李 偉，王 贇

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

鼠洞在整個(gè)石油鉆采過程中扮演著不可或缺的角色。傳統(tǒng)的石油鉆采過程中，當(dāng)需要接鉆桿時(shí)，需要人工操縱完成鉆桿與鼠洞中單根的對(duì)扣，鉆井工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且一旦鉆桿脫手失控，危險(xiǎn)性極大，工作效率比較低[1]。

井口設(shè)備機(jī)械化是人們一直在研究的課題，而整個(gè)自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)中，動(dòng)力鼠洞必不可少[2]。新型的動(dòng)力鼠洞可將落入鼠洞的鉆桿扶正，并可以通過升降裝置調(diào)整鉆桿位置，實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的鉆桿與鐵鉆工的配合，完成接立根或卸立根[3]。

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力鼠洞避免了傳統(tǒng)鉆機(jī)接立根操作與鉆進(jìn)操作不能同時(shí)進(jìn)行的缺點(diǎn)，提高了工作效率。同時(shí)動(dòng)力鼠洞的設(shè)計(jì)可以滿足不同長(zhǎng)度鉆桿(鉆鋌)的需要，在司鉆房即可實(shí)現(xiàn)控制，減少了勞動(dòng)力，提高了工作效率而且更安全。通過對(duì)滑輪組的使用，可以用小行程的油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)緩沖裝置的大行程，降低了設(shè)備成本。

1 鼠洞結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

本文研究的動(dòng)力鼠洞結(jié)合上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司研發(fā)的海洋平臺(tái)鉆井包對(duì)排管系統(tǒng)的要求，最終確定了動(dòng)力鼠洞的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)型式。為完成自動(dòng)化接立根和卸立根工作，需要兩臺(tái)動(dòng)力鼠洞與鐵鉆工配合實(shí)現(xiàn)。

接套管只需要一個(gè)動(dòng)力鼠洞，另一個(gè)鼠洞只在接鉆桿時(shí)才用到，因此不需要兩個(gè)鼠洞都有接套管功能，即在設(shè)計(jì)時(shí)動(dòng)力鼠洞分長(zhǎng)動(dòng)力鼠洞和短動(dòng)力鼠洞(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)鼠和短鼠)，長(zhǎng)鼠既能接鉆桿也能接套管，短鼠只能接鉆桿，這樣可使鼠洞管長(zhǎng)度縮小，油缸行程縮短，從而減輕質(zhì)量，降低成本。

具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 動(dòng)力鼠洞技術(shù)參數(shù)

動(dòng)力鼠洞主要由管子定心裝置、洞口安全裝置、液壓鼠洞裝置、移動(dòng)緩沖裝置及鉆桿升降裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。長(zhǎng)、短動(dòng)力鼠洞的區(qū)別在于液壓鼠洞裝置鼠洞管的長(zhǎng)度以及鉆桿升降裝置中液壓油缸的行程。

圖1 動(dòng)力鼠洞結(jié)構(gòu)

2 鼠洞主要部件設(shè)計(jì)

2.1 管子定心裝置

管子定心裝置安裝在鼠洞口，采用彈簧連接4個(gè)張緊輪和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)鉆桿下放時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)張緊輪緊壓鉆桿臂，起到扶正對(duì)中作用，其他相關(guān)機(jī)具可以方便地從鼠洞內(nèi)抓取管具及方便鐵鉆工接鉆桿時(shí)對(duì)接。當(dāng)鉆桿上提時(shí)，會(huì)反向驅(qū)動(dòng)張緊輪，以減少對(duì)鉆桿臂的壓力。

管子定心裝置底部設(shè)有定位銷，方便定心裝置在鉆臺(tái)面的安裝定位。在定心裝置入口及旋轉(zhuǎn)臂位置都設(shè)有耐磨墊，用于減小鉆桿磨損。

2.2 洞口安全裝置

本文研究的動(dòng)力鼠洞可整體隱藏鉆臺(tái)甲板下，因此增加了安全蓋板，蓋板上表面與鉆臺(tái)面平齊，既美觀又提高了鉆井工作人員的安全性。

動(dòng)力鼠洞的洞口安全裝置起保護(hù)作用，該裝置由2個(gè)氣缸提供動(dòng)力，工作時(shí)將蓋板翻開80°角，在需要承接鉆桿或不使用鼠洞時(shí)，洞口安全裝置氣缸收回，蓋板封蓋，保護(hù)工作人員不出意外，也用于HTV立根手臂和橋式起重機(jī)之間的立柱交接，起到安全承接作用。

