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(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002； 2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

雙井口井架作為海上鉆井平臺的關鍵裝備，除了具有常規(guī)井架安裝游吊系統(tǒng)、頂驅、自動化工具，起升和下放鉆具、套管、隔水管和水下器具等特點外，雙井口井架的兩套游吊系統(tǒng)還具有平衡重載和輕載、減小設備總體尺寸等特點，經(jīng)相關文獻研究統(tǒng)計，雙井口井架可節(jié)省作業(yè)時間21%～70%。基于雙井口井架極大提高作業(yè)效率的特點，目前新設計建造的深水半潛式鉆井平臺和鉆井船基本都配置雙井架，并且逐步投入使用。加速發(fā)展我國深海石油勘探開發(fā)的技術裝備，雙井架技術是一個關鍵環(huán)節(jié)[1-7]。

寶雞石油機械有限責任公司設計了一套HJJ1150型海洋動態(tài)雙井口井架(以下簡稱雙井口井架)，如圖1。該井架最大鉆井深度15 000 m，主、副井口井架最大鉤載均為11 500 kN，并且具備設備布局合理、鉆臺空間大、維修方便，可大幅提高鉆井作業(yè)效率等特點。筆者針對該雙井口井架的結構特點和實際作業(yè)工況，設計了一套試驗裝置，用于雙井口井架在非海洋平臺環(huán)境下的載荷試驗與研究，確保其在海洋平臺環(huán)境下作業(yè)的安全性和可靠性。

圖1 HJJ1150型海洋動態(tài)雙井口井架結構

1 試驗裝置設計要求

1.1 設計原則

雙井口井架載荷試驗裝置在滿足HJJ1150型海洋動態(tài)雙井口井架載荷試驗要求的基礎上，依據(jù)“性能先進、工作可靠、使用安全、運行經(jīng)濟”的原則進行設計。在充分模擬雙井口井架在海洋鉆井工況時主、副井口載荷傳遞到雙井口井架主體上的情況，優(yōu)化設計，保證其既具有足夠承載能力，又兼顧了經(jīng)濟性[8]。

1.2 設計條件

雙井口試驗裝置的設計主要取決于被試產(chǎn)品的結構形式、鉆井工況時的最大載荷值、載荷分布以及被試產(chǎn)品與試驗裝置的連接等。

設計要求：無鉆臺情況下，HJJ1150型海洋動態(tài)雙井口井架能在試驗裝置上安裝；能夠同時加載、差異化加載，即，主井口施加11 500 kN靜鉤載，同時在副井口施加6 750 kN的靜鉤載；逐級加載測試完成后，重新在副井口施加11 500 kN靜鉤載，同時在主井口施加6 750 kN的靜鉤載。

1.3 雙井口井架關鍵技術參數(shù)

最大鉤載 11 500 kN+11 500 kN

井架有效高度 64 m

井架底部尺寸 25.8 m×10.5 m

井架雙井口間距 18 m

2 載荷試驗要求

載荷試驗是模擬雙井口井架在作業(yè)工況時主井口達到最大11 500 kN、副井口達到最大6 750 kN的承載情況，加載過程中采集雙井口井架關鍵點位的應力數(shù)據(jù)，兩側加載裝置逐級加載到最大鉤載后緩慢卸載到0 kN。待雙井口井架恢復變形后調整加載數(shù)據(jù)，重新對副井口加載到最大11 500 kN、主井口加載到最大6 750 kN，依照前一次的加載程序逐級加載并采集應力數(shù)據(jù)。由此完成雙井口井架的載荷試驗，然后對加載過程中的應力數(shù)據(jù)進行輸出、最終形成試驗報告。

3 雙井口井架載荷試驗裝置總體設計方案

3.1 雙井口試驗裝置技術參數(shù)

根據(jù)試驗要求，雙井口試驗裝置至少由4部分組成，分別滿足HJJ1150型海洋動態(tài)雙井口井架在試驗臺上的安裝、載荷施加、載荷傳遞、應力采集及結果輸出。主要技術參數(shù)：

最大靜載荷加載能力 13 000 kN+13 000 kN

試驗裝置外形尺寸 31.2 m×6.03 m×4.42 m

3.2 雙井口載荷試驗裝置結構方案

雙井口載荷試驗裝置由左右兩套結構相同、承載能力相同的井口加載裝置構成，每套井口加載裝置主要由加載梁、承載梁、加載油缸及配套控制系統(tǒng)等組成。

1) 該種方案的好處在于能夠將11 500 kN垂直載荷轉化為被試產(chǎn)品與試驗裝置組成系統(tǒng)的內力，由此將大幅降低試驗過程對周圍地基的承載要求和整體制造成本。

