垂直起升鉆塔的研制及應(yīng)用

劉小康，張西坤，宋秋鋒，靳益民，張 彤

(1.陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000；2.河北建勘鉆探設(shè)備有限公司，河北 石家莊 051134；3.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

0 引言

在城市小區(qū)進(jìn)行地?zé)嵘罹┕ぃ约霸谏降?、農(nóng)田、沼澤等狹小區(qū)域進(jìn)行石油、天然氣、煤層氣井施工，鉆塔的安裝起塔和落塔拆卸的占地面積問題是一個很大的制約因素[1-3]。施工輔助時間不直接創(chuàng)造價值，是施工成本的主要構(gòu)成方面，縮短鉆塔的安裝起塔和拆卸落塔時間也是值得考慮的重要因素[4-5]。大型常規(guī)鉆塔安拆不能實現(xiàn)自動化作業(yè)，必須是人員密集的交叉作業(yè)、高空作業(yè)，而且鉆塔起升系統(tǒng)復(fù)雜、起升力過大，對員工安全造成極大的威脅，保證安全文明施工，更是鉆塔的安裝起塔和拆卸落塔必須高度重視的關(guān)鍵因素[6-7]。為此，設(shè)計以原地起降、占地很少、安拆簡便為特點的垂直起升鉆塔的方案，可以減小占地面積，縮短工期，降低施工成本，消除人身安全隱患。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計思路

垂直起升鉆塔是一種K型自升式鉆塔，由鉆塔底座、起升支架、起升機(jī)構(gòu)、鉆塔各段、鉆塔塔頂和液壓系統(tǒng)組成。底座內(nèi)安裝起升機(jī)構(gòu)，底座上安裝起升支架，通過起升支架的支撐作用提供支撐力，通過安裝在起塔支架上的導(dǎo)向裝置對起升的各段鉆塔進(jìn)行導(dǎo)向扶正，通過起升機(jī)構(gòu)的平推油缸提供平推力，通過起升機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向裝置將平推力裝換成起升力，將鉆塔塔頂和鉆塔各段進(jìn)行起升，鉆塔塔頂和鉆塔各段之間采用銷軸連接，起升起來的鉆塔各段與起升支架通過插裝在其上的支撐軸進(jìn)行支撐和固定，這樣，垂直起升鉆塔就能夠利用自身的起升支架、起升機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向裝置完成整體的起升與下放。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

垂直起升鉆塔的基本結(jié)構(gòu)包括鉆塔底座(上底座、下底座、配重水箱、梯子、滑道、立根盒、轉(zhuǎn)盤梁、絞車梁)、起升支架、起升機(jī)構(gòu)(平推油缸、導(dǎo)向滑輪、運(yùn)輸小車)、鉆塔各段、二層平臺、上塔梯子護(hù)籠、天車組件、天車修理架和其它附屬設(shè)施，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉆塔底座為長方體狀框架結(jié)構(gòu)，鉆塔各段安裝在底座上。鉆塔由多節(jié)段組成，各段包括左右2個長方形狀塔片、橫梁和斜梁，橫梁和斜梁固定在長方形狀塔片之間構(gòu)成長方體框架結(jié)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)包括定滑輪、鋼絲繩、油缸、動滑輪，形成一個改變運(yùn)動方向和力量大小的運(yùn)動副機(jī)構(gòu)。

圖1 垂直起升鉆塔總體結(jié)構(gòu)

2 基本結(jié)構(gòu)

2.1 鉆塔底座

垂直起升鉆塔的鉆塔底座有左右部分，每個部分由上下2層組成，平推油缸安裝在左右底座的上層內(nèi)部，是鉆塔起升和下放的動力來源。在底座上設(shè)計有移動小車，移動小車沿導(dǎo)軌將組裝好的各段鉆塔移送到井口中心位置，等待起升，鉆塔底座如圖2所示。

圖2 垂直起升鉆塔底座結(jié)構(gòu)