2.3 液壓鼠洞裝置

鼠洞管采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，其為一根圓柱管，底部有排污管接口，在鼠洞的內(nèi)部安裝有移動(dòng)緩沖裝置，移動(dòng)緩沖裝置的驅(qū)動(dòng)由液壓油缸提供動(dòng)力源；在移動(dòng)緩沖裝置可到達(dá)的最高位置的鼠洞管壁上安裝有限位開關(guān)或接近開關(guān)；在液壓油缸上裝有接近開關(guān)，檢測(cè)油缸完全伸出位置、鉆桿下放完成位置，并且在鼠洞管外部設(shè)計(jì)了保護(hù)支架，防止其他設(shè)備與鼠洞碰撞，造成設(shè)備損壞。

2.4 移動(dòng)緩沖裝置

移動(dòng)緩沖裝置結(jié)構(gòu)上部采用錐形緩沖墊，中間為高強(qiáng)度彈簧，下部連接鋼絲繩和吊耳。通過控制移動(dòng)緩沖裝置上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)鼠洞里面的鉆桿上下移動(dòng)，以到達(dá)合適的工作位置，而且彈簧在鉆桿下放到錐形緩沖墊時(shí)，可起到緩沖作用，防止管具在下放過程中由于沖擊而損壞接頭。

2.5 鉆桿升降裝置

該裝置通過液壓油缸、滑輪組及鋼絲繩鎖具等部件實(shí)現(xiàn)鉆桿的升降。動(dòng)滑輪支撐架通過軸與油缸連接，可使動(dòng)滑輪沿著鼠洞管下段的導(dǎo)軌上下移動(dòng)，動(dòng)滑輪支架通過鋼絲繩與移動(dòng)緩沖裝置連接，帶動(dòng)移動(dòng)緩沖裝置在鼠洞管內(nèi)上下移動(dòng)。油缸每伸長(zhǎng)1 m，移動(dòng)緩沖裝置就下降2 m，從而可以帶動(dòng)放置于其上的管具上下移動(dòng)，以便達(dá)到合適的高度。

鼠洞的液壓油缸是動(dòng)力鼠洞的關(guān)鍵設(shè)備，通過控制液壓油缸的伸出長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)鼠洞中的移動(dòng)緩沖裝置的位置，從而調(diào)整鼠洞中鉆桿的位置。當(dāng)鼠洞處于閑置狀態(tài)時(shí)，一般油缸處于完全收縮狀態(tài)；當(dāng)需要存儲(chǔ)鉆桿時(shí)，液壓油缸完全縮回，移動(dòng)緩沖裝置處于最高位置；當(dāng)鉆桿、鉆鋌或套管已經(jīng)放置在鼠洞中時(shí)，液壓油缸伸出到指定位置。當(dāng)鼠洞中放置鉆桿時(shí)，由接近開關(guān)或限位開關(guān)檢測(cè)位置；當(dāng)鼠洞中放置套管時(shí)，液壓油缸完全伸出。

3 鼠洞安全性設(shè)計(jì)

在接單根或者卸立根時(shí)，放入鼠洞的鉆桿或立根有掉入鼠洞的風(fēng)險(xiǎn)，自由落體的鉆桿或立根會(huì)對(duì)鼠洞底部形成沖擊，如果鼠洞強(qiáng)度不夠，甚至?xí)舸┦蠖?。鉆桿墜落作為一項(xiàng)主要的突發(fā)事件，被越來(lái)越多用戶所關(guān)注，并提出墜落安全分析需求[4]。通常鼠洞底部會(huì)有緩沖裝置，能夠緩解部分沖擊，計(jì)算鉆桿立根墜落情況下的沖擊力，對(duì)于鼠洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及緩沖裝置選型具有指導(dǎo)性意義。

為了方便鉆井包移動(dòng)，鼠洞做成可折彎的結(jié)構(gòu)，折彎部分通過鎖定銷與上部結(jié)構(gòu)相連，沖擊力過大可能導(dǎo)致鎖定銷失效，這種情況下沖擊力的計(jì)算尤為重要。本文討論的鼠洞結(jié)構(gòu)如圖2所示，由導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、折彎結(jié)構(gòu)、緩沖裝置等部件組成。

圖2 折彎鼠洞結(jié)構(gòu)

該鼠洞管全長(zhǎng)17.748 m，鼠洞管外徑為0.500 m，內(nèi)徑為0.472 m。折彎結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)通過兩個(gè)直徑為0.05 m的鎖定銷相連。鼠洞底部為蝶形彈簧緩沖裝置，計(jì)算5-1/2″鉆桿立根(3根)從距蝶形彈簧頂部1 m處墜落產(chǎn)生的沖擊力。

3.1 沖擊力計(jì)算

每根5-1/2″鉆桿長(zhǎng)度為30′，質(zhì)量為3 037 kg，一個(gè)立根(3根)的質(zhì)量為9 111 kg，故設(shè)計(jì)載荷設(shè)定為10 t，墜落高度為1 m。

