不壓井作業機承載部件的有限元分析

付景順 黃超 梁原

摘要：為了研究高溫不壓井修井作業機承載部件安全可靠性，本文利用有限元分析軟件ANSYS對井架與平臺系統進行模擬仿真，結果表明該結構在載荷工況下滿足設計要求。

關鍵詞：不壓井;井架;作業平臺;仿真

緒論

由于我省遼河油田地下油多為稠油，因此，采油井多為蒸汽驅注井。蒸汽驅注井在長期注汽后，由于管柱變形、密封失效等原因，不可避免的需要更換管柱。車載式蒸汽驅注不壓井修井作業機關鍵技術研究是針對蒸汽驅注高溫不壓井進行維修時所急需的作業設備，它可以節約能源、保護地下已經形成的高溫場、減小壓井液對地層污染、提高采收率，為稠油的復合開采、增油措施的實施、增產目標的實現具有極為重要的意義。

考慮到作業井的分散性、高溫作業的風險性以及提高作業設備的效率性、可靠性，有必要研制一種集成度高、作業效率高、安全可靠、操作方便的更加先進的高溫不壓井作業設備，必將給稠油開采的蒸汽驅注高溫不壓井作業帶來有利的技術支撐，其市場前景良好。

1.井架與作業平臺的仿真

作業時井架承受的最大提升管柱載荷為600kN，最大下壓管柱載荷為400kN。基于此參數對井架在工作狀態下的最大提升管柱載荷和全風載兩種工況進行靜力計算分析[1]。

1.1井架承受的載荷分析

根據車載式不壓井修井機的實際情況，井架靜力計算需要考慮的載荷主要有恒定載荷、工作載荷、自然載荷，本文只針對風載荷計算[2]

風載荷的計算可按下述二式：

（1）

或（2）

式中，—結構承受的風載荷，kN;

—計算風壓，kN;

—高度變化系數;

—結構體型系數;

—結構外輪廓在垂直于風向的投影面上的投影面積，;—風速，。

在47.8風速的工況下10.199kN，9.554kN。

1.2材料特性

材料的彈性模量E取Pa（），泊松比（），密度（）[3]。

1.3約束載荷

井架底部四個角點與液壓支撐腳是剛性連接的，因此底部四角為完全約束。當井架舉升油缸開始舉升井架時，此時，平臺架受到大的作用力主要為受到井架舉升油缸反作用力的作用，這個作用力在X方向上的分量為1287846Pa，Y方向上的分量為966311Pa，另外還有井架平移系統的作用，壓力大小為260000Pa。當井架舉升油缸把井架舉升到豎直位置時，根據分析計算，此時平臺架主要承受井架平移系統來自井架的自重而產生的一個扭矩，大小為。

1.4分析結果

在最大提升管柱載荷工況下，井架底部兩根支撐起下系統的支撐橫梁承擔主要載荷，因此最大應力和最大變形發生在該部位，提升管柱井架應力如圖1所示，最大應力為205MPa。

圖1??提升管柱井架應力圖

在47.8m/s風速工況下，井架只受恒定載荷和風載的影響，在井架正面與側面同時施加風載，井架的變形如圖2所示，最大變形發生在井架立柱的頂端，最大變形為0.23mm，由此可見，井架受風載影響很小，具有良好的抗風性。根據API標準，井架在各工況下受到的最大應力都小于材料許用應力，安全系數均大于1.6，完全符合安全標準。

圖2??在47.8m/s風速工況下變形圖

圖3??平臺架應力圖

圖3為作業平臺應力圖顯示出重要承載部位和部件的屈服極限都小于作業平臺材料Q345屈服極限，所以作業平臺的設計都符合強度要求。

參考文獻：

[1]王棟.?ZJ90/6750DB超深井鉆機井架及底座靜動態特性研究[D].東營：中國石油大學（華東），2010.

[2]展恩強，陳榮振.前開口井架振動分析與結構動態再設計[J].石油礦場機械，1996，25（1）：30～33.

[3]嚴圣平.材料力學[M].科學出版社，2002.