車載式修井機井口對中裝置設計與分析

常玉連，田 美，高 勝，龐伶伶

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318） ＊

車載式修井機井口對中裝置設計與分析

常玉連，田 美，高 勝，龐伶伶

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318）＊

簡要介紹了車載式修井機井口對中裝置的應用背景。論述了車載式修井機井口對中裝置的結構設計，并應用SolidWorks仿真軟件對其進行了有限元分析，獲得了井口對中裝置在彈性地基梁基礎上的應力、變形情況。

修井機；結構設計；仿真；彈性地基梁

在石油修井作業(yè)中，修井機的井口對中是保證修井作業(yè)正常進行的關鍵環(huán)節(jié)［1－5］。但在國內(nèi)石油修井作業(yè)中，車載式修井機對中井口仍然是通過司機目測后開動車輛來調(diào)整修井機車體的前后、左右位置，達到修井機對中井口的。這種方法操作困難、對中精度差、調(diào)整效率低。為了解決所提出的現(xiàn)有技術問題，本設計提出一種車載式修井機整機對中井口調(diào)整裝置，該裝置已申請國家發(fā)明專利，申請?zhí)枮?0110131298.6。

1 結構設計

該車載式修井機井口對中裝置主體分為車體調(diào)整定位單元和井口定位單元2部分。其中，車體調(diào)整定位單元由主動端移動軌道、從動端移動軌道以及連接于2個軌道之間的若干連接定位梁構成；從動端移動軌道與主動端移動軌道在機械結構上相對應，在從動端移動滑塊的作用下可隨主動端移動軌道的動作而動作。井口定位裝置包括底座焊接框架、開有螺栓通過槽的定位件調(diào)整座、開有連接螺栓孔的圓弧形井口定位件。

車體調(diào)整定位單元和井口定位單元之間通過鉸接相連，主動端軌道架和從動端軌道架上的對應位置處分別鑲嵌有若干個主動端動力滑塊和從動端移動滑塊，以實現(xiàn)若干個主動端滑板和從動端滑板能夠分別相對于主動端軌道架和從動端軌道架進行水平方向的左右移動。

車載式修井機井口對中裝置對中井口調(diào)整裝置的工作狀態(tài)如圖1。井口對中裝置的整體結構如圖2。

圖1 車載式修井機井口對中裝置工作狀態(tài)

圖2 車載式修井機井口對中裝置整體結構

2 功能原理及實現(xiàn)

在修井機進入井場前，先將井口對中裝置安裝在修井機工作位置的地面，通過井口定位單元確定車載式修井機整機對中井口調(diào)整裝置的位置。之后，觀察萬向水準儀，調(diào)整整套裝置，直至該裝置保持水平，保證主動端動力滑塊和從動端移動滑塊居于軌道的中間位置，并能夠相對軌道左右移動。將車載式修井機開到對中裝置的移動軌道上，通過前、后限位塊限定修井機的前后位置，此時兩側的車輪分別位于主動端移動軌道和從動端移動軌道上。在明確修井機左、右偏移量的前提下，調(diào)節(jié)3個手動雙作用液壓泵站來左、右移動主動端滑板，從而帶動從動端滑板左右移動，進而使車體實現(xiàn)左右移動，最終實現(xiàn)修井機的左右位置調(diào)整。車體位置調(diào)整好后，將車體千斤落到其支撐梁上，用于支撐整車的重力。

使用該車載式修井機時，首先通過井口定位單元來確定整個修井機專用井口對中裝置的位置；其次，將修井機開上主動端移動軌道和從動端移動軌道后，通過控制楔形擋塊的位置，實現(xiàn)修井機前后方向位置的固定；最后，通過操縱手動雙作用液壓泵站可以在左、右方向調(diào)整修井機的位置，從而使修井機能夠簡單、準確、高效地實現(xiàn)修井現(xiàn)場井口的對中，可大幅降低工人的勞動強度，提高修井效率。此外，調(diào)整裝置采用滾動摩擦，可以減小摩擦力，使對中井口操作更為省力，從而為修井機的順利安裝做好準備工作。

