垂直起升鉆塔的研制及應用

劉小康，張西坤，宋秋鋒，靳益民，張 彤

(1.陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西 銅川 727000；2.河北建勘鉆探設備有限公司，河北 石家莊 051134；3.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043)

0 引言

在城市小區進行地熱深井施工，以及在山地、農田、沼澤等狹小區域進行石油、天然氣、煤層氣井施工，鉆塔的安裝起塔和落塔拆卸的占地面積問題是一個很大的制約因素[1-3]。施工輔助時間不直接創造價值，是施工成本的主要構成方面，縮短鉆塔的安裝起塔和拆卸落塔時間也是值得考慮的重要因素[4-5]。大型常規鉆塔安拆不能實現自動化作業，必須是人員密集的交叉作業、高空作業，而且鉆塔起升系統復雜、起升力過大，對員工安全造成極大的威脅，保證安全文明施工，更是鉆塔的安裝起塔和拆卸落塔必須高度重視的關鍵因素[6-7]。為此，設計以原地起降、占地很少、安拆簡便為特點的垂直起升鉆塔的方案，可以減小占地面積，縮短工期，降低施工成本，消除人身安全隱患。

1 設計方案

1.1 設計思路

垂直起升鉆塔是一種K型自升式鉆塔，由鉆塔底座、起升支架、起升機構、鉆塔各段、鉆塔塔頂和液壓系統組成。底座內安裝起升機構，底座上安裝起升支架，通過起升支架的支撐作用提供支撐力，通過安裝在起塔支架上的導向裝置對起升的各段鉆塔進行導向扶正，通過起升機構的平推油缸提供平推力，通過起升機構的導向裝置將平推力裝換成起升力，將鉆塔塔頂和鉆塔各段進行起升，鉆塔塔頂和鉆塔各段之間采用銷軸連接，起升起來的鉆塔各段與起升支架通過插裝在其上的支撐軸進行支撐和固定，這樣，垂直起升鉆塔就能夠利用自身的起升支架、起升機構及導向裝置完成整體的起升與下放。

1.2 總體結構

垂直起升鉆塔的基本結構包括鉆塔底座(上底座、下底座、配重水箱、梯子、滑道、立根盒、轉盤梁、絞車梁)、起升支架、起升機構(平推油缸、導向滑輪、運輸小車)、鉆塔各段、二層平臺、上塔梯子護籠、天車組件、天車修理架和其它附屬設施，總體結構如圖1所示。鉆塔底座為長方體狀框架結構，鉆塔各段安裝在底座上。鉆塔由多節段組成，各段包括左右2個長方形狀塔片、橫梁和斜梁，橫梁和斜梁固定在長方形狀塔片之間構成長方體框架結構。起升機構包括定滑輪、鋼絲繩、油缸、動滑輪，形成一個改變運動方向和力量大小的運動副機構。

圖1 垂直起升鉆塔總體結構

2 基本結構

2.1 鉆塔底座

垂直起升鉆塔的鉆塔底座有左右部分，每個部分由上下2層組成，平推油缸安裝在左右底座的上層內部，是鉆塔起升和下放的動力來源。在底座上設計有移動小車，移動小車沿導軌將組裝好的各段鉆塔移送到井口中心位置，等待起升，鉆塔底座如圖2所示。

圖2 垂直起升鉆塔底座結構

2.2 起升支架

起升支架：起升支架是鉆塔起升的基本支撐結構，能給正在起升的鉆塔提供臨時支撐，使各節鉆塔沿著起塔支架滑道平移上升；能夠對鉆塔進行扶正，保證鉆塔起升的穩定性；可以為已經起升到位的鉆塔段提供支撐平臺，便于起升下一段鉆塔。起升支架上的定滑輪用來改變繩系的方向。為了保證起升支架本身的穩定性，起升支架帶有付腿，形成一個穩定的三角形；起升支架的付腿采用帶有正反絲杠的結構，通過旋入和旋出螺紋，使付腿長度可調，來調整起升支架的滑道與鉆塔段導軌的間隙，從而保證鉆塔起升的穩定性，起升支架如圖3所示。

