K型井架的多點加載與變形規律分析研究

向文進,張曉黎，馬黎霞，曹虎平,馬存翔

（1.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834000；2.新疆油田公司勘探開發研究院，新疆克拉瑪依834000；3.西安交通大學機械學院，陜西西安710049）

近年來由于K型井架的使用越來越廣泛，因此K型井架展現的問題也就越來越多。目前的國內外學者對井架的研究主要集中在井架的結構設計、穩定性分析、強度及剛度分析等，而由于K型井架的工況比較復雜，既有常規的掛鉤載荷、二層臺的自重以及風載等，使得對K型井架的仿真和研究比較困難。

本文主要對K型井架進行靜力學分析，從靜力學分析結果，對K型井架進行強度校核，結合材料的屈服極限來判斷井架的安全系數是否合適等。通過對井架進行受力分析，從而起到預防事故發生，減少人員傷亡、財產損失等。

1 功能需求分析

隨著近年來石油的消耗越來越多，石油的開采越來越頻繁，開采量越來越多，而作為石油開采設備中的一個重要組成部分，井架的綜合性能對石油開采設備的性能起著重要作用。

K型井架即前開口井架，前扇敞開，截面為Ⅱ形空間桁架結構，兩側分片或分塊焊成若干段，背部是桁架桿系。各段及各構件間用銷子或螺栓連接，下段后方設人字架或撐桿，用于起放井架，并保持井架的前后穩定性，可低位安裝，整體起升，具有整體剛性好的優點，由于K型井架有如此多的優點，所以K型井架在石油開采過程中起著重要的作用，應用非常廣泛。

而K型井架在實際設計和使用過程中，經常會遇到由于材料的強度不夠或者安全系數取的不合適，而使井架主體發生斷裂的危險，因此必須結合實際使用情況對K型井架進行結構分析，最大限度地避免事故的發生。

2 建模與誤差分析

2.1 K型井架的建模

K型井架的整個井架主體由3～5個焊接結構部分組成，錐形銷定位和各部分之間采用螺栓連接。在井架的使用和運輸過程中通常采取水平拆裝，整體起落和分段運輸的辦法搬遷井架，這樣做的好處是方便，安全，可以快速移動。為了確保良好的視野，井架兩側的桁架結構通常以相同的形式布置，而后部采用特殊的腹板形式布置。

由前面的分析我們知道K型井架的模型是復雜的，但是在進行有限元分析時，我們只需要簡單的科學的合理的井架模型，因此我們需要對井架的模型進行簡化，在模型簡化時，需要滿足以下要求：首先是計算精度要符合我們的要求，其次是減少不必要的工作量，使計算時間變短。

因此在對井架進行分析時，我們需要進行下面幾點的假設：

（1）井架的主體是剛結構，井架各個桿件之間通過焊接連接；

（2）井架的固定的方式是底部固定，在井架模型中忽略二層臺、天車、人字架及工作梯等附屬結構對井架整體剛度的影響,只考慮井架的主體部分。

（3）井架的上下節視為剛性的固定連接，在設計分析時不考慮井架的上下節發生移動的影響；

（4）假設井架在安裝時是在理想狀態；

（5）二層臺等其它零件的質量視為集中力分配到相應的節點位置。

考慮上述因素，最后決定在SolidWorks2015中進行建模，然后將模型直接導入到Ansys中進行分析，在建模時，選擇1∶1的比例建模，這樣做的好處是直觀，在井架建模時，大量使用了工字鋼和角鋼。

2.2 前處理

將模型導入Ansys Workbench中的Static Structural模塊中，然后決定井架使用什么類型的材料，由于在工廠中經常使用的是Q345，因此在Engineering data欄定義構件材料屬性（所有構件），設置彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。

網格劃分是有限元分析中非常關鍵的一步。當有限元網格太密集時，該解決方案耗時、費力并且可能導致結果不收斂;如果網格太稀疏，結果可能不準確，因此在網格化時，要仔細斟酌，網格化時，首先需要減少模型中的不規則形狀，因為這些形狀可能會導致網格形狀的不規則，因此我們在構建模型時需要簡化模型。

綜合考慮在實際操作中要選擇合適的單元類型與網格尺寸，以使得單元形狀規范，數量適中，個別網格劃分困難的構件單獨定義劃分規則。取部分重要桿件劃分單元長度為主要桿長度的1/300。

2.3 約束及加載

對鉆機進行靜力學分析時，建立科學合理的有限元模型后，約束和加載條件應合理，從而控制計算精度和運行速度。

2.3.1 K型井架施加的載荷

井架在運移、安裝、起升及鉆井操作過程中承受多種載荷作用，承受的載荷在一定程度上具有不確定性，合理確定和計算井架所承受的載荷，對于精確地進行結構分析是十分重要的。井架所承受的載荷大致可以分為如下幾種：恒定載荷、工作載荷、自然載荷等。

