王莉，張勝寶，袁則名，陳鵬飛，倪益民，吳事難

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 邊際油田開發(fā)項(xiàng)目組 （天津 300452）

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司 （天津 300452）

由于液壓舉升裝置具有對(duì)海上平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)、模塊化設(shè)計(jì)、單件吊裝重量小于10 t 且易于拆裝等特點(diǎn)，在國(guó)外（美國(guó)墨西哥灣、英國(guó)北海、東南亞）海上平臺(tái)已廣泛應(yīng)用于完修井作業(yè)[1]。目前，中海油已使用該設(shè)備成功實(shí)施修井作業(yè)。為拓展液壓舉升裝置的使用范圍，解決目前中海油海上低配修井機(jī)平臺(tái)及無(wú)修井機(jī)平臺(tái)的側(cè)鉆作業(yè)難題，考慮將液壓舉升裝置應(yīng)用于海上平臺(tái)進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)。結(jié)合海上平臺(tái)井槽布置特點(diǎn)，為減少多井同時(shí)作業(yè)的安裝時(shí)間，考慮采用簡(jiǎn)易移動(dòng)底座對(duì)液壓舉升裝置進(jìn)行橫縱滑移。

1 液壓舉升裝置受力分析

針對(duì)340 K液壓舉升裝置采用ANSYS軟件中的solid187 實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)180 萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)334 萬(wàn)，扭矩的施加采用剛性梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算條件主要參考GB/T 25428—2015《石油天然氣工業(yè)鉆井和采油設(shè)備 鉆井和修井井架、底座》、SY/T 7089—2016《海洋平臺(tái)鉆機(jī)選型推薦作法》《API Spec 4F—2013標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。最大設(shè)計(jì)風(fēng)速按API Spec4F—2013規(guī)定3 s 陣風(fēng)，工作狀態(tài)最大風(fēng)速為21.6 m/s；極端環(huán)境條件下考慮采用渤海油田某油礦100年期海況條件，風(fēng)速為37.4 m/s。載荷情況主要考慮設(shè)備自重、作業(yè)載荷、風(fēng)載、桅桿載荷、液壓動(dòng)力鉗載荷、操作臺(tái)和軟管自重、BOP 遠(yuǎn)程控制柜，偏載荷主要考慮人載荷及操作臺(tái)雜物。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，正常作業(yè)工況下，最大鉆進(jìn)作業(yè)中許用提升能力[5]

式中：Fgz為設(shè)備最大許用提升能力，kN；Qgz為鉆機(jī)最大鉤載，kN；Qyd為游動(dòng)系統(tǒng)重量，kN，可忽略。

依據(jù)GB/T 29549.1—2013《海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī) 第1 部分:設(shè)計(jì)》40/2250 及以下級(jí)別的鉆機(jī)[6]，最大連續(xù)輸出扭矩≥19 kN·m，最大間歇輸出扭矩≥24 kN·m，最大連續(xù)輸出功率≥350 kW。本次受力分析考慮最大正常作業(yè)工況為：提升載荷87 t，扭矩24 kN·m；極端作業(yè)工況為：提升載荷154 t，扭矩為0，用于鉆井中的復(fù)雜情況[7-8]。

作業(yè)過程中的風(fēng)載施加以桅桿為參考，如圖1所示，根據(jù)其相對(duì)位置，風(fēng)載施加面分為桅桿側(cè)、桅桿對(duì)面?zhèn)?、桅桿左側(cè)、桅桿右側(cè)，下面以正常鉆井作業(yè)時(shí)的最大作業(yè)工況為例進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1 風(fēng)載施加示意圖

圖2 整體位移（單位：mm）

圖3 Y方向位移（單位：mm）

提升載荷87 t，扭矩24 kN·m，風(fēng)速21.6 m/s，風(fēng)向：桅桿側(cè)。經(jīng)過計(jì)算，液壓舉升裝置的整體最大位移量為12.856 7 mm，位于二級(jí)油缸頂部，如圖2所示。液壓舉升裝置Y 方向的最大位移量10.012 5 mm，位于二級(jí)油缸，如圖3 所示。液壓油缸的最大等效應(yīng)力為115.732 MPa，位于二級(jí)油缸，如圖4 所示。下基座、上工作籃的最大等效應(yīng)力為73.66 MPa，位于下基座底板處，如圖5所示。