2.2 起升支架

起升支架：起升支架是鉆塔起升的基本支撐結(jié)構(gòu)，能給正在起升的鉆塔提供臨時支撐，使各節(jié)鉆塔沿著起塔支架滑道平移上升；能夠?qū)︺@塔進(jìn)行扶正，保證鉆塔起升的穩(wěn)定性；可以為已經(jīng)起升到位的鉆塔段提供支撐平臺，便于起升下一段鉆塔。起升支架上的定滑輪用來改變繩系的方向。為了保證起升支架本身的穩(wěn)定性，起升支架帶有付腿，形成一個穩(wěn)定的三角形；起升支架的付腿采用帶有正反絲杠的結(jié)構(gòu)，通過旋入和旋出螺紋，使付腿長度可調(diào)，來調(diào)整起升支架的滑道與鉆塔段導(dǎo)軌的間隙，從而保證鉆塔起升的穩(wěn)定性，起升支架如圖3所示。

圖3 起升支架示意

滾輪導(dǎo)向裝置：起升支架內(nèi)側(cè)上下各設(shè)置2組滾輪導(dǎo)向裝置，如圖3局部放大圖A所示。滾輪導(dǎo)向裝置的滾輪面和鉆塔各段豎梁外表面接觸，每組滾輪導(dǎo)向裝置由2個滾輪構(gòu)成，上部前后兩側(cè)一組滾輪位于上支點定滑輪的下方，上部前后兩側(cè)滾輪位于鉆塔臨時支撐裝置的上方。

臨時支撐裝置：起升支架中設(shè)有鉆塔臨時支撐裝置，如圖3局部放大圖B所示。臨時支撐裝置插銷板結(jié)構(gòu)和與插銷板結(jié)構(gòu)配合使用的門型結(jié)構(gòu)，門型結(jié)構(gòu)設(shè)置在鉆塔各段的下部，插銷板結(jié)構(gòu)包括固定在底座上插銷板和用于固定插銷板的插銷板支架，插銷板結(jié)構(gòu)設(shè)置在鉆塔各段前后各一個，鉆塔各段兩側(cè)各1個。

2.3 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)包括平推油缸、導(dǎo)向裝置、鋼絲繩套、液壓系統(tǒng)，是垂直起升鉆塔的核心部分，起升機(jī)構(gòu)如圖4所示。在底座兩側(cè)對稱水平布置2個平推油缸，通過導(dǎo)向滑輪作用于繞繩繩套達(dá)到向上提升的目的。在起升支架左右兩側(cè)內(nèi)垂直向下的繩頭與固定在鉆塔各段的起升鉸鏈上的提升繩套聯(lián)接，平推油缸在油缸導(dǎo)軌內(nèi)做伸長或縮短運(yùn)動，使得鋼絲繩繃緊或松弛，從而實現(xiàn)鉆塔各段的起升或降落。鉆塔起升時平推油缸施加的是水平推力，經(jīng)過導(dǎo)向滑輪的變向，使油缸水平推力轉(zhuǎn)變成克服鉆塔重量而向上的拉力；鉆塔降落時依靠鉆塔自身重量降落，平推油缸施加的是使鉆塔緩慢下降的背壓。

圖4 起升機(jī)構(gòu)示意

2.4 起升高度和起升力的計算

鋼絲繩套和定滑輪的組合是改變力的方向，不改變力的大小。鋼絲繩套和動滑輪的組合是改變力的方向，也改變力的大小。

起升高度計算：根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的油缸行程和鋼絲繩套垂直起升高度的關(guān)系，起升高度計算見式(1)

(1)

起升力計算：根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的油缸推力和垂直起升重量的關(guān)系，起升力計算見式(2)

(2)

計算分析：綜合以上計算過程，可以看出單個油缸通過活塞桿上的導(dǎo)向滑輪的平推結(jié)構(gòu)，浪費(fèi)了一倍的行程，需要用2個油缸的行程來實現(xiàn)提升鉆塔的高度H。單個油缸通過活塞桿上的導(dǎo)向滑輪的平推結(jié)構(gòu)，省了一半的力，推力作用在單個繩頭上的力是油缸推力的一半，推力作用在2個繩頭上的力是油缸推力，也是垂直起升鉆塔的自身重量，所以單個平推油缸的推力就可以把鉆塔提升起來。

2.5 液壓系統(tǒng)

