四單根立柱超深井鉆機井架起升

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(1. 油氣鉆井技術國家工程實驗室，北京 102206； 2.中國石油集團 工程技術研究院有限公司，北京 102206； 3. 北京康布爾石油技術發展有限公司，北京 102206)①

ZJ90/6750DB-S型四單根立柱超深井鉆機，采用4單根1立柱(37.5 m)進行鉆井作業，減少起下鉆時間，滿足塔里木油田山前地區深井、超深井提高鉆井作業速度及效率的需求。該型鉆機的井架是國內最高、最重的K型井架。相對于常規9 000 m三單根立柱鉆機，四單根立柱鉆機井架高度增加了9.5 m，有效高度57.5 m，總高度達68 m；質量大、且整體重心上移。因而導致井架起升重力矩大，起升難度大。為解決井架起升難題，本文采用理論公式計算和有限元計算的雙重方法對井架的起升載荷進行計算，以確保其準確性。在此基礎上，利用有限元方法對井架起升強度進行仿真計算[1-7]，以使其強度滿足API 4F規范[8]要求，確保井架起升安全。

1 井架起升載荷計算

1.1 井架結構及起升原理

四單根立柱鉆機井架為前開口K型井架，主體分為6段，有效高度57.5 m，井架總高度68 m。游動系統采用7×8輪系，有效繩數為14，最大鉤載6 750 kN。井架主要承載構件采用Q420E材料H型鋼。井架上安裝有四單根二層臺、輔助油管臺等。井架在近地面水平安裝完成后，采用絞車動力，利用人字架將井架整體起升到垂直工作位置[9]。

井架起升載荷計算所考慮的載荷包括重力、起升載荷。其中，重力包括井架、天車、大鉤、鋼絲繩等自重；起升載荷包含快繩拉力、起升大繩拉力和大鉤載荷。井架起升過程的每個位置都處于近似靜力平衡狀態，由此計算起升時快繩拉力[10]。另外，井架起升載荷隨井架起升逐步減小，即當井架處于初始起升角度時，起升載荷最大。因此，以初始起升角的工況為最惡劣工況進行井架起升載荷計算。初始起升角為井架在即將起升前井架主體與水平面之間的夾角，其值為5°。井架起升的初始狀態如圖1所示。

1.2 理論公式法計算井架起升載荷

井架起升過程近似靜力平衡，絞車牽引產生的起升力矩與重力所產生的重力矩大小相等。快繩拉力、起升大繩拉力以及大鉤載荷之間相互關系式如(3)～(4)。

∑M重=∑M拉

(1)

G井L井+G游L游+G繩L繩+G天L天=P快L3+P起(L1+L2)

(2)

2P起cos(θ/2)=P鉤

(3)

P鉤=NP快

(4)

式中：∑M重為井架起升的重力矩總和，kN·m；∑M拉為快繩與起升大繩拉力的起升力矩總和，kN·m；P快為快繩拉力，kN；P起為起升大繩拉力，kN；P鉤為大鉤載荷，kN；N為鋼絲繩有效繩數，取值14；θ為大鉤處兩起升大繩的夾角，井架起升初始時，θ為70°；G為各部件的重力，kN；L為各載荷相對于井架大腿支腳的力臂，m。

由井架和人字架的幾何關系可以得到各載荷所對應的力臂數值；另外，L1=9.80 m，L2=11.00 m，L3=13.32 m。各部件的重力如表1。

表1 各部件重力載荷與力臂

經計算得：

∑M重=51 912 kN·m，P快=140.2 kN，P起=1 197.9 kN，P鉤=1 962.6 kN。

1.3 有限元法計算井架起升載荷

井架采用Beam188梁單元進行有限元建模，共產生254個節點，479個單元(如圖1)。支腳處(節點1和節點2)只釋放x向旋轉自由度；高支架支撐處(節點115和節點116)僅施加y向約束UY。

計算方法如下[10]：先賦給快繩拉力一個初始值進行試算，然后，判斷支撐處節點115和節點116處y向的約束反力是否為0，如接近0，則賦予的初始值即為快繩拉力，否則，重新賦予快繩拉力新的數值，直至節點115和節點116處y向約束反力近似為0。待計算得到快繩拉力后，可換算起升大繩拉力和大鉤載荷。

經計算得：P快=141.0 kN，P起=1 205.0 kN，P鉤=1 974.0 kN。

通過對比發現，2種方法計算得到的起升載荷接近，相差小于0.6%。計算結果得到相互驗證，保證了計算的精確性。

2 井架起升強度有限元仿真分析

為保證井架強度滿足起升工況要求，滿足API 4F規范的要求，對風載(風向為x向，風速為16.5 m/s)耦合下的井架起升強度進行有限元仿真計算，得到井架應力和變形狀態，如圖2～3所示。

圖2 井架起升工況等效應力云圖

圖3 井架起升工況變形云圖

從圖2～3可以看出，起升時井架的最大等效應力產生在井架前側大腿上。井架大腿是井架的主要承載結構，為更好地觀察井架大腿整體的應力分布狀態，圖4給出了井架前側一大腿上各單元的最大等效應力曲線，橫坐標為井架大腿從下到上各單元的編號。井架大腿從下往上，等效應力整體上呈先增大，后減小的趨勢，單元9～11區域等效應力最大，此區域為設計計算及實際起升中重點關注的區域。

圖4 井架大腿單元最大等效應力曲線

井架大腿的設計安全系數應大于API 4F規定的1.67，大腿材料屈服強度為420 MPa，則許用應力為252 MPa。從圖4中可以看出，井架大腿整體等效應力均小于252 MPa，最大值為222 MPa，滿足規范要求。最大變形量為108 mm，井架總高度為68 m，相對變形量為0.16%，井架起升工況剛度可靠。

3 現場應用

鉆機投入現場應用，進行井架起升作業，如圖5所示。井架起升過程中，大鉤載荷最大值出現在起升初始階段，最大值為2 018.8 kN。如表2所示，大鉤載荷的實際測量值與2種計算方法獲得的數值非常接近，計算值相對于實際測量值的最大偏差為-2.8%。在井架起升過程中，對井架應力較大區域進行了實時監測，測得井架的最大應力為215 MPa，同樣和有限元仿真計算結果接近。整個起升過程，井架各受力件無明顯損傷變形。現場井架實現安全起升。

表2 大鉤載荷實測值與計算值比較 kN

圖5 四單根立柱鉆機井架起升示意

4 結論

1) 理論公式法與有限元法計算得到的井架大鉤載荷與現場實際測量值相近，計算值相對于實際測量值的最大偏差為-2.8%，2種計算方法獲得的起升載荷準確可靠。

2) 井架實際起升過程中，監測到現場環境下，井架最大應力為215 MPa，與有限元計算得到井架大腿最大應力相近，小于井架的設計安全許用應力，井架強度滿足起升工況要求。