孫曉微

?

石油鉆機(jī)整機(jī)移運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)與研究

孫曉微

（蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

文章以鉆機(jī)整體移運(yùn)裝置為研究對(duì)象，通過對(duì)底座及外圍配套設(shè)備的改進(jìn)，結(jié)合實(shí)際移運(yùn)環(huán)境，根據(jù)不同移運(yùn)距離的要求，設(shè)計(jì)出一種安全可靠，承載性好，整體布置合理，連接脫離快捷牢固的移運(yùn)裝置。

石油鉆機(jī)；移運(yùn)裝置

前言

目前，許多國(guó)內(nèi)外典型和新型鉆機(jī)移運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境、移運(yùn)距離及井位布置情況，鉆機(jī)整體移運(yùn)方法主要分為輪式移運(yùn)方式和步進(jìn)式移運(yùn)方式兩種。輪式移運(yùn)方式：一般用在井位距離相對(duì)較遠(yuǎn)、運(yùn)輸條件較好、場(chǎng)地寬闊、使用環(huán)境不受限制土質(zhì)較硬時(shí)。輪式移運(yùn)方式又分為半拖掛和全拖掛兩種。中小型鉆機(jī)由于運(yùn)輸負(fù)荷輕且外形尺寸相對(duì)較小，因此大多采用半拖掛形式；深井鉆機(jī)則由于負(fù)荷重，外形尺寸較大所以大多采用全拖掛移運(yùn)形式。步進(jìn)式移運(yùn)方式：在運(yùn)輸距離相對(duì)較近或打叢式井時(shí)，宜采用步進(jìn)式移運(yùn)方式，步進(jìn)式移運(yùn)裝置可以滿足鉆機(jī)在工作狀態(tài)下移動(dòng)。步進(jìn)式移運(yùn)方式又分為底座下加導(dǎo)軌式和在底座的四個(gè)角上加裝四個(gè)移動(dòng)座兩種形式，它們都是利用頂升油缸將鉆機(jī)主體整體頂起，再利用水平推移油缸推動(dòng)鉆機(jī)移動(dòng)。此種方法，結(jié)構(gòu)緊湊，移運(yùn)時(shí)方便快捷，很大的減少了井隊(duì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

但是以上兩種移運(yùn)方式還存在如下問題：a.由于鉆機(jī)的偏載容易造成在兩條軌道上所產(chǎn)生的摩擦力大小不一，導(dǎo)致液缸在推進(jìn)時(shí)鉆機(jī)在兩條軌道上的位移不同；b.如果液壓系統(tǒng)給兩側(cè)液缸提供的液壓油某一時(shí)刻流量的不同,也會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)液缸產(chǎn)生的行程不一；c.由于生產(chǎn)制造帶來(lái)的誤差，如：兩條軌道的平行度誤差、安裝誤差、水平度誤差；液壓缸的生產(chǎn)誤差；液壓管路以及閥件生產(chǎn)、安裝誤差等均能導(dǎo)致鉆機(jī)在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生位移差。

1 移運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 總體結(jié)構(gòu)布置

本文所設(shè)計(jì)的平移裝置是用在7000m石油鉆機(jī)的移運(yùn)上，總體布置按步進(jìn)式平移考慮。即在鉆機(jī)左、右基座前段和后端各增設(shè)一套平移裝置支撐座，在鉆機(jī)起升后作業(yè)狀態(tài)下需進(jìn)行平移時(shí)，只需將鉆機(jī)主體用四套平移裝置的頂升液缸頂起，再由自行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆機(jī)主體一起向前或向后移動(dòng)，到達(dá)指定位置后由剎車機(jī)構(gòu)制動(dòng)，然后收縮舉升油缸，將鉆機(jī)主體移運(yùn)至目標(biāo)位置，然后將外圍的配套設(shè)備相應(yīng)的也用移運(yùn)設(shè)備移運(yùn)到指定地點(diǎn)。鉆機(jī)平移裝置布置如圖1所示：