圖3 起升支架示意

滾輪導向裝置：起升支架內側上下各設置2組滾輪導向裝置，如圖3局部放大圖A所示。滾輪導向裝置的滾輪面和鉆塔各段豎梁外表面接觸，每組滾輪導向裝置由2個滾輪構成，上部前后兩側一組滾輪位于上支點定滑輪的下方，上部前后兩側滾輪位于鉆塔臨時支撐裝置的上方。

臨時支撐裝置：起升支架中設有鉆塔臨時支撐裝置，如圖3局部放大圖B所示。臨時支撐裝置插銷板結構和與插銷板結構配合使用的門型結構，門型結構設置在鉆塔各段的下部，插銷板結構包括固定在底座上插銷板和用于固定插銷板的插銷板支架，插銷板結構設置在鉆塔各段前后各一個，鉆塔各段兩側各1個。

2.3 起升機構

起升機構包括平推油缸、導向裝置、鋼絲繩套、液壓系統，是垂直起升鉆塔的核心部分，起升機構如圖4所示。在底座兩側對稱水平布置2個平推油缸，通過導向滑輪作用于繞繩繩套達到向上提升的目的。在起升支架左右兩側內垂直向下的繩頭與固定在鉆塔各段的起升鉸鏈上的提升繩套聯接，平推油缸在油缸導軌內做伸長或縮短運動，使得鋼絲繩繃緊或松弛，從而實現鉆塔各段的起升或降落。鉆塔起升時平推油缸施加的是水平推力，經過導向滑輪的變向，使油缸水平推力轉變成克服鉆塔重量而向上的拉力；鉆塔降落時依靠鉆塔自身重量降落，平推油缸施加的是使鉆塔緩慢下降的背壓。

圖4 起升機構示意

2.4 起升高度和起升力的計算

鋼絲繩套和定滑輪的組合是改變力的方向，不改變力的大小。鋼絲繩套和動滑輪的組合是改變力的方向，也改變力的大小。

起升高度計算：根據起升機構的油缸行程和鋼絲繩套垂直起升高度的關系，起升高度計算見式(1)

(1)

起升力計算：根據起升機構的油缸推力和垂直起升重量的關系，起升力計算見式(2)

(2)

計算分析：綜合以上計算過程，可以看出單個油缸通過活塞桿上的導向滑輪的平推結構，浪費了一倍的行程，需要用2個油缸的行程來實現提升鉆塔的高度H。單個油缸通過活塞桿上的導向滑輪的平推結構，省了一半的力，推力作用在單個繩頭上的力是油缸推力的一半，推力作用在2個繩頭上的力是油缸推力，也是垂直起升鉆塔的自身重量，所以單個平推油缸的推力就可以把鉆塔提升起來。

2.5 液壓系統

垂直起升鉆塔液壓系統包括液壓泵站、操作閥組、液壓管路、液壓油缸，液壓原理，如圖5所示。平推液壓油缸為2支串聯單活塞桿雙作用油缸，起升時無桿腔供油。液壓泵站包括油箱、電機、油泵、溢流閥、壓力表、回油濾油器及各油箱附件。液壓油缸為軸向地腳式雙作用單活塞桿螺紋聯接液壓缸。

圖5 液壓原理示意

3 有限元分析計算

3.1 建立模型

結構簡化：以KZ31-1350/4.0垂直起升鉆塔為例，對其進行有限元分析計算。對垂直起升鉆塔這類比較復雜的鋼結構進行有限元力學計算時，保證滿足計算精度的前提下，減少計算工作量，就需要適當地簡化計算模型，適當地略去不影響主體的次要附件。

基本假設：①考慮鉆塔主體部分，忽略二層臺、天車、工作梯、起升支架、護欄等附件的影響；②二層臺、天車等附件的質量視為集中力分配到相應的節點位置；③鉆塔為剛架結構，基本單元采用空間梁單元，各桿件均承受軸向力和附加彎矩作用，各桿件間為剛性連接，可靠焊接；④鉆塔各段之間不發生錯位、移動現象；⑤鉆塔固定方式為底部全約束；⑥鉆塔安裝時處于理想狀態。