2) 承載梁采用實腹結構與桁架結構相結合的方案，滿足承載要求的同時降低了承載梁的生產(chǎn)制造難度；承載梁雙梁結構增大了加載裝置與安裝底座之間的接觸面積，并且兩段式結構也解決了超長件運輸困難的問題。

3) 可移動式的加載梁不僅適用于常見六支腿式、八支腿式海洋雙井口井架載荷試驗的要求，也適用于自升式單井口井架、塔形井架、常規(guī)陸地鉆機等的載荷試驗要求，擴展了雙井口試驗裝置的適用范圍。

4) 兩套井口加載裝置能夠輕松實現(xiàn)兩側油缸的同時加載和差異化加載的要求，并且都能達到最大13 000 kN的加載能力；集成了動力源和控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)采集功能的移動控制房，方便現(xiàn)場試驗時設備的安裝和使用。

3.3 雙井口井架載荷試驗步驟

HJJ1150型海洋動態(tài)雙井口井架為首次研發(fā)產(chǎn)品，必須進行11 500 kN的最大鉤載載荷試驗，驗證雙井口井架主體的承載能力和整體結構穩(wěn)定性，也是對雙井口井架設計和制造過程的檢驗，為該種結構的理論計算和有限元分析結果提供準確的試驗參考數(shù)據(jù)。試驗裝置結構如圖2所示。

雙井口井架載荷試驗操作步驟：

1) 將相當于海洋平臺甲板的工裝安裝底座安裝在雙井口井架試驗裝置上。

2) 從下段開始逐件將雙井口井架組裝起來，并且利用工裝天車代替產(chǎn)品配套的天車補償裝置。

3) 鉆井鋼絲繩穿入游吊系統(tǒng)后，通過連接工裝將游吊系統(tǒng)連接到加載裝置油缸上；與此同時，雙井口井架主體關鍵測點的應力采集裝置、參照點坐標標識等也必須安裝到位。

4) 鉆井鋼絲繩一端固定在工裝安裝底座上、另一端通過張緊裝置將游吊系統(tǒng)張緊；為了使鉆井鋼絲繩充分張緊，通常要求傳到游吊系統(tǒng)的鋼絲繩預緊力必須達到800～1 000 kN。

5) 再次確認各部件連接到位、人員到位后，開始按照試驗大綱要求逐級對雙井口井架兩側的井口進行加載，加載過程應均勻、緩慢，直到兩側井口都達到要求的最大鉤載；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依次記錄各鉤載值時的應力數(shù)據(jù)、檢驗人員依次記錄相應的井架主體變形量。

6) 主井口最大載荷11 500 kN、副井口最大載荷6 750 kN加載完成后，緩慢卸載到0 kN。間隔一定時間后按照試驗大綱的要求進行副井口最大載荷11 500 kN、主井口最大載荷6 750 kN的加載試驗，直至完成所有試驗檢測項目。

1—工裝天車；2—雙井口井架；3—鉆井鋼絲繩；4—游車；5—連接工裝；6—工裝安裝座；7—雙井口加載裝置。

4 液壓加載控制系統(tǒng)設計

液壓加載控制系統(tǒng)除了實現(xiàn)遠程自動化操作、精確控制油缸載荷外，還應保證液壓系統(tǒng)的小載荷低壓穩(wěn)壓和大載荷高壓保壓的功能；另外，液壓加載控制系統(tǒng)中還配備了壓力采集、載荷數(shù)據(jù)顯示、試驗報告輸出等設備，從而提高了試驗裝置的自動化程度和安全性，如圖3。

1—液壓站；2—壓力表；3—壓力變送器；4—數(shù)控系統(tǒng)；5—手電雙控換向閥；6—手動泄壓閥；7—比例溢流閥；8—電磁換向閥；9—手動調壓閥。

5 加載梁和承載梁設計

加載梁用于加載油缸的安裝，并且橫置于地坑下部；試驗時加載梁兩端的上表面與承載梁下表面相接觸，加載油缸收縮時通過接觸面將載荷傳遞到承載梁上。承載梁放置在地坑中，其上表面與周圍地面相平齊，是雙井口載荷試驗裝置的主承載部件，具有抵抗彎曲變形、傳遞試驗載荷、轉化受力方式的作用，總體結構如圖4。