3 地基梁的有限元分析

該對中裝置為對稱結構（如圖2），主要承載構件是2個移動軌道。整個裝置放置在地面上，工作時在修井機自重載荷和工作載荷的作用下，地基產(chǎn)生壓縮變形，從而導致地基產(chǎn)生沉降。因此在設計時，必須計算基礎的最大沉降量和沉降差，并控制使之不超過容許范圍。將整個對中裝置的移動軌道簡化成彈性地基梁［6］（指擱置在一定彈性性質的地基上的梁，如條形基礎、鐵軌下的枕木等）。由于梁的各點都支撐在彈性地基上，因而可使梁的變形減少，剛度提高，內(nèi)力降低。由于是對稱結構，取一側軌道計算彈性地基梁，簡化模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

彈性地基的抗壓剛度是土的變形模量E0與壓縮模量Es的函數(shù)。壓縮模量Es是側限壓縮條件下的壓縮指標，土樣只能在垂直方向上壓縮，側向應變εx＝εy＝0；變形模量是無側限條件下的壓縮指標，εx＝εy≠0，是原位測定的，它能夠真實反映土的壓縮特性。兩者具有一定關系，即

式中，E0為土的變形模量，kPa；Es為土的側限壓縮模量，kPa；β為與泊松比有關的系數(shù)。

土的變形模量E0隨土的性狀而變，軟黏土的E0值約為幾兆帕，甚至低于1MPa；硬黏土的E0值為20～30MPa；而密實的砂礫石的E0值可達40 MPa以上［2］。

在本結構設計分析中，采用密實的砂礫石，其彈性模量E0＝40MPa，則有

式中，A為面積，m2。

抗壓剛度（E0A）為

總剛（3E0A）為

首先取獨立式修井機整車重力為300kN，該修井機共有6個輪胎，故每個輪胎受力大小為50kN，即每個滑塊受力為50kN。根據(jù)彈性地基梁理論進行車載式底座的校核和分析。在進行有限元分析時根據(jù)受力實際情況施加載荷并定義邊界條件，對基礎進行彈性地基梁的處理，對模型劃分網(wǎng)格并進行分析和計算。井口對中裝置應力及位移云圖如圖4～5所示，井口對中裝置應力曲線及位移曲線如圖6～7所示。

圖4 井口對中裝置應力云圖

圖5 井口對中裝置位移云圖

圖6 井口對中裝置應力曲線

圖7 進口對中裝置位移曲線

由圖4～7可以看出，調(diào)整底座在支撐修井機車胎位置受到的力和位移都是最大的，最大應力為105.74MPa，最大位移為2.699mm；在彈性地基梁的基礎上井口對中裝置整體的位移量即沉降量不大。

4 結語

車載式修井機井口對中裝置能夠保證修井機的位置調(diào)整，整套裝置結構合理、可靠，操作簡單，對中精度高，調(diào)整效率高，能夠解決現(xiàn)有修井機井口對中難的問題。

［1］ 謝永金.我國修井機發(fā)展的技術現(xiàn)狀與展望［J］.石油機械，2005，33（10）：72－75.

［2］ 李連峰，黃寶麗，呂 賢，等.修井機盤式制動器控制系統(tǒng)研究［J］.石油礦場機械，2011，40（7）：31－34.

［3］ 李連峰，高棟梁，隋秀偉，等.修井機盤式制動器模態(tài)分析［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：59－62.

［4］ 王樹龍，鄧 奇，李俊貞，等.基于螺桿鉆具載荷特點的盤剎控制系統(tǒng)［J］.石油礦場機械，2010，39（6）：73－75.

［5］ 孟憲克，呂阿波，黨寧軍，等.XJ450型修井機轉盤傳動系統(tǒng)改造［J］.石油礦場機械，2009，38（4）：81－83.

［6］ 龍馭球.彈性地基梁的計算［M］.北京：高等教育出版社，1981.

Design and Analysis of Vehicle－mounted Workover Rig Wellhead Aligument Structure

CHANG Yu－lian，TIAN Mei，GAO Sheng，PANG Ling－ling
（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

This paper describes aplication background of Vehicle－mounted workover rig wellhead aligument structure，discusses Structural design of Vehicle－mounted workover rig wellhead aligument structure，Simulation in SolidWorks applied in base of elastic foundation Finite element analysis to Vehicle－mounted workover rig wellhead aligument structure.Obtain stress，deformation in the elastic foundation.

workover rig；structural design；simulation；elastic foundation

1001－3482（2012）03－0028－03

TE935

A

2011－09－20

常玉連（1951－），男，遼寧鞍山人，教授，博士生導師，主要從事機械系統(tǒng)仿真與控制技術研究，E－mail：cyl＠nepuedu.cn。