王來智，南建武，張濤，王定亞，李小兵，周青，李雙鵬

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002）

0 引言

石油測(cè)井技術(shù)在石油勘探與開采中發(fā)揮著極為重要的作用，而其中最重要的設(shè)備是測(cè)井絞車，主要用來完成油（氣）井筒內(nèi)對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境及溫度等參數(shù)的測(cè)量。絞車滾筒主要用來纏繞電纜，測(cè)井儀器與電纜端頭固定，利用絞車滾筒的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)與逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)在幾千米深的油（氣）井筒內(nèi)的上提、下放，從而完成了石油測(cè)井的作業(yè)過程。

在石油測(cè)井的過程中，以7000 m絞車滾筒為例，測(cè)井儀器在井下需要完成以最小20 m/h、最大9500 m/h的線速度上提，在整個(gè)上升過程中，絞車滾筒筒身受到了正壓力、彎曲及大轉(zhuǎn)矩等載荷的影響，而滾筒左右輪轂受到了層層電纜纏繞時(shí)軸向擠壓力的影響，受力情況比較復(fù)雜。賴笑輝等[1]采用有限元方法對(duì)絞車滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析及計(jì)算，得出了滾筒等效應(yīng)力分布。李華等[2]以提升絞車為例通過ANSYS模塊對(duì)滾筒進(jìn)行了靜力學(xué)分析。王潤(rùn)思等[3]針對(duì)鉆機(jī)絞車的滾筒受載情況復(fù)雜的問題，通過建立滾筒靜力學(xué)分析有限元模型，得到了滾筒應(yīng)力分布及機(jī)械可靠性大小理論。

本文針對(duì)7000 m測(cè)井絞車滾筒在工作中存在易斷裂問題，借助三維有限元分析方法，分析了絞車滾筒在工作時(shí)等效應(yīng)力、應(yīng)變及位移的變化規(guī)律，以及影響滾筒周圍電磁場(chǎng)穩(wěn)定性的因素，為后續(xù)絞車滾筒設(shè)計(jì)提供更好的理論基礎(chǔ)。

1 模型的建立

1.1 絞車滾筒三維模型

絞車滾筒主要由左輪轂、右輪轂及筒身等3部分構(gòu)成，按照筒體材料和加工方法分為鑄造滾筒和焊接滾筒兩大類。本文選擇的滾筒類型為焊接滾筒，筒體由具有焊接性的板材卷焊之后加工而成，具有壁薄、導(dǎo)熱性好、單件加工方便、適用材料廣、筒體的直徑與長(zhǎng)度范圍大等特點(diǎn)。

絞車滾筒模型通過三維軟件UG來完成，具體如圖1所示。

圖1 絞車滾筒三維模型

絞車滾筒主要技術(shù)參數(shù)：滾筒輪轂大徑D=1280 mm，滾筒筒身直徑d=465 mm（厚度t=32 mm），開檔L=992.8 mm，電纜直徑d1=12.7 mm，假定測(cè)井儀器重力G=2659.5 N。

1.2 絞車滾筒工況計(jì)算

7000 m絞車滾筒容繩量實(shí)際約為7500 m，假設(shè)在正常測(cè)井工況下，電纜沒有遇卡，忽略電纜的在液體中的浮力和液體對(duì)電纜阻力，計(jì)算每一層電纜相對(duì)滾筒的參數(shù)，如表1所示。

表1 滾筒工況參數(shù)

根據(jù)實(shí)際計(jì)算推導(dǎo)得出電纜繞n層時(shí)筒身直徑為

井下電纜長(zhǎng)度L1=總長(zhǎng)度L0-滾筒纏繞長(zhǎng)度L2，負(fù)荷P1=井下電纜重力Gi+測(cè)井儀器重力G，依據(jù)文獻(xiàn)[4]知電纜每層對(duì)滾筒側(cè)板的推力計(jì)算公式為

根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，電纜繞n層時(shí)對(duì)滾筒側(cè)板總的推力為

絞車滾筒在實(shí)際工作過程中，不僅滾筒筒身受力，而且滾筒輪轂也受力，兩者都發(fā)生變形，并且相互交叉影響，從表1可以得出電纜對(duì)滾筒側(cè)板產(chǎn)生的軸向推力為1 620 061.79 N,各層電纜對(duì)滾筒筒身的總負(fù)荷為879 034.4 N。

