韓菲，黃洪波，王玉丹，雷康，賀鑫，吳海泉，程斯一，姚鄒，文國軍

(1.中國地質(zhì)裝備集團有限公司，北京 100016；2.中國地質(zhì)大學(武漢)機械與電子信息學院，武漢 430074；3.湖北省智能地質(zhì)裝備工程技術研究中心，武漢 430074)

0 引言

我國礦產(chǎn)資源比較豐富，淺層礦和地表礦產(chǎn)等資源隨著礦產(chǎn)資源勘查力度的不斷加強在日益減少，探礦的難度也在不斷增大[1]。目前地質(zhì)巖心勘探正朝著大深度、復雜地層勘探邁進。突破復雜地層的技術限制，完成更大深度的尋找礦藏工作是我國能源可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略[2]。大深度地質(zhì)巖心鉆探技術是礦產(chǎn)勘查的重要手段，而鉆機井架是鉆探作業(yè)中的必備裝置，用于安放天車等設備與工具，提供起下鉆空間，屬于塔式鋼架結構。鉆機井架長期受到交變載荷與振動等的影響，容易發(fā)生變形、疲勞等形式的損壞，分析井架在受到各類載荷下的動力學特性具有重要意義。

隨著有限元相關理論及應用的擴展，基于有限元分析的井架動態(tài)特性的研究亦被推進。任國友等利用ANSYS有限元分析軟件對K型井架進行了動力學分析，通過結果比對，建立了井架的動力學評判標準[3]。付春艷等通過有限元方法分析了井架不同工況下的瞬態(tài)特性，且討論了井架起放過程的加速度變化趨勢和危險點[4]。王樹忠等為研究井架和鉆探設備的振動干擾問題，對井架和底座進行了模態(tài)分析和諧響應分析，結果顯示在井架的低階自振頻率(前四階)時容易與鉆探設備發(fā)生共振[5]。本文對地質(zhì)巖心鉆機井架卡鉆工況載荷下進行了瞬態(tài)動力學分析，即井架在卡鉆情況下的瞬態(tài)動力學響應，并通過仿真分析得出了井架在這種特殊工況下的危險點。

1 深孔地質(zhì)巖心鉆探井架的結構特點

鉆機井架屬于細長鋼架結構，在外部載荷或者慣性力的作用下，井架頂端的水平位移比較大，晃動比較劇烈，從而引起整個井架的振動。當鉆探深度增加時，鉆機需要配備更長的鉆具，井架的有效尺寸會明顯的增大，井架的振動會更容易發(fā)生。因此，深孔地質(zhì)巖心鉆探井架需要在滿足大尺寸的同時，還要保證井架具有良好的強度、剛性和穩(wěn)定性。

深孔地質(zhì)巖心鉆探中，井架通常設計為K型井架。K型井架是一種前開口的、多段拼接的鋼架結構[6]。一般分為4～6段，運輸時拆分成單個井架段，可在地面低位根據(jù)要求進行拆卸、組裝，在下放過程中一般進行整體吊放。K型井架的整體是一個焊接鋼架結構，具有整體剛性好的優(yōu)點。

2 卡鉆工況下井架的載荷分析

深孔地質(zhì)巖心鉆探過程中，由于地層條件比較復雜，鉆頭遇到巖石縫等情況時會發(fā)生卡鉆事故。卡鉆事故發(fā)生后，鉆具的軸壓力和扭矩將達到最大值，同時反作用力會對井架產(chǎn)生同樣大的沖擊。根據(jù)能量守恒原則，突然發(fā)生卡鉆時動能完全轉化為勢能，會對井架產(chǎn)生明顯的沖擊作用?？梢愿鶕?jù)式(1)和式(2)確定相應的軸壓力F1與回轉扭矩T1[7]：

(1)

(2)

式中：F0為鉆機額定軸壓力，取值F0=530 kN；T0為鉆機額定轉矩，取值T0=14 kN·m；k1和k2分別是系統(tǒng)的剛度系數(shù)和扭轉剛度系數(shù)，根據(jù)參考文獻[8]，取值k1=3.1×109N·m，k2=8.6×103N·m·rad-1；m0為頂驅動力頭與鉆具質(zhì)量和，取值m0=16 736 kg；J為轉動慣量，根據(jù)實際鉆桿的規(guī)格計算可得J=127 kg·m2；v為最大額定鉆進速度，取值v=0.42 m/min(即0.007 m/s)；ω為鉆頭的回轉速度，ω=170 r/min(即17.69 rad/s)。