垂直起升鉆塔液壓系統(tǒng)包括液壓泵站、操作閥組、液壓管路、液壓油缸，液壓原理，如圖5所示。平推液壓油缸為2支串聯(lián)單活塞桿雙作用油缸，起升時無桿腔供油。液壓泵站包括油箱、電機(jī)、油泵、溢流閥、壓力表、回油濾油器及各油箱附件。液壓油缸為軸向地腳式雙作用單活塞桿螺紋聯(lián)接液壓缸。

圖5 液壓原理示意

3 有限元分析計算

3.1 建立模型

結(jié)構(gòu)簡化：以KZ31-1350/4.0垂直起升鉆塔為例，對其進(jìn)行有限元分析計算。對垂直起升鉆塔這類比較復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元力學(xué)計算時，保證滿足計算精度的前提下，減少計算工作量，就需要適當(dāng)?shù)睾喕嬎隳Ｐ?，適當(dāng)?shù)芈匀ゲ挥绊懼黧w的次要附件。

基本假設(shè)：①考慮鉆塔主體部分，忽略二層臺、天車、工作梯、起升支架、護(hù)欄等附件的影響；②二層臺、天車等附件的質(zhì)量視為集中力分配到相應(yīng)的節(jié)點位置；③鉆塔為剛架結(jié)構(gòu)，基本單元采用空間梁單元，各桿件均承受軸向力和附加彎矩作用，各桿件間為剛性連接，可靠焊接；④鉆塔各段之間不發(fā)生錯位、移動現(xiàn)象；⑤鉆塔固定方式為底部全約束；⑥鉆塔安裝時處于理想狀態(tài)。

有限元模型的建立：根據(jù)垂直起升鉆塔的結(jié)構(gòu)特點，在載荷作用下鉆塔會受到拉壓應(yīng)力以及彎曲應(yīng)力，所以有限元分析模型中將鉆塔的主體剛架結(jié)構(gòu)簡化為三維彈性梁單元，采用ANSYS Workbench中能夠承受彎曲、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的Beam 188單元。Beam 188單元考慮到剪切變形的影響，不需要計算截面實常數(shù)，應(yīng)用方便；根據(jù)鉆塔實際情況能夠定義不同的梁截面，與此同時細(xì)長到中等粗短的梁單元都可以模擬，顯示出結(jié)構(gòu)鋼的形狀和尺寸，方便模型建立過程中的檢查。鉆塔的每一根桿件為一個單元，桿件之間的公共點是節(jié)點，每個桿件均適用于線性、非線性應(yīng)變和應(yīng)力以及轉(zhuǎn)動問題。鉆塔底部節(jié)點6個自由度均受約束。

3.2 靜力學(xué)分析計算

確定載荷工況：基于鉆塔實際工作時的載荷組合方式頗多，在復(fù)雜的組合中選擇適當(dāng)?shù)墓r載荷。選擇的工況應(yīng)該比實際情況惡劣，作為鉆塔的靜力學(xué)分析工況。結(jié)合載荷設(shè)計的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)設(shè)計要求和實踐經(jīng)驗，選取鉆塔工作過程中3種比較惡劣的工況對鉆塔進(jìn)行靜力分析：最大鉤載工況、預(yù)期風(fēng)暴工況、非預(yù)期風(fēng)暴工況。鉆塔靜力分析工況及基本載荷見表1。

表1 鉆塔的靜力分析工況及基本載荷

靜力學(xué)分析計算：進(jìn)行風(fēng)載計算時，需要對風(fēng)向進(jìn)行確定，該風(fēng)向的風(fēng)載使鉆塔產(chǎn)生最大的應(yīng)力?；谏鲜鲈瓌t選擇了背面和側(cè)面這2種風(fēng)向，則鉆塔的靜力學(xué)分析共分有6種載荷組合的工況，6種工況下的位移變形圖和應(yīng)力分布，如圖6所示。

圖6 6種不同工況下的位移變形圖和應(yīng)力分布云

3.3 計算結(jié)果分析

通過有限元分析計算，在最大鉤載工況、預(yù)期風(fēng)暴工況、非預(yù)期風(fēng)暴3種工況下的載荷分別施加到鉆塔相應(yīng)節(jié)點位置，得到鉆塔的位移變形及應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。

