楊維彪 熊躍峰

摘要：在嚴寒地區(qū)、沙漠和深海等環(huán)境惡劣的區(qū)域，前開口形井架及其底座在石油勘探鉆井工作中得到了應用。為了確保該種井架及其底座結構能夠得到安全使用，還需要在實際工作中對其靜力學特性展開分析。文章使用有限元分析法對該結構的力學行為展開了研究，從而為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：前開口形井架；底座；力學行為；石油勘探鉆井工作；有限元分析 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE923 文章編號：1009-2374（2016）17-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.073

相較于其他石油鉆井井架，K形井架具有較多的應用優(yōu)勢。而前開口形井架及底座由K形井架和自升式底座構成，不僅具有開放式的空間結構，同時也有重量輕和下部開闊的底座，所以在諸多石油勘探鉆井工作中得到了應用。根據前開口形井架及其底座的實際結構特點，并且通過建立相應的三維有限元模型，本文則對該種結構的力學行為展開了分析，從而對該結構的承載能力展開研究。

1 前開口形井架及其底座的結構分析

從結構上來看，前開口形井架及其底座由K形井架和自升式底座構成。其中K形井架由四大節(jié)組成，每一節(jié)都是由角鋼、工字鋼和圓管鋼件構成，各構件之間采取焊接方式連接。而自升式底座為空間鋼架結構，由多個框架構成，并且每個鋼架都是由工字鋼或型鋼焊接而成。從上、中、下組成結構來看，底座上層有鉆臺面，底座中層有前后立柱、人字架和斜立柱，底座下層為底面。其中鉆臺面主要用于進行井架、轉盤和其他鉆井設備的安裝，可以為鉆井操作提供平臺。在連接時，需要使用雙銷將絞車前后梁和立根臺連接起來，并且利用雙銷和絞車梁將鉆臺面的中部轉盤梁和立根臺連接起來。在鉆臺面上，需要使用雙銷將多個框架連接起來，所以可以將鉆臺面看成是一個平面鋼架。而底座的底面主要由左右基座構成，需要使用三個連接桿和兩個連接框架將兩個基座連接起來，并且使用雙銷將兩個連接框架和一個連接桿連接起來，因此也可以將底面看成是一個平面鋼架。

在初始位置，井架及其底座是折疊在一起的，所以井架人字架與左右基座及上下座連接都是鉸鏈連接。利用絞車動力，井架及其底座就能夠起升。在這一過程中，井架將先起升到垂直位置，然后底座上的人字架也將到達預定位置。而人字架固定后，由鉆臺面和前后立柱構成的平行四邊形連桿機構也將起升到預定位置，并且與人字架連接在一起。

2 前開口形井架及其底座的力學行為研究

2.1 研究模型

根據前開口形井架及底座的結構組成，可以建立相應的有限元模型對井架及其底座的力學行為展開分析。按照有限單元法，可以將結構多根梁的邊界點、交叉點和集中力作用點設置為節(jié)點，并且將節(jié)點間的梁設置為單元，然后根據各構件承受的荷載進行單元類型選擇。通過分析可以發(fā)現，前開口形井架及其底座為焊接結構，節(jié)點剛性較大，在載荷作用下將產生彎曲應力和拉壓應力，所以需要構建三維彈性梁單元。考慮到井架及其底座為鉸鏈連接，可以使底座底部只保持y軸轉動自由度。在此基礎上，通過確定節(jié)點位置和輸入節(jié)點位置坐標，就可以建立相應的有限元模型。而考慮到有限元模型分析工作量較大的問題，可以使用ANSYS9.0有限元軟件進行載荷的施加，并且使用結果后處理器計算

結果。

在建立井架及其底座的有限元模型時，考慮到各個單元的受力情況，可以使用三維梁單元和管單元進行模型建立。在對應的ANSYS有限元單元庫中，可以進行三維梁彈性單元的選擇。而該單元有兩個節(jié)點，每個階段對應六個自由度，可以進行拉力、扭轉力、彎曲作用和壓力的承受，所以能夠在井架及其底座的模型中應用。在建立模型結構時，需要進行兩個方面的高度尺寸、截面模量和單元截面積數據的輸入，以便使梁截面的幾何特征得到全面反映。通過計算，則能夠輸出六個截面的內力分量。同時，也可以將每個節(jié)點對應的位移分量和彎曲應力以及軸應力輸出。在進行三維管單元選擇時，需要確保單元可以進行拉力、扭轉力、彎曲作用和壓力的承受。需要使每個節(jié)點有六個自由度，并且進行管壁厚度和外圓直徑這兩個參數的輸入。

2.2 結構的載荷工況分析

根據井架及底座所需承受的載荷，可以對最大鉤載工況和最大轉盤梁載荷工況這兩種載荷工況下的井架及底座的靜力結構展開分析。在最大鉤載工況下，結構需要承擔自重、最大鉆柱總量、風載及其他載荷。在最大轉盤梁載荷工況下，結構需要承擔自重、最大套管柱重量、風載及其他載荷。而該兩種工況都發(fā)生在正常鉆井的情況下，所以還需要對鉆機的具體使用情況進行考查，從而確定兩種工況下的每種載荷的具體數值。根據這些數值，可以對建立的有限元模型進行載荷施加，然后通過加載軟件得到前開口形井架及其底座結構的各單元應力值、內力及各節(jié)點位移值，繼而對結構的靜力特性展開分析。

