ZJ90D型鉆機整體拖移力學計算

李富平，高學仕，王 棟，石美玉

（1.中國石油大學機電工程學院，山東東營257061；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017） ①

ZJ90D型鉆機整體拖移力學計算

李富平1，高學仕1，王 棟2，石美玉1

（1.中國石油大學機電工程學院，山東東營257061；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017）①

鉆井結(jié)束后鉆機要進行拆卸、運輸?shù)竭_新的井位，對于井位相距較近的，浪費了時間和資源，可采取整體拖移鉆機到新的井位。應用ANSYS對ZJ90D型鉆機在滿立根狀態(tài)下的整體拖移進行計算，分析其應力及變形分布情況。結(jié)果表明：在拖移過程中，該鉆機的應力及變形較小，強度和穩(wěn)定性滿足要求。

鉆機；整體拖移；力學計算

為了提高鉆井效率，節(jié)省資源，對于近距離井位的鉆機遷移，可不需要拆卸運輸，而進行鉆機的整體拖移。本文應用ANSYS軟件對ZJ90D型鉆機在滿立根狀態(tài)下的整體拖移進行計算，分析其應力及變形的分布情況，考核其在拖移過程中的強度和穩(wěn)定性是否滿足要求。計算結(jié)果對于指導鉆機的整體拖移提供有力的依據(jù)。

1 初始條件

1） 鉆機設(shè)備總重力G＝9 000kN。

2） 拖移接觸面為鋼板，查機械設(shè)計手冊，鋼與鋼之間的摩擦因數(shù)為0.10～0.15，取其靜摩擦因數(shù)為μJ＝0.15，滑動摩擦因數(shù)為μD＝0.12。

3） 推薦拖移過程速度為1.39mm／s（按5 m／h），假設(shè)鉆機整體在1s中內(nèi)從靜止狀態(tài)獲得該速度，所以加速度a＝1.39／1＝1.39mm／s2。

4） 拖移過程中除承受自重力外，還承受16.5 m／s（32節(jié)）的風載荷［1］。風向為從井架前開口向后吹風是最惡劣工況。

5） 二層臺指梁處排滿立根，其受力如圖1所示。

6） 鉆機整體拖移時，拉力點位于鉆臺底座下層的前側(cè)。

圖1 二層臺受力示意

2 拖移方式及受力分析

鉆機整體拖移是在鉆機底部整體鋪上鋼板，用拖車拉著整拖吊耳，使底座在鋼板上緩慢滑移，鉆機整體拖移方式如圖2所示。

鉆機在整體拖移過程中，要承受自重力、環(huán)境風載荷、摩擦力以及拖移拉力。這些載荷均通過ANSYS命令流施加在模型上［2－3］。

鉆機整體拖移需克服的靜摩擦力為

鉆機整體拖移需克服的動摩擦力為

鉆機整體從靜止到運動需要克服最大靜摩擦力，所以拖移的外界拉力應遵循圖3所示的拉力時間變化。

圖2 鉆機整體拖移方式

圖3 拉力－時間關(guān)系曲線

3 ANSYS計算結(jié)果

經(jīng)有限元計算，得到TIME＝1時刻（即時間歷程1s時刻）的結(jié)構(gòu)應力云圖，如圖4所示。

圖4 鉆機整體拖運應力云圖（TIME＝1）

由圖4可以看出，拖移過程中最大應力出現(xiàn)在井架二層臺指梁處，最大應力值128MPa。

為了方便觀察井架及底座的瞬態(tài)位移響應［4］，分別取井架天車梁節(jié)點、二層臺節(jié)點、鉆臺面井架大腿鉸支節(jié)點和底座中層立支架節(jié)點的位移響應，如圖5～8所示。

圖5 天車梁位移響應

圖6 二層臺位移響應

圖7 井架大腿鉸支點位移響應

圖8 底座中層立支架位移響應

從圖5～8可以看出，在1s時刻各曲線均出現(xiàn)明顯的拐點，說明該時刻振動最劇烈，在鉆機上的位置如圖9所示，對應該時刻的前10個較大應力桿件應力如表1所示。

圖9 前10個較大應力桿件在鉆機上的位置

表1 前10個較大應力桿件應力 MPa

4 結(jié)論

1） 最大應力發(fā)生在二層臺指梁處215、216號單元，最大應力值為128MPa，該單元材料為Q235－B，材料屈服極限235MPa，安全系數(shù)為1.84。其次，立根盒前梁、底座中層立支架、前立柱、斜立柱的應力也較大，但均小于材料的許用應力，有較高的安全系數(shù)，滿足整體拖移的要求。

2） 整體拖動的瞬間（TIME＝1）結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的振動，但位移響應較小，拖動平穩(wěn)。

3） 按推薦速度1.39mm／s、滿立根狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)該鉆機整體設(shè)備的安全可靠拖移。

［1］ API Spec 4F，鉆井和修井結(jié)構(gòu)規(guī)范［S］.2008.

［2］ 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 尚曉江，邱 峰，趙海風，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應用［M］.2版.北京：中國水利水電出版社，2008.

［4］ 吳 昌，艾志久，陳海林，等.JJ250／42－K型井架動態(tài)特性分析［J］.石油礦場機械，2009，38（11）：19－23.

Mechanics Computation of Whole Tows Moves for ZJ90D Drilling Rig

LI Fu－ping1，GAO Xue－shi1，WANG Dong2，SHI Mei－yu1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，ChinaUniversity of Petroleum，Dongying257061，China；2.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administration，Dongying257017，China）

Generally speaking，after the well drilling has ended，the drilling machine must be disassembled and transported to arrive at anew well position.But for the wells that are short distance，it wastes plenty of time and the resources.A method for the whole tows moves was proposed，calculating the whole tows moves for the ZJ90D drilling machine with full pipe setback by ANSYS，analyzing its stress and the distortion distributed.The result indicated：during the whole tows moves，the stress and the distortion were small，the intensity and the stability satisfy the request.

drilling rig；whole tows moves；mechanics compute

1001－3482（2011）08－0029－03

TE922

A

2011－02－22

李富平（1987－），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事石油鉆采機械的研究，E－mail：li－fp＠163.com。