變形位移：鉆塔在不同工況下，變形位移最大值均在鉆塔頂部。鉆塔頂部的剛度問題需重點關(guān)注，需要加強(qiáng)鉆塔頂部的剛度，尤其是滿立根非預(yù)期風(fēng)

暴工況時，需要重點關(guān)注鉆塔頂部維修檢查,必要時設(shè)計過程中優(yōu)化材料屬性，適應(yīng)鉆塔頂部的塑性變形[8-12]。

風(fēng)載耦合作用：考慮到實際工作環(huán)境有自然載荷影響，基于鉆塔側(cè)面、背面耦合風(fēng)載進(jìn)行分析，2種風(fēng)載耦合作用使鉆塔的總形變量增大，側(cè)面風(fēng)載的影響略大于背面風(fēng)載。受載荷沖擊嚴(yán)重的鉆塔頂部形變量最明顯，與實際情況相符，特別注意側(cè)面、背面斜撐，需要及時檢查和維護(hù)。

整體穩(wěn)定性：保證垂直起升鉆塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是確保安全重要因素，也是評定鉆塔承載能力的關(guān)鍵指標(biāo)[13-15]。對鉆塔整體進(jìn)行穩(wěn)定性理論折算，得到整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性應(yīng)力98.34 MPa，小于鉆塔材料的許用應(yīng)力265 MPa，鉆塔整體穩(wěn)定性滿足符合使用要求。通過有限元分析中結(jié)構(gòu)的屈曲失穩(wěn)計算得到結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的前四階屈曲振型數(shù)值，屈曲載荷系數(shù)計算得到鉆塔的失穩(wěn)臨界載荷為2 436 kN，大于設(shè)計的最大鉤載1 350 kN，同樣說明鉆塔的穩(wěn)定性能良好，可在最大鉤載工況下工作，不會導(dǎo)致鉆塔失穩(wěn)。

組合應(yīng)力：鉆塔在不同工況下組合應(yīng)力最大的位置不同，最大鉤載工況下鉆塔組合應(yīng)力值最大部位在鉆塔一段前立柱處，主要受壓應(yīng)力；預(yù)期風(fēng)暴工況下鉆塔受到強(qiáng)烈風(fēng)載荷沖擊，彎曲變形，應(yīng)力最大部位在鉆塔二段與三段間的立柱處；非預(yù)期工況下，鉆塔二層臺應(yīng)力值最大。計算得出組合工況的安全系數(shù)均大于API規(guī)定的安全系數(shù)1.67，說明鉆塔具有一定的強(qiáng)度儲備。鉆塔立柱底部承受著大部分應(yīng)力，是鉆塔的薄弱環(huán)節(jié)，需要及時加強(qiáng)鉆塔一段的檢查維護(hù)，保證鉆塔的安全使用性能。經(jīng)計算分析鉆塔的位移變化和應(yīng)力變化均在設(shè)計要求范圍內(nèi)，符合規(guī)范，安全可靠。

4 應(yīng)用實踐

4.1 鉆塔各段連接與起升

鉆塔從上至下依次標(biāo)記為一段，左右二段，左右三段……左右頂段。首先，在地面將天車和頂段組裝好，在地面安裝支架上將鉆塔左右二段、背橫梁、斜拉桿用銷軸、別針連接成門型結(jié)構(gòu)，將其放在移動小車上，推動小車，把它推向井口中心。接著，將組裝好的天車和頂段與鉆塔次頂段組裝在一起；然后接通液壓系統(tǒng)，將鋼絲繩短節(jié)掛在鉆塔次頂段下端吊樁上，緩慢起升鉆塔。當(dāng)鉆塔起升到位時，停止液壓系統(tǒng)，將起升支架上的支撐軸伸出，使鉆塔緩慢下落停放在支撐軸上，至此鉆塔天車、頂段與次頂段安裝起升完成。接著將鋼絲繩短節(jié)掛在鉆塔下一段的下端吊樁上，起升鉆塔，使下一段上部與次頂段下部接觸，此時單鉸鏈插進(jìn)雙鉸鏈內(nèi)，聯(lián)接好鉆塔段間的銷軸和別針。各段鉆塔一同起升，使上部各段鉆塔坐落在方軸上，然后再起升下一段鉆塔。以此類推，完成鉆塔的起升安裝。垂直起升鉆塔起升時可以在起塔完成后再進(jìn)行天車和游車的主繩的穿繩，也可以為了避免高空作業(yè)，先穿好天車和游車的主繩，再進(jìn)行鉆塔起升。在各段起升過程中，同時安裝各段相應(yīng)的梯子、護(hù)籠、吊鉗平衡筒、高壓立管和各種附屬配件。

