超深井鉆機井架和底座7500kN負荷試驗裝置研制

楊子龍 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

管鋒 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

熊先杰 (中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

低成本、高效鉆井要求石油鉆機井架及底座呈現快速移運性和鉆井適用性發展[1]。超深井鉆機的工作面臨更加復雜的地質條件，環境更為惡劣，井架和底座承受的載荷和載荷儲備能力要求更大。井架和底座的強度和安全性是鉆井得以正常進行的保障之一，所以對超深井鉆機井架和底座的承載能力開展研究并進行負荷試驗十分必要。

目前,為了解決石油鉆機井架底座負荷試驗的加載問題，一般采用直接加載重物的方式[2]或者建造試驗地錨裝置的方法[3]給鉆機井架和底座加載，這些方法可較好解決7000m及以下鉆機的負荷試驗。隨著鉆井深度的增加，這些方法由于負載能力受限，不能很好地滿足7000m以上井深鉆機的試驗要求。為滿足超深井鉆機井架和底座負荷試驗的要求，結合現有試驗方法，設計一套能模擬鉆井滿負荷受力工況，試驗安全性能高，投資成本低，適用范圍廣的試驗裝置就很有必要。

1 總體方案分析

圖1 反拉轉盤梁試驗示意圖

根據現有鉆機井架、底座負荷試驗方法，制定了3套試驗方案，具體如下。

1.1 反拉轉盤梁試驗方案

如圖1所示，將試驗裝置安裝在轉盤梁底部，使用鉆機絞車輸出動力，通過游動系統、大鉤和試驗拉桿提拉轉盤梁，實現對井架的加載，完成井架的加載測試。

1.2 地錨試驗方案

如圖2所示，鉆機組裝時以試驗地錨為井口中心裝配，試驗時，根據不同結構形式，使用鉆機絞車及液壓加載裝置進行加載并傳遞給井架和底座，完成加載測試。

圖2 地錨試驗示意圖

1.3 地面鋼梁試驗方案

如圖3所示，該方案與第2方案類似，將試驗地錨更換成活動的承載鋼梁，承載鋼梁放置在預制的試驗地溝內，以承載鋼梁聯接耳板為中心進行裝配，將鉆機井架和底座安裝在承載鋼梁上，對于雙升式井架底座，采用絞車、游動系統、大鉤、試驗拉桿提拉承載鋼梁加載，或采用液壓加載裝置加載，可以一次性實現井架和底座的加載。對于旋升式井架和底座，可采用如雙升式井架底座對井架施加載荷，利用液壓加載裝置、拉桿、轉盤梁實現底座的加載，完成加載測試。

圖3 地面鋼梁試驗示意圖

基于7500kN高負載的試驗要求，對比3個方案優劣：方案1鉆臺轉盤梁受力與實際工作狀態相反，且底座及立柱基本不受力，只能滿足鉆機井架負荷試驗要求；方案2能滿足深井鉆機的井架、底座負荷試驗，但地錨固定，投入較大，連接安裝復雜，調試困難，載荷輸出的局限性較大；方案3投入較大，連接安裝及操作都較簡單。該裝置經過加強，可以進行更高載荷的負荷試驗。

綜上所述，方案3地面承載鋼梁負荷裝置試驗的完整性好，試驗場地靈活，成本低，安全性能高，能滿足超深井鉆機的負荷試驗，并能隨鉆機負荷的提升進行改造升級。

2 結構設計及分析

2.1 總體結構設計

試驗裝置包括鋼梁承載裝置、加載油缸、連接座、試驗拉桿、連接銷軸等，其中鋼梁承載裝置作為鉆機底座承載支承，加載油缸主要為井架和底座負載提供動力輸出，試驗拉桿為鉆機與試驗裝置過渡連接件。試驗裝置三維圖如圖4所示。

圖4 試驗裝置三維圖 圖5 鋼梁承載裝置有限元模型

2.2 鋼梁承載裝置設計及分析

鋼梁承載裝置采用大型的焊接鋼結構作為主梁，表面焊接鋼板作為支承平臺。所有的焊縫進行磁粉探傷，檢測主體構件的焊接質量，確保鋼梁承載裝置承載的安全性。

應用Solid Works三維軟件對鋼梁承載裝置進行建模和有限元分析，模擬受載工況，對耳板處施加7500kN載荷拉力，得到如圖5所示試驗裝置有限元模型。該裝置在7500kN向上載荷作用下，應力云圖如圖6所示。從圖6可知，試驗裝置最大等效應力為192MPa，試驗裝置材料為Q345，屈服強度為345MPa，安全系數為1.80，高于美國鋼結構規范許用值1.67，強度滿足設計要求。