通過式(1)和式(2)可計算得到最大軸壓力和最大轉矩分別為：F1=580 kN，T1=32.5 kN·m。鉆具的軸壓力和最大轉矩會反作用于井架，做井架的動力學仿真時將卡鉆時的最大軸向力F1和最大轉矩T1加載到鉆架的頂端四個節(jié)點上進行模擬。

3 井架的瞬態(tài)動力學仿真分析

3.1 井架的仿真模型

K型井架是一個以梁和桿為主的空間鋼架結構，結構較為復雜，為了減少仿真計算的工作量，在不影響仿真結果的前提下，對井架提出如下假設，并對其模型進行簡化：①忽略井架上為安全施工而人為設置的附屬結構，將質(zhì)量點添加在井架的相應節(jié)點上，本文只研究井架結構的應力和應變；②為了便于分析，認定井架的梁與桿為剛性固連，井架各段之間采用鉸接固定[9]；③井架底部和底座之間采用全約束。

在ANSYS Workbench的DM模塊中設置好尺寸，繪制空間草圖連成線體，設置合理的截面形狀和尺寸參數(shù)，完成井架有限元模型的建立，見圖1。

圖1 井架有限元模型Fig.1 Finite element model of derrick

井架的材料設定為Q345，根據(jù)Newmark方法估算出求解時間步為0.0059 s[10]。相關的井架參數(shù)及仿真參數(shù)的設置見表1和表2。

表1 井架的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of derrick

表2 求解參數(shù)設定Tab.2 Setting of solution parameter

3.2 仿真載荷設置

圖2 卡鉆時井架載荷步設置Fig.2 Setting of derrick load step during sticking

卡鉆載荷通過鉆具和鋼絲繩傳遞給井架，力作用在井架頂端的節(jié)點上。本文主要研究井架在正常鉆進時突然卡鉆的瞬態(tài)特性，卡鉆事故的載荷步設置如圖2所示。第一載荷步是鉆機啟動狀態(tài)，時刻為0～1.0 s，軸壓力和轉矩從零逐漸增大，1.0 s達到正常鉆進載荷值，此時的軸壓力為530 kN，轉矩為14 kN·m。第二個載荷步是鉆機穩(wěn)定運行狀態(tài)，1.0～2.0 s軸壓力和轉矩保持不變。第三個載荷步是突發(fā)卡鉆狀態(tài)，時刻為2.0～2.1 s，軸壓力突增至580 kN，轉矩突增至32.5 kN·m。第四載荷步是卡鉆后瞬態(tài)力的維持階段，時刻2.1～10.0 s，軸壓力和轉矩保持在卡鉆狀態(tài)下。

3.3 卡鉆情況下的井架瞬態(tài)動力學分析

一般情況下，井架受到瞬態(tài)載荷時頂端振動幅度較大，因此本文僅對井架頂端節(jié)點進行了位移和速度響應分析。圖3是卡鉆情況下，井架頂端在不同方向的瞬態(tài)位置響應曲線和速度響應曲線。

圖3 卡鉆情況下井架的瞬態(tài)響應Fig.3 Transient response of derrick under sticking

由圖3可以得出，井架z向(立柱軸向)和y向(側向)振動的幅度都比較小，因此可忽略這兩個方向的位移響應。井架x向(前開口方向)的振動幅度比較大，時間t≈2.7 s時最大位移量為34.9 mm，位移為負。由此說明：在整個振動過程中，井架表現(xiàn)為向后傾倒，人字架彎曲受力，振型表現(xiàn)為后傾變形，井架整體擠壓人字架，導致人字架出現(xiàn)彎曲變形。時間t≈2.3 s時，井架頂端的速度達到最大值為92.8 mm/s，此時振動速度較快；時間t≈3.0 s后井架的位移和速度響應在阻尼的作用下逐漸變小歸為穩(wěn)態(tài)。

4 結論

本文主要對地質(zhì)巖心鉆機井架在卡鉆工況下的載荷進行了分析，并通過ANSYS對井架的瞬態(tài)動力學進行了仿真分析，可以得出結論：在卡鉆工況下，井架有向后傾的趨勢，人字架容易彎曲是主要危險點，隨著時間推移，整個井架的位移和速度在阻尼的作用下逐漸變小歸為穩(wěn)態(tài)。