恒定載荷是指質量不會輕易改變的值，其中包括井架的自重以及安裝在井架上的各種設備和工具的自重，比如二層臺、天車臺、工作梯等。

工作載荷是指井架在工作過程中所承受的載荷，包括大鉤靜載荷、工作繩作用力、最大套管柱重力、立根和立根盒載荷等。

井架所承受的自然載荷包括風載荷、冰雪載荷、溫度載荷和地震載荷等。設備結構上堆積的冰雪能及時清除，所以可以不必考慮冰雪載荷；地震載荷由于不可控性，因此也可以忽略。自然載荷對鉆機井架的施加具有一定的隨機性，而且受鉆機的使用地區及鉆井地區環境的影響較大。

因此我們在對K型井架進行分析時主要考慮的載荷有:井架的自重、掛鉤載荷、二層臺等構件的自重。井架的自重可以按照Workbench提供的方式自動地施加在井架上，而天車和游動系統、頂驅以及頂驅導軌重量以集中力平均施加到井架最上一層的所有節點上；最大鉤載、大鉤靜載荷(鉆柱重量)、工作繩作用力是作用在天車臺上，因此它們的重量以集中力的方式施加到井架的天車臺上。

2.3.2 K型井架的約束

在對井架進行約束時，主要從以下幾個方面考慮：①井架通過銷軸連接到底座，并且井架可以圍繞銷軸旋轉，其中約束僅允許井架圍繞銷軸旋轉，從而限制其余部件的平移和旋轉;②通過液壓缸將井架提起以完成提升操作，然后通過銷軸和人字形框架固定，這相當于固定約束。因此，兩者的約束限制了3個方向的平移和旋轉。

2.4 靜力特性分析

為了對比出在不同條件下井架的受力及變形情況，本文主要考慮了在3種不同工況下井架的工作情況，通過對比找出井架的薄弱部位，及分析井架的安全系數，為井架的設計、使用提供指導。

2.4.1 工況一

當最大鉤載為800kN時，我們通過Workbench進行分析可以看到：井架的最大變形在井架的頂端，最大變形為10mm，井架的最大應力、應變均在二層臺的附近，最大應力為70MPa，最大應變為220×10-6。

2.4.2 工況二

當最大鉤載為1100kN時，我們通過Workbench進行分析可以看到：井架的最大變形在井架的頂端，最大變形為14.8mm，井架的最大應力、應變均在二層臺的附近，最大應力為90MPa，最大應變為350×10-6。

2.4.3 工況三

當最大鉤載為2250kN時，我們通過Workbench進行分析可以看到：井架的最大變形在井架的頂端，最大變形為30.3mm，井架的最大應力、應變均在二層臺的附近，最大應力為180MPa，最大應變為750×10-6。

2.4.4 對比分析

表1 不同工況下的分析結果

通過表1我們可以看到,當最大鉤載增加時，最大變形和最大應力也在不斷增加，但是通過按照式（1）、（2）的校核，我們發現，該井架可以滿足最大鉤載為2250kN時的工作要求。

依據SY 6326-2012《石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規范》，井架強度應滿足公式（1）和公式（2）的要求：

式中：fa——井架承受設計最大鉤載時,測試桿件的軸心拉壓應力,MPa；

Fa——只有軸心拉壓應力存在時,允許采用的軸心拉壓應力,MPa；

fb——井架承受設計最大鉤載時,測試桿件的壓縮彎曲應力,MPa；

Fb——只有彎矩存在時允許采用的彎曲應力,MPa；

F′e——除以安全系數后的歐拉應力,MPa；

Cm——系數,對于端部受約束的構件，Cm=0.85。

3 實驗設計與案例分析

本文針對石油鉆井公司目前正在使用的K型井架進行應力、應變測量，目的是為了檢測仿真結果是否準確和預測K型井架的最大鉤載。本次實驗主要步驟是在井架的二層臺和多個部位貼應變片，其中每一層分別貼16個應變片，然后將實驗測得的數據通過無線傳輸技術傳給上位機，通過上位機對測得的數據進行分析。

本次實驗主要進行了最大鉤載為80t、110t、225t的實驗。實驗測得的數據如表2所示。

通過對測得的數據進行分析我們可以看出，最大的應力應變發生在二層臺附近，雖然仿真結果與實測數據有一點差距，但是在誤差范圍之內。

表2 實驗測得的數據

假設該井架的最大鉤載為3500kN,對測試數據進行線性外推，得到井架各測試桿件在設計最大鉤載時的應力值，并將每個測點的應力值加上井架的自重后進行強度校核，發現第一層的計算應力最大。表3為測點處的應力值。

表3 測點處的應力值

通過以上數據可得：

因此該井架不能滿足最大鉤載為3500kN的設計要求。

通過對計算數據進行分析，我們可以計算出井架的實際最大鉤載：

因此該井架的最大鉤載為3017kN。

4 結論

通過建立井架三維模型，對井架在不同工況時進行了靜力分析，得到了井架位移及應力的相關數據，最后與現場實測數據進行對比分析，根據分析結果可得以下結論：（1）當在井架頂端施加載荷時，井架會向開口方向傾斜，且鉤載值越大，傾斜值會越大；（2）在二層臺附近的應力、應變值最大，因此我們在設計和使用井架時要充分考慮二層臺附近對井架整體安全性的影響。