2.3 結構的載荷施加

在對井架和底座施加載荷時，需要分別考慮最大鉤載工況和最大轉盤梁載荷工況。明確各自工況下的載荷組合，并且在完成結構所需載荷工況分析后，對各工況下的載荷數值進行確定，為此需要進行鉆機的具體使用情況的考察。而鉆機設備的自重基本可以確定，但最大套管柱重量、最大鉆柱重量和風載確不容易確定。在確定這些數值時，需要先確定鉆機的具體使用地區(qū)和情況，然后根據現場調研和井架及底座設計人員的意見進行這些數值的確定。在對前開口形井架及其底座的力學行為進行建模分析時，可以將井架及底座自重設定為2300kN，并將最大鉆柱重量和最大套管柱重量均設為2250kN，并且不考慮風載荷和其他附加載荷。根據各個工況下的載荷，在對有限元模型進行載荷施加時，還要考慮井架及其底座上各構件的實際受力情況。比如，在有限元模型上將2250kN載荷施加在轉盤梁上時，需要將載荷按照集中載荷均勻分布方式施加在12個節(jié)點上。在施加最大鉤載時，需要將其均勻施加在井架頂部4個節(jié)點上。而由于井架及其底座自重在兩種工況下是相同的，所以需要將其施加在相同的位置。比如，立根載荷就應該均勻施加在底座頂部立根梁4個節(jié)點上，司鉆房自重就應該均勻施加在上座邊緣的12個節(jié)點上。在載荷加載完成后，就可以利用ANSYS軟件進行結果的計算。

2.4 結構的應力分析

通過分析可以發(fā)現，在最大轉盤梁載荷工況下，井架結構的載荷集中作用在底座中部，其本身需要承受頂部驅動裝置和其他部件施加的載荷。同時井架主梁承受的應力較小，隨著結構位置的下降，承受的應力值也將逐漸增加。在最大鉤載工況下，井架需要承受的應力主要來自于頂部驅動裝置、最大鉤載和其他部件，應力最大值在井架前開口處。此外，井架各單元的應力水平也均有所提高。而分析底座結構的應力值可以發(fā)現，在最大轉盤梁載荷工況下，承受應力較大的單元為上座主梁中部的單元。在最大鉤載工況下，處在井架支腳附近的單元需要承受較大的應力。此外，作為底座上結構尺寸最大的框架，基座需要承受系統(tǒng)全部載荷。在最大轉盤梁載荷工況下，基座最大應力單元在前立柱附近。而在最大鉤載工況下，前后立柱附近單元承受的應力則較大。在底座升起的過程中，由于人字架為系統(tǒng)固定支撐，所以承受的應力較大。在底座升起后，由于大部分垂直載荷由前后立柱承擔，所以人字架的應力水平將有所降低。而分析鉆臺的應力可以發(fā)現，轉盤梁、立根臺和絞車梁是鉆臺的三個主要框架。在最大轉盤梁載荷工況下，這三個框架的應力水平受到了明顯影響。其中轉盤梁附近的各梁承受的應力作用較大，并且應力分布不均勻，只有少數幾個梁有較大應力。

2.5 結構的剛度分析

在各種載荷的作用下，井架及其底座必然會發(fā)生變形，但是由于載荷的作用位置并不相同，同時井架和底座不同部分的剛度也不相同，所以不同部分的變形量也并不相同。對結構的剛度展開分析，是為了確保結構各部分有足夠的剛度，繼而確保井架及底座能夠正常工作。在分析的過程中，可以對模型各節(jié)點的位移值展開分析，然后根據位移值大小發(fā)現結構的剛度薄弱部分。而通過分析可以發(fā)現，在最大轉盤梁載荷作用下，轉盤梁的變形量明顯高于鉆臺的其他框架。同時，由于承擔了立根載荷，立根臺也出現了明顯變形。但是從立根臺的位移值大小來看，其雖然發(fā)生了彎曲變形，但是變形量相對較小，可以滿足剛度要求。從總體上來看，在最大轉盤梁載荷工況下，鉆臺出現了明顯變形，而轉盤梁位于鉆臺中部，承受的荷載作用較大。分析轉盤梁結構可以發(fā)現，其屬于對稱結構，所以需要承受對稱載荷，所以尤其需要使其滿足剛度要求。此外，除了轉盤梁發(fā)生較大變形。在頂部驅動裝置和本身重力的作用下，井架的變形量由下到上逐漸增大。對井架變形展開分析則可以發(fā)現，井架需要承受來自于垂直方向和縱向方向的載荷，所以會在這兩個方向產生變形。相較于其他框架，井架彎曲變形較大，并且其變形量由下到上呈現出逐漸增大的特點。在最大鉤載工況下，井架變形量明顯要比其他框架高。但從井架各點位移值大小來看，井架各段結構性能較好，剛度仍然有余量，所以具有一定的工作安全性。

3 結語

總而言之，石油鉆機井架及其底座的種類較多，每種結構都有著不同的力學行為，所具有的承載能力也并不相同。而通過建立有限元模型對前開口形井架及其底座的力學行為展開分析可以發(fā)現，該種結構具有較好的靜力特性，可以在石油鉆井施工中得到較好的使用。

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作者簡介：楊維彪（1981-），男，四川西充人，四川宏華石油設備有限公司中級機械工程師，研究方向：石油鉆機井架、底座設計。

（責任編輯：秦遜玉）