1—加載油缸Ⅰ；2—加載梁Ⅰ；3—承載梁Ⅰ；4—加載梁Ⅱ；5—承載梁Ⅱ；6—加載油缸Ⅱ；7—輔助梁。

5.1 關鍵部件有限元分析

基于大型有限元分析軟件ANSYS對最惡劣使用工況時的雙井口試驗裝置一側井口的主承載梁和下部加載梁的受力進行了計算分析。

雙井口試驗裝置加載梁所要適應的最惡劣工況為大跨距單井口鉆機的加載試驗，該試驗工況時內側開檔中心距8 850 mm，外側開檔中心距13 450 mm，最大鉤載為13 000 kN，如圖5所示。

1—承載梁；2—加載梁；3—加載油缸；4—鉆機底座梁。

根據(jù)上述工況條件和試驗裝置結構的對稱性建立了單側井口1/4有限元加載模型，如圖6～7。

1) 有限元模型采用四面體網(wǎng)格，單元類型選用帶中間節(jié)點的Solid186實體單元，以減小四面體網(wǎng)格的剛性。

圖6 加載裝置1/4計算分析模型約束

圖7 加載裝置1/4計算分析模型網(wǎng)格劃分

2) 各對稱面均采用對稱約束。

3) 在有限元分析中，零位移約束為絕對的剛性約束，對應力分析結果影響較大，這和實際情況有所不同(絕大多數(shù)約束為彈性約束)。由于剛性約束邊界只影響附近小范圍的應力分布，為了提高分析結果的準確性，根據(jù)圣維南原理，可使模型的約束邊界遠離所關心的關鍵區(qū)域?；谠撛瓌t，建模時將承載梁上部的鉆機底座加高到3 m，然后對其上表面進行約束，這樣處理之后，鉆機底座剛度對承載梁接觸面處位移變化的影響可以忽略不計，如圖6；因此，查看計算結果時只對加載梁和承載梁進行分析判定[10]。

4) 鉆機底座與加載梁之間、加載梁與承載梁之間均采用接觸的模型，設置了相應的摩擦因數(shù)；并且對接觸位置網(wǎng)格進行了局部細化，進一步降低了約束對計算結果的影響。

5) 1/4載荷施加在加載梁連接耳座的銷軸孔上。

5.2 結果分析

加載裝置的加載梁和承載梁在大跨距、13 000 kN最大載荷工況試驗時，可采用鋼結構設計中關于受彎構件(梁)的計算和設計的方法來進行校核。校核結果顯示：承載梁中心面處的最大合成應力為151 MPa，而承載梁上所有材料均為Q345B，該材料的屈服極限為325 MPa；因此，承載梁主體手工計算結果的安全系數(shù)為2.15，滿足強度要求[9]。

有限元分析結果如圖8～9。加載梁主體中心面位置處的應力為140～175 MPa，與經(jīng)典方法計算的結果接近，由此證明有限元模型和分析方法是合理的。

圖8 加載梁應力分布云圖

圖9 最大應力位置點

圖9中顯示了最大應力位置，該處位于加載梁油缸連接耳座根部，屬于焊縫連接處，最大應力約為261 MPa。出于安全考慮，加載梁的連接耳座在設計之初就選用了屈服強度為530 MPa的高強度材料，具有2.03的安全系數(shù)。所以加載梁滿足設計要求[11]。

6 結論

1) 針對HJJ1150型海洋動態(tài)雙井口井架設計的雙井口載荷試驗裝置，自動化程度高、操作簡單、安全可靠，可以滿足雙井口井架安裝，同時滿足加載、差異化加載、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)采集的試驗要求。

2) 有限元分析和經(jīng)典方法計算的結果均表明，本文設計的雙井口井架載荷試驗裝置的強度可以滿足該雙井口井架的載荷試驗要求。

3) 通過現(xiàn)場試驗，驗證了雙井口井架產(chǎn)品的承載能力、整體穩(wěn)定性，還驗證了雙井口井架試驗裝置的安全性和可靠性，為海洋裝備產(chǎn)品、試驗工裝的研制提供了良好的參考依據(jù)。由此證明雙井口載荷試驗裝置可用于非海洋平臺環(huán)境下雙井口井架的載荷試驗與研究。