1.2.1 滾筒纏滿電纜時(shí)筒身所受的拉力及壓力載荷

滾筒在纏滿電纜并受到軸向拉力的情況下，可以將此滾筒受力狀態(tài)簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖2 滾筒筒身受力圖

由圖2可知，滾筒筒身所受到最大拉應(yīng)力為

對(duì)此種滾筒材料δb=530 MN/m2，取安全系數(shù)為2，則許用應(yīng)力[δ]=δb/2=265 MN/m2。因?yàn)棣膍ax<[δ]，所以滾筒筒身受拉安全。

筒身在受到每層電纜的正向壓力時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知筒身正壓力計(jì)算公式為

式中：q1為筒身正壓力；P為電纜最大拉力；r為滾筒半徑；s為電纜兩圈之間節(jié)距。

滾筒在上升過程中，纏繞電纜圈數(shù)不斷增加，使得電纜井筒中所受拉力減少，對(duì)筒身表面的正向受力同時(shí)也降低，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果[6]，按照影響因子得出滾筒實(shí)際所承受的徑向壓力為

式中，A為多層纏繞因子。本文當(dāng)井下電纜長(zhǎng)度約7000 m時(shí)，原絞車滾筒上最大纏繞電纜層數(shù)為4層，故根據(jù)文獻(xiàn)[1]取系數(shù)A=2。

根據(jù)上述公式可以得出絞車滾筒第四層時(shí)電纜拉力P4=22.47 MPa。

1.2.2 滾筒纏繞電纜，側(cè)板與筒身連接處受力計(jì)算

根據(jù)此絞車滾筒的實(shí)際工作情況，本文7000 m滾筒左右輪轂各含有12處筋板，現(xiàn)以其中1處筋板的具體截面為例作為研究元素。則此處的受力情況可以簡(jiǎn)化為T形結(jié)構(gòu)截面。T形截面如圖3所示，T形截面的尺寸為：a=36 mm，H=142 mm，d=22 mm，b=166 mm。

圖3 T形截面

根據(jù)分析可知，其最大彎矩、最大剪力均產(chǎn)生在輪轂與滾筒連接處。根據(jù)理論可知：梁的某橫截面上的剪力，在數(shù)值上等于該截面一側(cè)梁上所有外力的代數(shù)和；梁的某橫截面上的彎力矩等于所有受力對(duì)此截面中心形成的力矩和。代入表1中數(shù)值，則滾筒一個(gè)單元：

最大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中:δx=δmax=56.64 MN/m2；δy=0，τx=τmax=37.9 MN/m2。代 入 數(shù) 值 得：2α0=36.768°或216.768°，α0=18.384°或108.384°。

按照x方向?yàn)闇?zhǔn)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度18.384°，就是δmax的平面，再轉(zhuǎn)動(dòng)角度108.384°就是δmin的另外一平面，由材料理論力學(xué)公式得出：

圖4 A截面處的單元體

按照主應(yīng)力，在現(xiàn)在情況下得出：δ1=75.63 MN/m2，δ2=0，δ3=-18.99 MN/m2。

按第三強(qiáng)度理論得出δeq3=δ1-δ3=94.62 MN/m2。根據(jù)材料的許用應(yīng)力[δ]=δb/2=265 MN/m2，δeq3<[δ]，由計(jì)算結(jié)果得出滾筒側(cè)板受擠壓安全。

2 絞車滾筒強(qiáng)度分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

滾筒材料為20Mn23AlV鋼板，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。利用ANSYS Workbench 建立有限元分析模型，如圖5所示。

圖5 絞車滾筒有限元模型

2.2 ANSYS Workbench載荷加載

1）滾筒纏滿4層時(shí)電纜對(duì)筒壁的徑向壓力P4=22.47 MPa，將此正壓力加載滾筒表面上；2）井筒中電纜端頭所受的拉力對(duì)筒壁形成一種轉(zhuǎn)矩力，將此轉(zhuǎn)矩力加載電纜出繩圈的筒身上；3）纏繞電纜對(duì)滾筒側(cè)板的推力，該力沿圓周方向分布在側(cè)板上。