4.2 實踐效果

在地?zé)嵘罹┕ぶ械膽?yīng)用：由中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所與河北建勘鉆探設(shè)備有限公司聯(lián)合設(shè)計研發(fā)的4 000 m地質(zhì)巖芯鉆機(jī)是國家“十二五”和“863”計劃資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域課題研究成果。4 000 m巖芯鉆機(jī)的鉆塔經(jīng)專家論證后確定采用垂直起升鉆塔，該鉆機(jī)在天津東麗區(qū)進(jìn)行地?zé)嵴{(diào)查井(CGSD-01井)鉆探施工，這是中國地質(zhì)調(diào)查局京津冀地?zé)峥萍脊缘牡谝豢诘責(zé)嵘罹?，獲得了一系列地?zé)崴牡刭|(zhì)資料，實現(xiàn)了深部地?zé)岜O(jiān)測的技術(shù)突破。施工實踐證明，垂直起升鉆塔是該科研課題主要創(chuàng)新點之一，得到了專家和甲方的一致好評。

在狹小山地環(huán)境的應(yīng)用：與中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司合作完成的KZ31-135/4.0型液壓豎直起升鉆塔研制，在臺灣300 m2的狹小山地上，全套3 000 m深井鉆機(jī)進(jìn)行了安裝起塔，并順利完成地?zé)峋┕ぁ＝鉀Q了施工場地狹小、安裝起塔困難的一系列難題。

在固體礦產(chǎn)鉆探中的應(yīng)用：江西省國土資源廳九一二隊在江西景德鎮(zhèn)浮梁縣朱溪地區(qū)3 000 m固體礦產(chǎn)深鉆ZK1814鉆孔施工，是國家“三深一土”(深地探測、深海探測、深空對地觀測、土地科技創(chuàng)新)戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程，該項目配套垂直起升鉆塔，創(chuàng)下了江西固體礦產(chǎn)鉆探深度新紀(jì)錄。

在深部科學(xué)鉆探中的應(yīng)用：垂直起升鉆塔技術(shù)是深部科學(xué)鉆探綜合技術(shù)實力的體現(xiàn)。中央電視臺《創(chuàng)新一線——來自地下7 000 米的秘密》，介紹了國家重大科研項目《地球深部科學(xué)鉆探》采用垂直起升鉆塔的情況，如圖7所示。

圖7 垂直起升鉆塔用于國家重大科研項目《地球深部科學(xué)鉆探》

5 結(jié)論

(1)垂直起升鉆塔安裝全部在低位安裝，就地起落，起塔和落塔不需要配重力矩，使底座結(jié)構(gòu)大大簡化；減少了占地面積，井場占地面積小(55 m×35 m)，特別適合城市、山區(qū)、農(nóng)田等土地使用成本高、地理條件復(fù)雜的場地。

(2)垂直起升鉆塔底座各連接件及鉆塔各段間采用銷軸、抗剪銷、別針連接，安裝快捷、方便。節(jié)省安裝時間，根據(jù)各使用單位和鉆井公司反饋信息，安裝傳統(tǒng)鉆機(jī)需3 d，而安裝垂直起升鉆塔和整套鉆機(jī)僅需16～20 h。垂直起升鉆塔的起升系統(tǒng)與底座連接固定在一起，搬家時可以整體運(yùn)輸。

(3)垂直起升鉆塔的安拆實現(xiàn)了液壓驅(qū)動自動化作業(yè)，簡化了起升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了起升力，避免了人員密集的交叉作業(yè)、高空作業(yè)，保證了安全文明施工。