儲備能力要求更大。井架和底座的強(qiáng)度和安全性是鉆井得以正常進(jìn)行的保障之一，所以對超深井鉆機(jī)井架和底座的承載能力開展研究并進(jìn)行負(fù)荷試驗十分必要。

目前,為了解決石油鉆機(jī)井架底座負(fù)荷試驗的加載問題，一般采用直接加載重物的方式[2]或者建造試驗地錨裝置的方法[3]給鉆機(jī)井架和底座加載，這些方法可較好解決7000m及以下鉆機(jī)的負(fù)荷試驗。隨著鉆井深度的增加，這些方法由于負(fù)載能力受限，不能很好地滿足7000m以上井深鉆機(jī)的試驗要求。為滿足超深井鉆機(jī)井架和底座負(fù)荷試驗的要求，結(jié)合現(xiàn)有試驗方法，設(shè)計一套能模擬鉆井滿負(fù)荷受力工況，試驗安全性能高，投資成本低，適用范圍廣的試驗裝置就很有必要。

1 總體方案分析

圖1 反拉轉(zhuǎn)盤梁試驗示意圖

根據(jù)現(xiàn)有鉆機(jī)井架、底座負(fù)荷試驗方法，制定了3套試驗方案，具體如下。

1.1 反拉轉(zhuǎn)盤梁試驗方案

如圖1所示，將試驗裝置安裝在轉(zhuǎn)盤梁底部，使用鉆機(jī)絞車輸出動力，通過游動系統(tǒng)、大鉤和試驗拉桿提拉轉(zhuǎn)盤梁，實(shí)現(xiàn)對井架的加載，完成井架的加載測試。

1.2 地錨試驗方案

如圖2所示，鉆機(jī)組裝時以試驗地錨為井口中心裝配，試驗時，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式，使用鉆機(jī)絞車及液壓加載裝置進(jìn)行加載并傳遞給井架和底座，完成加載測試。

圖2 地錨試驗示意圖

1.3 地面鋼梁試驗方案

如圖3所示，該方案與第2方案類似，將試驗地錨更換成活動的承載鋼梁，承載鋼梁放置在預(yù)制的試驗地溝內(nèi)，以承載鋼梁聯(lián)接耳板為中心進(jìn)行裝配，將鉆機(jī)井架和底座安裝在承載鋼梁上，對于雙升式井架底座，采用絞車、游動系統(tǒng)、大鉤、試驗拉桿提拉承載鋼梁加載，或采用液壓加載裝置加載，可以一次性實(shí)現(xiàn)井架和底座的加載。對于旋升式井架和底座，可采用如雙升式井架底座對井架施加載荷，利用液壓加載裝置、拉桿、轉(zhuǎn)盤梁實(shí)現(xiàn)底座的加載，完成加載測試。

圖3 地面鋼梁試驗示意圖

基于7500kN高負(fù)載的試驗要求，對比3個方案優(yōu)劣：方案1鉆臺轉(zhuǎn)盤梁受力與實(shí)際工作狀態(tài)相反，且底座及立柱基本不受力，只能滿足鉆機(jī)井架負(fù)荷試驗要求；方案2能滿足深井鉆機(jī)的井架、底座負(fù)荷試驗，但地錨固定，投入較大，連接安裝復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，載荷輸出的局限性較大；方案3投入較大，連接安裝及操作都較簡單。該裝置經(jīng)過加強(qiáng)，可以進(jìn)行更高載荷的負(fù)荷試驗。

綜上所述，方案3地面承載鋼梁負(fù)荷裝置試驗的完整性好，試驗場地靈活，成本低，安全性能高，能滿足超深井鉆機(jī)的負(fù)荷試驗，并能隨鉆機(jī)負(fù)荷的提升進(jìn)行改造升級。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗裝置包括鋼梁承載裝置、加載油缸、連接座、試驗拉桿、連接銷軸等，其中鋼梁承載裝置作為鉆機(jī)底座承載支承，加載油缸主要為井架和底座負(fù)載提供動力輸出，試驗拉桿為鉆機(jī)與試驗裝置過渡連接件。試驗裝置三維圖如圖4所示。

圖4 試驗裝置三維圖 圖5 鋼梁承載裝置有限元模型

2.2 鋼梁承載裝置設(shè)計及分析

鋼梁承載裝置采用大型的焊接鋼結(jié)構(gòu)作為主梁，表面焊接鋼板作為支承平臺。所有的焊縫進(jìn)行磁粉探傷，檢測主體構(gòu)件的焊接質(zhì)量，確保鋼梁承載裝置承載的安全性。

應(yīng)用Solid Works三維軟件對鋼梁承載裝置進(jìn)行建模和有限元分析，模擬受載工況，對耳板處施加7500kN載荷拉力，得到如圖5所示試驗裝置有限元模型。該裝置在7500kN向上載荷作用下，應(yīng)力云圖如圖6所示。從圖6可知，試驗裝置最大等效應(yīng)力為192MPa，試驗裝置材料為Q345，屈服強(qiáng)度為345MPa，安全系數(shù)為1.80，高于美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范許用值1.67，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

