海上模塊鉆機T型導軌結構分析

郭 華，鄭清華，祖 巍，侯 敏，張長輝

海上模塊鉆機T型導軌結構分析

郭 華1，鄭清華1，祖 巍2，侯 敏3，張長輝3

（1．中海油研究總院，北京100027；2．中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津300452；3．寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002）

海上模塊鉆機是我國海上油氣田開發(fā)過程中重要的鉆完井機具。對海上模塊鉆機T型導軌的結構進行了研究和優(yōu)化設計，指出了T型導軌增加縱向斜筋板方案能更好地滿足模塊鉆機在叢式井口區(qū)滑移的需求。

海上模塊鉆機；T型導軌；結構優(yōu)化

隨著我國海上油田的高速開發(fā)，模塊鉆機已經(jīng)成為重要的鉆完井機具［1］。海上模塊鉆機通常由鉆井設備模塊（D ES）和鉆井支持模塊（D S M）組成。D ES模塊分為上底座和下底座2個部分［2］，上下底座之間、下底座與海洋平臺之間均采用滑移系統(tǒng)，使上下底座在平臺井口區(qū)實現(xiàn)縱橫（x、y方向）移動，以滿足鉆機叢式井作業(yè)［3］。

導軌是海上模塊鉆機滑移系統(tǒng)的核心部件，除承受井架及底座的載荷外，導軌還對海洋平臺施加反力。本文采用有限元法對5種T型導軌結構進行分析，提出了在常規(guī)T型導軌結構基礎上增加縱向斜筋板的優(yōu)化方案。

1　問題的提出

根據(jù)我國20多年來海上模塊鉆機建造、使用情況統(tǒng)計，渤海及南海區(qū)域海上模塊鉆機的滑軌結構均出現(xiàn)了不同程度的損傷［4］。導軌結構形式是導軌的強度能否滿足使用要求的重要因素，而且不同的導軌結構形式與滑靴接觸會形成不同的接觸比壓，接觸比壓的大小和分布與導軌的損傷有著直接的關系。

現(xiàn)役海上模塊鉆機導軌的結構形式一般采用橫向加強型的T型梁結構。增加板厚、加密筋板雖能有效提高導軌承載能力，但同時會大幅增加鋼材用量和現(xiàn)場焊接難度，容易出現(xiàn)焊接變形和應力集中現(xiàn)象［5］。

本文主要結合我國南海東部A油田模塊鉆機實例，在常規(guī)T型鋼導軌結構基礎上，對增加縱向加強筋的T型鋼、含斜向加強筋的T型鋼和雙腹板T型鋼導軌（如圖1所示）進行計算，分析上述幾種結構形式的下底座導軌在鉆機D ES模塊滑移狀態(tài)下的強度及接觸應力。

圖1　海上模塊鉆機導軌的結構型式

2　有限元分析條件

導軌及支點材料選用Q345D，材料屬性如表1。根據(jù)導軌及鉆機支點之間的外形和相對位置，利用建模軟件U G建立模塊鉆機支點和導軌的實體模型（如圖2所示），并將其導入A N S Y S W orkbench中建立模塊鉆機及導軌的有限元模型。對模型采用Sol id186單元進行網(wǎng)格劃分，Sol id186為含有中間節(jié)點的高階3維20節(jié)點的實體單元，因其采用二次位移插值函數(shù)，對不規(guī)則形狀具有較好的精確度，可很好地適應曲線邊界。網(wǎng)格劃分結果如圖3所示。

表1　導軌及支點材料性能

圖2　導軌及支點實體模型

圖3　導軌及支點網(wǎng)格劃分

導軌在海上模塊鉆機滑移工況下承受整個鉆機載荷，此時導軌與鉆機支點底板之間的接觸應力應盡量小。本文根據(jù)海上A油田模塊鉆機提取D ES滑移工況下的支點反力的最大點作為計算載荷，海上模塊鉆機支點的最大支反力為預期風載作用下滑移載荷（組合工況）時1號支點的反力，其大小如表2所示。

表2　預期風載作用下1號支點的反力和彎矩

其中：模塊鉆機支點的x軸對應導軌模型坐標系的x軸；模塊鉆機支點的y軸對應導軌模型坐標系的y軸；模塊鉆機支點的z軸對應導軌模型坐標系的z軸。將上述支反力施加于模塊鉆機支點端面，導軌兩端的位移約束為固定。約束與邊界條件如圖4所示。

圖4　導軌及支點約束條件

設置模塊鉆機支點底板與導軌之間為摩擦（Frictional）型接觸，接觸算法為增廣拉格朗日法（A ug mented Lagrange），目標面和接觸面之間為對稱行為，模塊鉆機支點底板與滑板之間的摩擦因數(shù)為0．15。接觸對設置如圖5所示。

圖5　導軌及支點接觸設置

3　計算結果分析

根據(jù)以上技術條件，分別對導軌整體變形、整體應力、局部應力、導軌面接觸狀態(tài)、導軌面接觸應力和局部接觸應力進行計算分析。其中，導軌局部應力和導軌面局部接觸應力如圖6～7所示。