緩沖裝置選取schnorr 蝶形彈簧，共18片，彈簧規(guī)格為023900，數(shù)據(jù)來(lái)源為schnorr彈簧樣本。

為簡(jiǎn)化計(jì)算作如下假設(shè)：

1)鉆桿下落過程中不與鼠洞發(fā)生接觸，即鉆桿垂直下落，不考慮鉆桿與鼠洞摩擦損失。

2)忽略蝶形彈簧在變形過程中與鼠洞的摩擦損失。

3)彈簧受沖擊載荷時(shí)變形為線性變形，鼠洞管產(chǎn)生的變形為線彈性變形。

4)鉆桿下落不考慮回彈，即只計(jì)算下落過程產(chǎn)生的沖擊力。

根據(jù)能量守恒定律[5]，鉆桿下落過程中產(chǎn)生的沖擊力做功轉(zhuǎn)化為彈簧、鉆桿立根、底部連接螺栓、鼠洞結(jié)構(gòu)等的變形能。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 沖擊力計(jì)算結(jié)果

3.2 鼠洞結(jié)構(gòu)校核

根據(jù)表2計(jì)算得出的沖擊力校核鼠洞管連接處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，該沖擊力也可用于鼠洞與鉆臺(tái)面連接處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核，對(duì)于折彎鼠洞，折彎鎖定銷處更為薄弱，故主要校核此處強(qiáng)度。

1)建模。

利用ANSYS軟件建立鼠洞有限元模型，鼠洞管采用8節(jié)點(diǎn)的Solid45單元，該單元適用于分析計(jì)算塑性、大變形以及大應(yīng)變[5]。

2)材料特性。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙，鼠洞主結(jié)構(gòu)材料為Q345D，連接耳板材料為E550，材料性能見表3，材料許用應(yīng)力見表4。

表3 材料性能表

表4 材料許用應(yīng)力表

3)加載。

對(duì)鼠洞上表面與鉆臺(tái)面接觸位置施加固定載荷，并對(duì)連接耳板處施加載荷。如圖3所示。

圖3 加載

4)應(yīng)力計(jì)算。

鼠洞結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖4所示，其中耳板處應(yīng)力最大，為351 MPa。該處材料為E550，材料屈服強(qiáng)度為550 MPa，由于墜落工況為破壞工況，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1。故鼠洞結(jié)構(gòu)安全。

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

3.3 試驗(yàn)校核

鼠洞作為獨(dú)立設(shè)備，應(yīng)用戶要求，需對(duì)鼠洞進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，由于鉆桿掉落試驗(yàn)對(duì)鼠洞固定支撐面強(qiáng)度有較高要求且鼠洞管比較長(zhǎng)，征得用戶同意，制作框架支撐模擬鉆臺(tái)面，使用等同于計(jì)算的沖擊載荷大小的配重作用在鼠洞下方，由于應(yīng)力最大點(diǎn)無(wú)法貼應(yīng)變片，故在應(yīng)力較大處貼應(yīng)變片(數(shù)據(jù)參考ANSYS軟件模擬結(jié)果)，比較有限元結(jié)果和實(shí)際應(yīng)力誤差，推算最大應(yīng)力處應(yīng)力是否符合許用應(yīng)力，應(yīng)變片位置如圖5所示。用吊機(jī)將鼠洞管吊起，維持5 min，檢查鼠洞變形及折彎處插銷變形情況。

圖5 應(yīng)變位置

利用無(wú)損檢測(cè)手段檢查各處焊縫，均未出現(xiàn)裂紋。通過應(yīng)變片測(cè)得各個(gè)耳板應(yīng)力，并與有限元仿真計(jì)算的應(yīng)力進(jìn)行比較，各處應(yīng)力值及比較結(jié)果見表5，由表可知，各點(diǎn)應(yīng)力誤差范圍均在8%以內(nèi)，有限元結(jié)果和實(shí)際情況較為吻合，可作參考。目前該鼠洞已投入使用，使用狀況良好。

表5 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與有限元仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有對(duì)心和扶正功能的動(dòng)力鼠洞，能將鉆桿提升到固定高度，配合鐵鉆工接鉆桿工作，并在一個(gè)鉆桿立根垂直墜落工況下對(duì)鼠洞結(jié)構(gòu)的沖擊力進(jìn)行理論計(jì)算，校核鼠洞結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果對(duì)鼠洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、緩沖裝置選型具有指導(dǎo)意義。對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行了載荷試驗(yàn)，結(jié)果證明結(jié)構(gòu)安全可靠，可給類似結(jié)構(gòu)鼠洞設(shè)計(jì)提供參考。