圖6 鋼梁承載裝置應(yīng)力云圖

在施加7500kN向上載荷作用下，位移云圖如圖7所示。試驗裝置中間主梁長度為5235mm，設(shè)計許用位移為長度的1/500，即許用位移約為5000/500=10mm。從圖7可知，試驗裝置最大綜合位移為5mm左右，在許用位移范圍內(nèi)，該試驗裝置剛度足夠。

2.3 試驗拉桿設(shè)計及分析

試驗拉桿也是一個受力關(guān)鍵件，承受7500kN的拉力。試驗拉桿材料采用42CrMo鍛鋼，有較好的淬透性和高韌性，其應(yīng)力云圖如圖8所示，拉桿最大等效應(yīng)力為565.4MPa， 42CrMo鍛鋼的屈服強(qiáng)度為930MPa，安全系數(shù)為1.64，高于我國規(guī)定的鋼制零件許用安全系數(shù)1.5，試驗拉桿強(qiáng)度足夠。

圖7 鋼梁承載裝置位移云圖

圖8 試驗拉桿應(yīng)力云圖

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

圖9 液壓系統(tǒng)圖

試驗裝置液壓系統(tǒng)包括低壓泵、高壓泵、順

序閥、節(jié)流調(diào)速閥、溢流閥、三位四通換向閥、加載油缸等[4]。電機(jī)驅(qū)動液壓泵向系統(tǒng)供油，三位四通換向閥控制油缸的伸出和縮回，實(shí)現(xiàn)對井架和底座的加載。液壓系統(tǒng)如圖9所示，液壓系統(tǒng)工作原理如下：設(shè)定好溢流閥和順序閥的壓力，啟動電機(jī)，操縱三位四通換向閥于左位，油液進(jìn)入活塞桿腔，剛開始壓力較低，高壓泵和低壓泵雙泵合流，實(shí)現(xiàn)液壓缸快速進(jìn)油，隨著負(fù)載的增加，當(dāng)壓力達(dá)到順序閥設(shè)定的壓力值時，低壓泵打出的油液通過順序閥回油箱，這時換向閥處于右位,只有高壓泵工作繼續(xù)往油缸打壓，一直到設(shè)定的壓力，壓力就穩(wěn)定在該值，實(shí)現(xiàn)對井架和底座的加載。

該液壓系統(tǒng)采用全自動電液控制，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作，安全閥設(shè)置系統(tǒng)的最高壓力，能夠避免超過試驗裝置的最高載荷，避免發(fā)生事故，安全性高。試驗數(shù)據(jù)實(shí)時記錄，不僅能夠監(jiān)測試驗過程狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)試驗過程的問題，同時能夠為今后的設(shè)計改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

4 廠內(nèi)型式試驗

為了驗證該試驗裝置的可靠性，在廠內(nèi)完成了超深井鉆機(jī)井架和底座負(fù)荷試驗測試。在試驗過程中，按要求調(diào)試裝置的液壓系統(tǒng)[5]，設(shè)定好溢流閥及順序閥的壓力值，并按產(chǎn)品試驗大綱的要求，設(shè)計測試點(diǎn)粘貼應(yīng)力應(yīng)變片，載荷試驗分別加載至4300、4800、5300、5800、6300、6800kN負(fù)載工況，并在每種負(fù)載工況下穩(wěn)定載荷5min后，分別采集不同負(fù)載工況下各測試點(diǎn)的應(yīng)變值。通過測試點(diǎn)應(yīng)變計算的應(yīng)力曲線如圖10所示,該裝置較好地測試井架和底座的承載性能，操作簡單，安全性能高，試驗投資成本低，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

圖10 井架負(fù)載各測試點(diǎn)應(yīng)力值曲線圖

5 結(jié)論

1)基于鋼梁承載裝置的鉆機(jī)井架和底座負(fù)載試驗裝置相比傳統(tǒng)的地錨試驗裝置，不需要固定的試驗井場，可以滿足不同負(fù)荷能力的井架和底座負(fù)荷試驗，試驗加載不受環(huán)境影響。

2)采用有限元方法和試驗方法驗證了鉆機(jī)井架和底座負(fù)荷試驗的可行性和試驗裝置的強(qiáng)度、安全性。7500kN加載能力的試驗裝置能夠?qū)崿F(xiàn)9000m鉆機(jī)井架和底座的負(fù)荷試驗。

3)試驗裝置配套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離控制，并全過程檢測井架負(fù)荷，試驗操作記錄、分析方便，試驗安全、可靠。

[1]潘浩,李佳玲,池勝高，等.新型鉆機(jī)井架及底座設(shè)計模型[J].石油機(jī)械,2005,33(2):21～23.

[2]張莉莉, 隋亞娟.鉆機(jī)負(fù)荷試驗裝置[P].中國:CN 202793821 U,2013-03-13.

[3]馮志鵬,常玉連，鄒龍慶.修井機(jī)地錨樁抗拔承載能力試驗研究[J].地震工程與工程振動，2014,1(6): 243～247.

[4]王益群,高殿榮.液壓工程師技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[5]譚尹耕.液壓試驗設(shè)備與測試技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1997.