通過以上計算結果可以看出：由于導軌受到的力均為偏向內側的壓力，且通過腹板及橫向加強筋傳遞至支撐梁，因此位移結果均為內側位移大于外側位移；由于導軌受到的壓力通過支點垂直于導軌方向的立板傳至導軌面，所以在支點立板位置的應力大于其他位置；由于底座支點位于導軌的中部，所以導軌面的接觸狀態(tài)為導軌接觸面的中部及內側為粘結（stick）及滑移狀態(tài)（sliding），其狀態(tài)傳遞壓力；邊緣區(qū)域及中心區(qū)域為剛剛接觸狀態(tài)（near），其狀態(tài)不傳遞壓力；壓力分布為導軌接觸面的橫截面較小的區(qū)域，即存在棘爪孔的位置壓力值遠遠大于其他位置，且對于單腹板型導軌中心大于兩側，對于雙腹板型導軌內側大于外側。以上5種導軌結構形式的計算結果匯總如表3。

圖6　導軌局部應力

圖7　導軌面局部接觸應力

由表3可知：上述5種導軌結構形式中，相同載荷工況下雙腹板且支撐梁也為雙腹板的結構形式承載能力最強；結構接觸面的壓力分布為內側壓力值大于外側壓力值，最大壓力位于導軌棘爪孔處，此結構的壓力值也最小。但由于其剛度較大，使得鉆機底座支點受力變形后只有導軌內側與支點接觸，使這部分接觸區(qū)域發(fā)生粘結進而產(chǎn)生磨損的幾率大，而且此結構的質量增加量較其他形式增大5倍以上。雙腹板單支撐梁導軌結構形式承載能力較未加強的結構形式有一定的提高，接觸面的壓力分布與雙腹板雙支撐梁相似，其剛度較雙腹板雙支撐有所下降，故此結構與鉆機底座支點的接觸區(qū)域增大，發(fā)生粘結的區(qū)域較小進而產(chǎn)生磨損的幾率較雙腹板雙支撐結構減少。導軌增加斜筋的導軌結構形式的承載能力與雙腹板單支撐型導軌結構形式在壓力分布的最大值上基本相同，而且其剛度較前2種結構更小，導軌與鉆機支點的接觸面進一步增大，故此結構發(fā)生磨損的幾率更小。增加縱向筋板和未加強型的導軌結構形式的承載能力較前3種減小，且其變形后導軌的中部區(qū)域承受大部分載荷，導軌中部發(fā)生磨損的幾率很大。

表3　計算結果匯總對比

4　結論

1） 5種導軌面的壓力值顯示其受壓強度均滿足使用要求。

2） 增加縱向斜筋的導軌結構形式，在承載能力與改善接觸狀態(tài)方面較未加強方案有了較大的提高，且現(xiàn)場焊接量較雙腹板型導軌少。經(jīng)陸地功能試驗，效果明顯。

3） 滑移過程中，風速應控制在16．5 m／s以下，且應控制導軌面壓力。壓力值過大時，導軌面和滑靴之間將發(fā)生剪切／粘著磨損。

［1］ 郭華，馮定，劉書杰，等．海上油田開發(fā)后期調整對初期鉆修井機具選擇的影響分析［J］．中國海上油氣，2012，24（6）：51-53．

［2］ 張建勇，王寧，胡澤剛，等．7 000 m海洋模塊鉆機滑軌結構優(yōu)化設計［J］．石油礦場機械，2012，41（6）：30-33．

［3］ 王昌榮．基于S A FI的70D海洋X Y滑移鉆機抗傾覆和滑移設計［J］．石油礦場機械，2013，42（7）：31-34．

［4］ 胡澤剛．海上模塊鉆機滑軌防止劃痕技術研究［J］．中國海洋平臺，2012，27（5）：8-11．

［5］ 王玉萍，馬永剛，裴志明，等．固定式作業(yè)平臺鉆機移動系統(tǒng)的研制［J］．石油礦場機械，2006，35（2）：73-75．

Analysis of Offshore M odular Drilling Rig’s T-type Rail Structure

GUO Hua1，ZHENG Qinghua1，ZU Wei2，HOU Min3，ZHANG Changhui3
（1.CNOOC Research Institute，Beijing100027，China；2.C N O O C Energy Technology&Seruice Co.，Ltd.，Tianjin300452，China；3.Baoji Oilfield M achinery Co.，Ltd.，Baoji721002，China ）

Offshore m odular drilling rig is an im portant drilling and co m pletion equip ment in the offshore oil and gas field develop ment process．In this paper the study and optimization design of T-type rail structure of offshore m odular drilling rig is given，pointing out that adding longitudinal and oblique reinforcing plate on T-type rai l could customize the skidding requirements in slot area．

offshore oilfield m odular drilling rig；t-type rail；structure analysis

T E951

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．005

1001-3482（2015）01-0016-05

2014-07-30

中國海洋石油總公司科技項目“海上石油模塊鉆機IS O國際標準起草”部分研究成果（Z H K Y-2013-Z Y-01）

郭 華（1982-），男，河南南陽人，工程師，主要從事海洋鉆修井裝備設計工作，E-mail：guohua＠cnooc．co m．cn。