圖6 鋼梁承載裝置應力云圖

在施加7500kN向上載荷作用下，位移云圖如圖7所示。試驗裝置中間主梁長度為5235mm，設計許用位移為長度的1/500，即許用位移約為5000/500=10mm。從圖7可知，試驗裝置最大綜合位移為5mm左右，在許用位移范圍內，該試驗裝置剛度足夠。

2.3 試驗拉桿設計及分析

試驗拉桿也是一個受力關鍵件，承受7500kN的拉力。試驗拉桿材料采用42CrMo鍛鋼，有較好的淬透性和高韌性，其應力云圖如圖8所示，拉桿最大等效應力為565.4MPa， 42CrMo鍛鋼的屈服強度為930MPa，安全系數為1.64，高于我國規定的鋼制零件許用安全系數1.5，試驗拉桿強度足夠。

圖7 鋼梁承載裝置位移云圖

圖8 試驗拉桿應力云圖

3 液壓系統設計

圖9 液壓系統圖

試驗裝置液壓系統包括低壓泵、高壓泵、順

序閥、節流調速閥、溢流閥、三位四通換向閥、加載油缸等[4]。電機驅動液壓泵向系統供油，三位四通換向閥控制油缸的伸出和縮回，實現對井架和底座的加載。液壓系統如圖9所示，液壓系統工作原理如下：設定好溢流閥和順序閥的壓力，啟動電機，操縱三位四通換向閥于左位，油液進入活塞桿腔，剛開始壓力較低，高壓泵和低壓泵雙泵合流，實現液壓缸快速進油，隨著負載的增加，當壓力達到順序閥設定的壓力值時，低壓泵打出的油液通過順序閥回油箱，這時換向閥處于右位,只有高壓泵工作繼續往油缸打壓，一直到設定的壓力，壓力就穩定在該值，實現對井架和底座的加載。

該液壓系統采用全自動電液控制，能夠實現遠程操作，安全閥設置系統的最高壓力，能夠避免超過試驗裝置的最高載荷，避免發生事故，安全性高。試驗數據實時記錄，不僅能夠監測試驗過程狀態，及時發現試驗過程的問題，同時能夠為今后的設計改進提供數據支持。

4 廠內型式試驗

為了驗證該試驗裝置的可靠性，在廠內完成了超深井鉆機井架和底座負荷試驗測試。在試驗過程中，按要求調試裝置的液壓系統[5]，設定好溢流閥及順序閥的壓力值，并按產品試驗大綱的要求，設計測試點粘貼應力應變片，載荷試驗分別加載至4300、4800、5300、5800、6300、6800kN負載工況，并在每種負載工況下穩定載荷5min后，分別采集不同負載工況下各測試點的應變值。通過測試點應變計算的應力曲線如圖10所示,該裝置較好地測試井架和底座的承載性能，操作簡單，安全性能高，試驗投資成本低，提高了產品的經濟效益。

圖10 井架負載各測試點應力值曲線圖

5 結論

1)基于鋼梁承載裝置的鉆機井架和底座負載試驗裝置相比傳統的地錨試驗裝置，不需要固定的試驗井場，可以滿足不同負荷能力的井架和底座負荷試驗，試驗加載不受環境影響。

2)采用有限元方法和試驗方法驗證了鉆機井架和底座負荷試驗的可行性和試驗裝置的強度、安全性。7500kN加載能力的試驗裝置能夠實現9000m鉆機井架和底座的負荷試驗。

3)試驗裝置配套數據采集系統和控制系統可以遠距離控制，并全過程檢測井架負荷，試驗操作記錄、分析方便，試驗安全、可靠。

[1]潘浩,李佳玲,池勝高，等.新型鉆機井架及底座設計模型[J].石油機械,2005,33(2):21～23.

[2]張莉莉, 隋亞娟.鉆機負荷試驗裝置[P].中國:CN 202793821 U,2013-03-13.

[3]馮志鵬,常玉連，鄒龍慶.修井機地錨樁抗拔承載能力試驗研究[J].地震工程與工程振動，2014,1(6): 243～247.

[4]王益群,高殿榮.液壓工程師技術手冊[M].北京：化學工業出版社,2009.

[5]譚尹耕.液壓試驗設備與測試技術[M].北京：北京理工大學出版社,1997.