圖1 鉆機(jī)平移裝置布置圖

主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）液缸額定壓力是18MPa

（2）頂升液缸缸徑/數(shù)量為420mm/4套

（3）最大舉升高度<150mm

（4）舉升質(zhì)量約800噸

（5）基礎(chǔ)承壓強(qiáng)度≥2MPa

（6）推薦拖移過程速度為1.39 mm/s按5m/h)，假設(shè)鉆機(jī)整體在1分中從靜止?fàn)顟B(tài)獲得該速度，所以加速度u=1.39 /1=1.39 mm/s2。

由于鉆機(jī)在整體移運(yùn)過程中的重量主要由頂升液缸和其連接的滾動(dòng)裝置承載，輪胎不承受主要載荷，只承受自身重量和一部分鉆機(jī)重量，主要起到提供牽引力的作用。裝在輪轂上的電動(dòng)機(jī)輸出的扭矩通過傳動(dòng)軸和差速器以一定的比例分配到移運(yùn)裝置的前后半軸上，四個(gè)車輪時(shí)刻都能單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)力，在鉆機(jī)移運(yùn)過程中始終保持四輪驅(qū)動(dòng)的形式，可根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況合理分配牽引力，保證具有很好的通過性與穩(wěn)定性。此移運(yùn)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊間可縱橫拼接，具有較強(qiáng)的靈活使用性能。結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 鉆機(jī)移運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 使用條件及注意事項(xiàng)

使用鉆機(jī)整體移運(yùn)裝置前，首先要沿鉆機(jī)位移方向整平夯實(shí)場(chǎng)地；然后在場(chǎng)地上方鋪設(shè)一層或多層厚鋼板，確保場(chǎng)地能夠承受鉆機(jī)整體對(duì)場(chǎng)地的壓應(yīng)力；或者在場(chǎng)地上方鋪設(shè)固定鋼質(zhì)運(yùn)行軌道，并保證兩條運(yùn)行軌道平行且在同一平面內(nèi)，一般推薦使用與鉆機(jī)重量相適宜的槽鋼做運(yùn)行軌道。

當(dāng)鉆機(jī)整體與移運(yùn)裝置的頂升液缸連接好時(shí)，應(yīng)檢查鉆機(jī)是否平穩(wěn)水平，液缸的頂升支點(diǎn)與鉆機(jī)連接是否可靠，場(chǎng)地是否平整，或者軌道是否平行水平，是否有應(yīng)力不夠而變形現(xiàn)象，同時(shí)檢查運(yùn)行軌道內(nèi)是否有其他影響正常移運(yùn)的障礙物，當(dāng)檢查完畢，確保安全前提下，啟動(dòng)牽引裝置。移運(yùn)裝置帶動(dòng)鉆機(jī)整體緩慢勻速前進(jìn)，牽引過程中，應(yīng)時(shí)刻注意移運(yùn)裝置、鉆機(jī)整體、軌道、地基等是否正常，如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立刻停止移運(yùn)，排除故障后方可繼續(xù)牽引，直到將鉆機(jī)移運(yùn)到指定地點(diǎn)。

2 支架結(jié)構(gòu)的可靠性分析

2.1 支架建模

移運(yùn)裝置靜止時(shí)，滾動(dòng)裝置支架只承受移運(yùn)裝置自身質(zhì)量，在鉆機(jī)工作狀態(tài)移運(yùn)鉆機(jī)時(shí)，主要承受自身重量和鉆機(jī)總體重量，由于移運(yùn)裝置采用對(duì)稱布置形式，載荷具有對(duì)稱性，因此建立1/4鉆機(jī)整體的移運(yùn)模型。如圖3所示：

本本所述移運(yùn)系統(tǒng)的支架選用材料為Q345，厚度為30的鋼板焊接而成，其彈性模量為2.06x105MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3，外形尺寸為1500mmx600mm。對(duì)支架有限元模型設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，施加垂直載荷，選擇上平面為受力面，指定約束面。本文采用Shell63單元，Shell63單元即具有彎曲能力又含有膜力，可以承受平面內(nèi)的載荷及法相載荷，每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮應(yīng)力剛化作用和大變形能力。本文在劃分網(wǎng)格時(shí)采用參考單元邊長(zhǎng)為20mm，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，采用人工劃分。各板件的連接采用連續(xù)角焊縫，可以用節(jié)點(diǎn)共享的方式處理，本文在公共邊界處采用等分?jǐn)?shù)的單元?jiǎng)澐?，使其?jié)點(diǎn)重合，最后合并節(jié)點(diǎn)，即完成了共節(jié)點(diǎn)操作。