有限元模型的建立：根據垂直起升鉆塔的結構特點，在載荷作用下鉆塔會受到拉壓應力以及彎曲應力，所以有限元分析模型中將鉆塔的主體剛架結構簡化為三維彈性梁單元，采用ANSYS Workbench中能夠承受彎曲、扭轉效應的Beam 188單元。Beam 188單元考慮到剪切變形的影響，不需要計算截面實常數，應用方便；根據鉆塔實際情況能夠定義不同的梁截面，與此同時細長到中等粗短的梁單元都可以模擬，顯示出結構鋼的形狀和尺寸，方便模型建立過程中的檢查。鉆塔的每一根桿件為一個單元，桿件之間的公共點是節點，每個桿件均適用于線性、非線性應變和應力以及轉動問題。鉆塔底部節點6個自由度均受約束。

3.2 靜力學分析計算

確定載荷工況：基于鉆塔實際工作時的載荷組合方式頗多，在復雜的組合中選擇適當的工況載荷。選擇的工況應該比實際情況惡劣，作為鉆塔的靜力學分析工況。結合載荷設計的相關規定，根據設計要求和實踐經驗，選取鉆塔工作過程中3種比較惡劣的工況對鉆塔進行靜力分析：最大鉤載工況、預期風暴工況、非預期風暴工況。鉆塔靜力分析工況及基本載荷見表1。

表1 鉆塔的靜力分析工況及基本載荷

靜力學分析計算：進行風載計算時，需要對風向進行確定，該風向的風載使鉆塔產生最大的應力。基于上述原則選擇了背面和側面這2種風向，則鉆塔的靜力學分析共分有6種載荷組合的工況，6種工況下的位移變形圖和應力分布，如圖6所示。

圖6 6種不同工況下的位移變形圖和應力分布云

3.3 計算結果分析

通過有限元分析計算，在最大鉤載工況、預期風暴工況、非預期風暴3種工況下的載荷分別施加到鉆塔相應節點位置，得到鉆塔的位移變形及應力應變結果。

變形位移：鉆塔在不同工況下，變形位移最大值均在鉆塔頂部。鉆塔頂部的剛度問題需重點關注，需要加強鉆塔頂部的剛度，尤其是滿立根非預期風

暴工況時，需要重點關注鉆塔頂部維修檢查,必要時設計過程中優化材料屬性，適應鉆塔頂部的塑性變形[8-12]。

風載耦合作用：考慮到實際工作環境有自然載荷影響，基于鉆塔側面、背面耦合風載進行分析，2種風載耦合作用使鉆塔的總形變量增大，側面風載的影響略大于背面風載。受載荷沖擊嚴重的鉆塔頂部形變量最明顯，與實際情況相符，特別注意側面、背面斜撐，需要及時檢查和維護。

整體穩定性：保證垂直起升鉆塔結構的穩定性是確保安全重要因素，也是評定鉆塔承載能力的關鍵指標[13-15]。對鉆塔整體進行穩定性理論折算，得到整體結構穩定性應力98.34 MPa，小于鉆塔材料的許用應力265 MPa，鉆塔整體穩定性滿足符合使用要求。通過有限元分析中結構的屈曲失穩計算得到結構失穩的前四階屈曲振型數值，屈曲載荷系數計算得到鉆塔的失穩臨界載荷為2 436 kN，大于設計的最大鉤載1 350 kN，同樣說明鉆塔的穩定性能良好，可在最大鉤載工況下工作，不會導致鉆塔失穩。

組合應力：鉆塔在不同工況下組合應力最大的位置不同，最大鉤載工況下鉆塔組合應力值最大部位在鉆塔一段前立柱處，主要受壓應力；預期風暴工況下鉆塔受到強烈風載荷沖擊，彎曲變形，應力最大部位在鉆塔二段與三段間的立柱處；非預期工況下，鉆塔二層臺應力值最大。計算得出組合工況的安全系數均大于API規定的安全系數1.67，說明鉆塔具有一定的強度儲備。鉆塔立柱底部承受著大部分應力，是鉆塔的薄弱環節，需要及時加強鉆塔一段的檢查維護，保證鉆塔的安全使用性能。經計算分析鉆塔的位移變化和應力變化均在設計要求范圍內，符合規范，安全可靠。