2.3 ANSYS Workbench邊界條件處理

1）將滾筒左端輪轂施加固定約束；2）對(duì)滾筒右端輪轂施加Cylindrical support約束徑向自由度（軸向自由）。

2.4 ANSYS Workbench計(jì)算結(jié)果分析

圖6和圖7分別為絞車滾筒的等效應(yīng)力分布云圖及等效應(yīng)變分布云圖。從圖中可以得出滾筒輪轂與筒壁連接部位等效應(yīng)力、應(yīng)變高于其它部位，其最大應(yīng)力值226.88 MPa、應(yīng)變最大值0.001出現(xiàn)在筒身與輪轂的連接處和筒身內(nèi)部加強(qiáng)筋處。

圖6 絞車滾筒等效應(yīng)力云圖

圖7 絞車滾筒等效應(yīng)變?cè)茍D

從圖8可以看出，滾筒輪轂側(cè)板上自中心向外，位移量逐漸增加，以軸向方向?yàn)闇?zhǔn)而且逐漸向外側(cè)偏離。即絞車滾筒在實(shí)際工作過程中，滾筒輪轂向外發(fā)生變形，這時(shí)整個(gè)滾筒的最大變形量為0.291 42 mm。

圖8 絞車滾筒等效軸向位移云圖

3 絞車滾筒電磁場(chǎng)分析

測(cè)井絞車在正常工作過程中，儀器通過滾筒表面纏繞電纜進(jìn)行上提和下放操作，表面一圈圈的電纜工作通電就會(huì)形成絞車滾筒電磁場(chǎng)。

3.1 計(jì)算參數(shù)

儀器正常工作時(shí)提供電壓U=220 V，φ12.7 mm電纜經(jīng)過試驗(yàn)得出每1000 m電阻大約為R=31 Ω，總電阻Rzong=232.5 Ω，因此流經(jīng)電纜的電流I=U/R=0.95 A。

3.2 結(jié)果分析

圖9為絞車滾筒在電纜通電時(shí)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布圖，當(dāng)工作過程中出現(xiàn)一帶磁體材料靠近絞車滾筒時(shí)，從圖中可以直觀地看出小磁體周圍的電磁場(chǎng)分布發(fā)生突變，是由于小磁體引起了切割磁感線的作用，電磁通量改變了原絞車滾筒電磁場(chǎng)的穩(wěn)定性。由長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1 Gs，距離滾筒軸徑向范圍1.2 m內(nèi)就會(huì)影響絞車滾筒磁場(chǎng)的穩(wěn)定性，干擾了滾筒上纏繞電纜信號(hào)的穩(wěn)定性。

圖9 絞車滾筒電磁場(chǎng)分布圖

3.3 測(cè)井絞車滾筒材料推薦

滾筒作為測(cè)井絞車的核心零部件，其強(qiáng)度和抗磁化能力是其最重要的性能，因此需要選擇一些具有較強(qiáng)抗磁化能力并具有較高強(qiáng)度的奧氏體鋼材料來加工制作。推薦的常用材料如表2所示。

表2 滾筒材料推薦表

4 結(jié)論

1）本文通過經(jīng)典傳統(tǒng)力學(xué)與有限元兩種方法對(duì)絞車滾筒強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，絞車滾筒的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。得出滾筒最大應(yīng)力、應(yīng)變出現(xiàn)在輪轂與筒身的連接處，作為對(duì)絞車滾筒設(shè)計(jì)最重要的理論依據(jù)。2）絞車滾筒輪轂側(cè)板上自中心向外位移變形量依次增大，即滾筒在實(shí)際工作過程中側(cè)板向外發(fā)生變形，變形最大值為0.291 42 mm，這時(shí)整個(gè)滾筒側(cè)板的變形量為0.582 84 mm，與滾筒實(shí)際工作中所測(cè)變形數(shù)值量非常接近。3）文中通過經(jīng)典傳統(tǒng)力學(xué)與有限元兩種方法對(duì)絞車滾筒強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，采用有限元方法具有更好的適用性。4）測(cè)井絞車滾筒上纏繞著測(cè)井計(jì)算機(jī)與井下傳感器的連接電纜，絞車滾筒軸徑向范圍1.2 m內(nèi)不能有大于1 Gs的磁場(chǎng)干擾；測(cè)井絞車滾筒材料選擇應(yīng)具有一定的抗磁化能力，建議常規(guī)采用奧氏體鋼材料。