韓菲，黃洪波，王玉丹，雷康，賀鑫，吳海泉，程斯一，姚鄒，文國軍

(1.中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100016；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074；3.湖北省智能地質(zhì)裝備工程技術(shù)研究中心，武漢 430074)

0 引言

我國礦產(chǎn)資源比較豐富，淺層礦和地表礦產(chǎn)等資源隨著礦產(chǎn)資源勘查力度的不斷加強(qiáng)在日益減少，探礦的難度也在不斷增大[1]。目前地質(zhì)巖心勘探正朝著大深度、復(fù)雜地層勘探邁進(jìn)。突破復(fù)雜地層的技術(shù)限制，完成更大深度的尋找礦藏工作是我國能源可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略[2]。大深度地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)是礦產(chǎn)勘查的重要手段，而鉆機(jī)井架是鉆探作業(yè)中的必備裝置，用于安放天車等設(shè)備與工具，提供起下鉆空間，屬于塔式鋼架結(jié)構(gòu)。鉆機(jī)井架長期受到交變載荷與振動等的影響，容易發(fā)生變形、疲勞等形式的損壞，分析井架在受到各類載荷下的動力學(xué)特性具有重要意義。

隨著有限元相關(guān)理論及應(yīng)用的擴(kuò)展，基于有限元分析的井架動態(tài)特性的研究亦被推進(jìn)。任國友等利用ANSYS有限元分析軟件對K型井架進(jìn)行了動力學(xué)分析，通過結(jié)果比對，建立了井架的動力學(xué)評判標(biāo)準(zhǔn)[3]。付春艷等通過有限元方法分析了井架不同工況下的瞬態(tài)特性，且討論了井架起放過程的加速度變化趨勢和危險點[4]。王樹忠等為研究井架和鉆探設(shè)備的振動干擾問題，對井架和底座進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，結(jié)果顯示在井架的低階自振頻率(前四階)時容易與鉆探設(shè)備發(fā)生共振[5]。本文對地質(zhì)巖心鉆機(jī)井架卡鉆工況載荷下進(jìn)行了瞬態(tài)動力學(xué)分析，即井架在卡鉆情況下的瞬態(tài)動力學(xué)響應(yīng)，并通過仿真分析得出了井架在這種特殊工況下的危險點。

1 深孔地質(zhì)巖心鉆探井架的結(jié)構(gòu)特點

鉆機(jī)井架屬于細(xì)長鋼架結(jié)構(gòu)，在外部載荷或者慣性力的作用下，井架頂端的水平位移比較大，晃動比較劇烈，從而引起整個井架的振動。當(dāng)鉆探深度增加時，鉆機(jī)需要配備更長的鉆具，井架的有效尺寸會明顯的增大，井架的振動會更容易發(fā)生。因此，深孔地質(zhì)巖心鉆探井架需要在滿足大尺寸的同時，還要保證井架具有良好的強(qiáng)度、剛性和穩(wěn)定性。

深孔地質(zhì)巖心鉆探中，井架通常設(shè)計為K型井架。K型井架是一種前開口的、多段拼接的鋼架結(jié)構(gòu)[6]。一般分為4～6段，運輸時拆分成單個井架段，可在地面低位根據(jù)要求進(jìn)行拆卸、組裝，在下放過程中一般進(jìn)行整體吊放。K型井架的整體是一個焊接鋼架結(jié)構(gòu)，具有整體剛性好的優(yōu)點。

2 卡鉆工況下井架的載荷分析

深孔地質(zhì)巖心鉆探過程中，由于地層條件比較復(fù)雜，鉆頭遇到巖石縫等情況時會發(fā)生卡鉆事故?？ㄣ@事故發(fā)生后，鉆具的軸壓力和扭矩將達(dá)到最大值，同時反作用力會對井架產(chǎn)生同樣大的沖擊。根據(jù)能量守恒原則，突然發(fā)生卡鉆時動能完全轉(zhuǎn)化為勢能，會對井架產(chǎn)生明顯的沖擊作用?？梢愿鶕?jù)式(1)和式(2)確定相應(yīng)的軸壓力F1與回轉(zhuǎn)扭矩T1[7]：

(1)

(2)

式中：F0為鉆機(jī)額定軸壓力，取值F0=530 kN；T0為鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，取值T0=14 kN·m；k1和k2分別是系統(tǒng)的剛度系數(shù)和扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，取值k1=3.1×109N·m，k2=8.6×103N·m·rad-1；m0為頂驅(qū)動力頭與鉆具質(zhì)量和，取值m0=16 736 kg；J為轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)實際鉆桿的規(guī)格計算可得J=127 kg·m2；v為最大額定鉆進(jìn)速度，取值v=0.42 m/min(即0.007 m/s)；ω為鉆頭的回轉(zhuǎn)速度，ω=170 r/min(即17.69 rad/s)。