4 應用實踐

4.1 鉆塔各段連接與起升

鉆塔從上至下依次標記為一段，左右二段，左右三段……左右頂段。首先，在地面將天車和頂段組裝好，在地面安裝支架上將鉆塔左右二段、背橫梁、斜拉桿用銷軸、別針連接成門型結構，將其放在移動小車上，推動小車，把它推向井口中心。接著，將組裝好的天車和頂段與鉆塔次頂段組裝在一起；然后接通液壓系統，將鋼絲繩短節掛在鉆塔次頂段下端吊樁上，緩慢起升鉆塔。當鉆塔起升到位時，停止液壓系統，將起升支架上的支撐軸伸出，使鉆塔緩慢下落停放在支撐軸上，至此鉆塔天車、頂段與次頂段安裝起升完成。接著將鋼絲繩短節掛在鉆塔下一段的下端吊樁上，起升鉆塔，使下一段上部與次頂段下部接觸，此時單鉸鏈插進雙鉸鏈內，聯接好鉆塔段間的銷軸和別針。各段鉆塔一同起升，使上部各段鉆塔坐落在方軸上，然后再起升下一段鉆塔。以此類推，完成鉆塔的起升安裝。垂直起升鉆塔起升時可以在起塔完成后再進行天車和游車的主繩的穿繩，也可以為了避免高空作業，先穿好天車和游車的主繩，再進行鉆塔起升。在各段起升過程中，同時安裝各段相應的梯子、護籠、吊鉗平衡筒、高壓立管和各種附屬配件。

4.2 實踐效果

在地熱深井施工中的應用：由中國地質科學院勘探技術研究所與河北建勘鉆探設備有限公司聯合設計研發的4 000 m地質巖芯鉆機是國家“十二五”和“863”計劃資源環境技術領域課題研究成果。4 000 m巖芯鉆機的鉆塔經專家論證后確定采用垂直起升鉆塔，該鉆機在天津東麗區進行地熱調查井(CGSD-01井)鉆探施工，這是中國地質調查局京津冀地熱科技攻堅的第一口地熱深井，獲得了一系列地熱水文地質資料，實現了深部地熱監測的技術突破。施工實踐證明，垂直起升鉆塔是該科研課題主要創新點之一，得到了專家和甲方的一致好評。

在狹小山地環境的應用：與中地裝(北京)科學技術研究院有限公司合作完成的KZ31-135/4.0型液壓豎直起升鉆塔研制，在臺灣300 m2的狹小山地上，全套3 000 m深井鉆機進行了安裝起塔，并順利完成地熱井施工。解決了施工場地狹小、安裝起塔困難的一系列難題。

在固體礦產鉆探中的應用：江西省國土資源廳九一二隊在江西景德鎮浮梁縣朱溪地區3 000 m固體礦產深鉆ZK1814鉆孔施工，是國家“三深一土”(深地探測、深海探測、深空對地觀測、土地科技創新)戰略的標志性工程，該項目配套垂直起升鉆塔，創下了江西固體礦產鉆探深度新紀錄。

在深部科學鉆探中的應用：垂直起升鉆塔技術是深部科學鉆探綜合技術實力的體現。中央電視臺《創新一線——來自地下7 000 米的秘密》，介紹了國家重大科研項目《地球深部科學鉆探》采用垂直起升鉆塔的情況，如圖7所示。

圖7 垂直起升鉆塔用于國家重大科研項目《地球深部科學鉆探》

5 結論

(1)垂直起升鉆塔安裝全部在低位安裝，就地起落，起塔和落塔不需要配重力矩，使底座結構大大簡化；減少了占地面積，井場占地面積小(55 m×35 m)，特別適合城市、山區、農田等土地使用成本高、地理條件復雜的場地。

(2)垂直起升鉆塔底座各連接件及鉆塔各段間采用銷軸、抗剪銷、別針連接，安裝快捷、方便。節省安裝時間，根據各使用單位和鉆井公司反饋信息，安裝傳統鉆機需3 d，而安裝垂直起升鉆塔和整套鉆機僅需16～20 h。垂直起升鉆塔的起升系統與底座連接固定在一起，搬家時可以整體運輸。

(3)垂直起升鉆塔的安拆實現了液壓驅動自動化作業，簡化了起升系統結構，降低了起升力，避免了人員密集的交叉作業、高空作業，保證了安全文明施工。