圖3 支架網(wǎng)格劃分模型

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

鉆機(jī)天車、游車、大鉤、水龍頭、轉(zhuǎn)盤、補(bǔ)心、轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置、絞車、井架、底座、鋼絲繩、司鉆控制房、左、右偏方等鉆機(jī)的主要部件重量總計(jì)約550噸，加上全部立根（250噸），故平移總重約為800噸（不含平移時(shí)需移去的坡道、滑梯及梯子等）。利用軟件得到的最大Von Miss等效云圖（如圖4所示）可以看出，最大應(yīng)力值為25537.6MPa，發(fā)生在支架液缸連接板處，與下支板的焊接質(zhì)量有關(guān)，但未超出許用應(yīng)力值。次大值發(fā)生在下支板與上面板連接處，其應(yīng)力值為17029MPa，支架其他部位的應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力值，相對(duì)安全。由支架位移云圖，可以看出支架的最大位移4.175e-002出現(xiàn)在下支板與上面板連接的中間部位，其余部位位移較小。

圖4 Von Miss等效云圖

3 總結(jié)

本文以鉆機(jī)整體移運(yùn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)鉆機(jī)整體移運(yùn)裝置進(jìn)行了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述，主要對(duì)承重支架進(jìn)行了有限元建模，有限元分析，得出了支架的總體應(yīng)力分布圖及變形圖，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)分析。最后對(duì)可靠性進(jìn)行分析與說(shuō)明。此移運(yùn)裝置的初步設(shè)計(jì)已完成，還需要進(jìn)一步的細(xì)化和分析。

[1] 孫元秀.5000快移快裝鉆機(jī)的研制.[J].石油機(jī)械,2005,(33):132 ~134.

[2] 王定亞,馬廣蛇,侯文輝等.淺談國(guó)內(nèi)決速移運(yùn)鉆機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36 (4):13~16.

[3] 王小權(quán),張建偉,代大良等.國(guó)產(chǎn)快速運(yùn)移鉆機(jī)存在問題及改進(jìn)建議[J].石油機(jī)械,2007,35 (10):69~71.

[4] 劉佩學(xué),寧淑霞,羅曉麗.鉆機(jī)整體移運(yùn)方式的改進(jìn)[J].中國(guó)設(shè)備工程,2007,(12):35~36.

[5] 陳立人,狠抓新產(chǎn)品開發(fā)積極參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)一寶雞廠制成我國(guó)首臺(tái)高移運(yùn)性鉆機(jī)[J].石油機(jī)械,1999,27(11):35.

[6] 韓宇,栗國(guó)浩.海洋模塊鉆機(jī)移動(dòng)步行器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2011,40(2):84~86.

[7] 王海濤.趙東油田生產(chǎn)平臺(tái)鉆井模塊鉆機(jī)移動(dòng)裝置的開發(fā)設(shè)計(jì)[J].船舶,2004,12（6）.

Design and Research of Integrated Moving System on Drilling Rig

Sun Xiaowei

（Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Co., Ltd., Gansu Lanzhou 730314）

Based on drill whole transit system as the research object, through to the base and peripheral equipment improve -ment, combined with the actual removed environment, according to the requirements of different move distance, design a kind of safe and reliable, good bearing, the overall layout is reasonable, the connection from quick and strong move device.

Drilling Rig; removed system

A

1671-988(2019)05-140-03

U462

A

1671-7988(2019)05-140-03

U462

孫曉微(1981.12-), 女，碩士學(xué)歷，工程師，就職于蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司。研究方向：石油鉆機(jī)總體系統(tǒng)研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.043