通過式(1)和式(2)可計算得到最大軸壓力和最大轉(zhuǎn)矩分別為：F1=580 kN，T1=32.5 kN·m。鉆具的軸壓力和最大轉(zhuǎn)矩會反作用于井架，做井架的動力學(xué)仿真時將卡鉆時的最大軸向力F1和最大轉(zhuǎn)矩T1加載到鉆架的頂端四個節(jié)點上進(jìn)行模擬。

3 井架的瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析

3.1 井架的仿真模型

K型井架是一個以梁和桿為主的空間鋼架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了減少仿真計算的工作量，在不影響仿真結(jié)果的前提下，對井架提出如下假設(shè)，并對其模型進(jìn)行簡化：①忽略井架上為安全施工而人為設(shè)置的附屬結(jié)構(gòu)，將質(zhì)量點添加在井架的相應(yīng)節(jié)點上，本文只研究井架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變；②為了便于分析，認(rèn)定井架的梁與桿為剛性固連，井架各段之間采用鉸接固定[9]；③井架底部和底座之間采用全約束。

在ANSYS Workbench的DM模塊中設(shè)置好尺寸，繪制空間草圖連成線體，設(shè)置合理的截面形狀和尺寸參數(shù)，完成井架有限元模型的建立，見圖1。

圖1 井架有限元模型Fig.1 Finite element model of derrick

井架的材料設(shè)定為Q345，根據(jù)Newmark方法估算出求解時間步為0.0059 s[10]。相關(guān)的井架參數(shù)及仿真參數(shù)的設(shè)置見表1和表2。

表1 井架的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of derrick

表2 求解參數(shù)設(shè)定Tab.2 Setting of solution parameter

3.2 仿真載荷設(shè)置

圖2 卡鉆時井架載荷步設(shè)置Fig.2 Setting of derrick load step during sticking

卡鉆載荷通過鉆具和鋼絲繩傳遞給井架，力作用在井架頂端的節(jié)點上。本文主要研究井架在正常鉆進(jìn)時突然卡鉆的瞬態(tài)特性，卡鉆事故的載荷步設(shè)置如圖2所示。第一載荷步是鉆機(jī)啟動狀態(tài)，時刻為0～1.0 s，軸壓力和轉(zhuǎn)矩從零逐漸增大，1.0 s達(dá)到正常鉆進(jìn)載荷值，此時的軸壓力為530 kN，轉(zhuǎn)矩為14 kN·m。第二個載荷步是鉆機(jī)穩(wěn)定運行狀態(tài)，1.0～2.0 s軸壓力和轉(zhuǎn)矩保持不變。第三個載荷步是突發(fā)卡鉆狀態(tài)，時刻為2.0～2.1 s，軸壓力突增至580 kN，轉(zhuǎn)矩突增至32.5 kN·m。第四載荷步是卡鉆后瞬態(tài)力的維持階段，時刻2.1～10.0 s，軸壓力和轉(zhuǎn)矩保持在卡鉆狀態(tài)下。

3.3 卡鉆情況下的井架瞬態(tài)動力學(xué)分析

一般情況下，井架受到瞬態(tài)載荷時頂端振動幅度較大，因此本文僅對井架頂端節(jié)點進(jìn)行了位移和速度響應(yīng)分析。圖3是卡鉆情況下，井架頂端在不同方向的瞬態(tài)位置響應(yīng)曲線和速度響應(yīng)曲線。

圖3 卡鉆情況下井架的瞬態(tài)響應(yīng)Fig.3 Transient response of derrick under sticking

由圖3可以得出，井架z向(立柱軸向)和y向(側(cè)向)振動的幅度都比較小，因此可忽略這兩個方向的位移響應(yīng)。井架x向(前開口方向)的振動幅度比較大，時間t≈2.7 s時最大位移量為34.9 mm，位移為負(fù)。由此說明：在整個振動過程中，井架表現(xiàn)為向后傾倒，人字架彎曲受力，振型表現(xiàn)為后傾變形，井架整體擠壓人字架，導(dǎo)致人字架出現(xiàn)彎曲變形。時間t≈2.3 s時，井架頂端的速度達(dá)到最大值為92.8 mm/s，此時振動速度較快；時間t≈3.0 s后井架的位移和速度響應(yīng)在阻尼的作用下逐漸變小歸為穩(wěn)態(tài)。

4 結(jié)論

本文主要對地質(zhì)巖心鉆機(jī)井架在卡鉆工況下的載荷進(jìn)行了分析，并通過ANSYS對井架的瞬態(tài)動力學(xué)進(jìn)行了仿真分析，可以得出結(jié)論：在卡鉆工況下，井架有向后傾的趨勢，人字架容易彎曲是主要危險點，隨著時間推移，整個井架的位移和速度在阻尼的作用下逐漸變小歸為穩(wěn)態(tài)。