提升載荷87 t，扭矩24 kN·m，風(fēng)速37.4 m/s，風(fēng)向：桅桿側(cè)。液壓舉升裝置的整體最大位移量為24.972 9 mm，位于桅桿頂部；Y 方向最大位移量24.199 2 mm，位于桅桿頂部。液壓油缸最大等效應(yīng)力為115.736 MPa，位于二級(jí)油缸；下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力為71.86 MPa，位于下基座底板。同樣，利用ANSYS軟件對(duì)鉆井最大正常作業(yè)工況下，風(fēng)向?yàn)槲U對(duì)面?zhèn)?、桅桿左側(cè)、桅桿右側(cè)等不同風(fēng)向的有限元模型進(jìn)行逐一分析，得到相應(yīng)的最大等效應(yīng)力和位移量，見表1；鉆井極端作業(yè)工況條件下，340 K 液壓舉升裝置的最大等效應(yīng)力和位移量，見表2。

圖4 液壓油缸等效應(yīng)力

圖5 下基座、上工作籃等效應(yīng)力

表1 最大正常作業(yè)工況下有限元分析結(jié)果

表2 極端作業(yè)工況下有限元分析結(jié)果

2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

根據(jù)液壓舉升裝置設(shè)備手冊(cè)可知，液壓油缸的屈服強(qiáng)度≥355 MPa，上工作籃、下基座鋼材的屈服強(qiáng)度為250 MPa。依據(jù)API Spec 4F—2013，最小安全穩(wěn)定性系數(shù)（最小安全穩(wěn)定性系數(shù)=許用應(yīng)力/材料屈服強(qiáng)度）要大于1.67，可知液壓舉升裝置的油缸許用應(yīng)力為212.6 MPa，上工作籃、下基座的許用應(yīng)力為149.7 MPa。

1）最大正常作業(yè)工況下有限元分析（提升載荷87 t，扭矩24 kN·m）。根據(jù)作業(yè)狀態(tài)，綜合考慮各種工況條件后，當(dāng)風(fēng)載方向?yàn)槲U右側(cè)時(shí)液壓舉升裝置的整體位移量最大，位移量為53.018 4 mm。此時(shí)，下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力最大為83.44 MPa，遠(yuǎn)小于最小安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.67 時(shí)根據(jù)API Spec 4F—2013 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的許用應(yīng)力149.7 MPa；油缸最大等效應(yīng)力對(duì)風(fēng)載荷方向不敏感，均在115 MPa 左右，也同樣小于根據(jù)API Spec 4F—2013標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的許用應(yīng)力212.6 MPa。

通過分析可知：最大正常鉆井作業(yè)工況下，采用簡(jiǎn)易滑移底座承載液壓舉升裝置的方式可滿足鉆井作業(yè)需求。

2）極端作業(yè)工況下有限元分析（提升載荷154 t，無(wú)扭矩）。綜合考慮各種工況條件，當(dāng)風(fēng)速為37.4 m/s且方向?yàn)槲U右側(cè)時(shí)液壓舉升裝置的整體位移量最大，為47.33 mm。此時(shí)，下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力為146.47 MPa，略小于最小安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.67 時(shí)根據(jù)API Spec 4F—2013 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的許用應(yīng)力149.7 MPa；油缸最大等效應(yīng)力對(duì)風(fēng)載荷方向不敏感，均在136 MPa 左右，遠(yuǎn)小于根據(jù)API Spec 4F—2013標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的許用應(yīng)力212.6 MPa。

通過上面的分析可知：極端作業(yè)工況下，采用簡(jiǎn)易滑移底座承載液壓舉升裝置的方式可滿足鉆井作業(yè)需求。

3 結(jié)論與建議

1）對(duì)340 K液壓舉升裝置在鉆井最大正常作業(yè)工況（提升載荷87 t，扭矩24 kN·m）及極端作業(yè)工況下（提升載荷154 t，無(wú)扭矩）設(shè)備的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，采用簡(jiǎn)易移動(dòng)底座方式承載液壓舉升裝置時(shí)最小安全系數(shù)大于1.67，滿足設(shè)備安全穩(wěn)定性要求。

2）為減少多井同時(shí)作業(yè)的安裝時(shí)間，結(jié)合海上平臺(tái)井槽布置特點(diǎn)，推薦海上平臺(tái)采用簡(jiǎn)易移動(dòng)底座對(duì)液壓舉升裝置進(jìn)行橫縱滑移以實(shí)現(xiàn)側(cè)鉆作業(yè)。