高寒列車式鉆機(jī)躍層固控系統(tǒng)研究

鄔 柯，唐 浩，楊 斌，楊新超，李 敏，吳 寒

(四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 廣漢 618300)

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，隨著較易開采的油氣藏逐年減少，為滿足人類社會(huì)活動(dòng)的需要，人們將目光投向難以開采的寒冷地帶和極地，從而促使適合寒冷地帶和極地使用的列車式鉆機(jī)迅速發(fā)展[1]。

高寒地區(qū)是指因高緯度形成的特別寒冷的氣候區(qū)，常年在-45 ℃～-20 ℃，極寒時(shí)低于-60 ℃。高寒列車式鉆機(jī)采用輪軌+滑軌叢式移運(yùn)，要求該類型鉆機(jī)配套的固控系統(tǒng)能通過(guò)液壓動(dòng)力隨主機(jī)沿軌道做遠(yuǎn)距離移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)叢式井作業(yè)[2,3]。固控系統(tǒng)作為鉆井作業(yè)的關(guān)鍵裝備，在保障鉆井作業(yè)的同時(shí)，也占據(jù)了大量井場(chǎng)面積，目前傳統(tǒng)列車式鉆機(jī)的固控系統(tǒng)就占據(jù)鉆機(jī)系統(tǒng)整機(jī)占場(chǎng)面積的60%。因此，如何在有限的井場(chǎng)上盡量減少固控系統(tǒng)的占地面積，同時(shí)還要保證其滿足鉆井作業(yè)的泥漿處理能力，還要實(shí)現(xiàn)模塊化滿足高寒鉆機(jī)移運(yùn)的要求，這是對(duì)固控系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)高寒鉆機(jī)固控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了躍層固控系統(tǒng)的概念，并開展動(dòng)力學(xué)分析研究，以滿足保溫和安全性的要求。

1 高寒鉆機(jī)躍層固控系統(tǒng)技術(shù)方案

1.1 固控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)低溫固控系統(tǒng)采用兩層布局，如圖1所示，罐體和固控裝備在底層一字排開，人行及操作區(qū)域置于第二層，外側(cè)采用保溫棚保護(hù)，這種布局不僅冗長(zhǎng)，占用了大量井場(chǎng)面積，也難以集中監(jiān)測(cè)控制，更擴(kuò)大了散熱面積，增大了保溫空間。

圖1 傳統(tǒng)固控系統(tǒng)平鋪布局

本文針對(duì)傳統(tǒng)低溫固控系統(tǒng)的不足和高寒鉆井需要，提出“處理能力強(qiáng)、節(jié)約井場(chǎng)、模塊化、抗寒保溫、安全可靠”的固控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，突破傳統(tǒng)固控系統(tǒng)平鋪式布局，提出固控系統(tǒng)由水平向空間發(fā)展的理念，創(chuàng)新性地研發(fā)了短距離、高體表比、躍層式復(fù)合固控系統(tǒng)，如圖2所示。罐體和固控設(shè)備置于底層，便于集中監(jiān)測(cè)控制，第二層是人行及操作空間，第三層放置儲(chǔ)備罐，并且可以根據(jù)鉆井需要配置數(shù)量，第四層作為人行及操作區(qū)域，固控系統(tǒng)的外側(cè)安裝一體化保溫棚。

圖2 躍層固控系統(tǒng)

1.2 躍層式復(fù)合固控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

如圖3所示，躍層式復(fù)合固控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，積木式搭建的固控撬座和滑撬座融合為一體，保溫棚和固控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)空間更緊湊。該設(shè)計(jì)減少了保溫空間和加熱空間(節(jié)約加熱功率約190 kW)，也減少了生產(chǎn)和客戶運(yùn)行成本。所有罐體和固控設(shè)備均采用模塊化設(shè)計(jì)，分別置于固控撬座上，固控撬座和平移滑撬融合，安裝拆卸方便快捷。保溫棚與固控系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，頂框?yàn)檎w式結(jié)構(gòu)，立柱接口躍層密封，過(guò)電纜處采用插接，保溫效果好。

圖3 躍層復(fù)合固控系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)

新型躍層固控系統(tǒng)與傳統(tǒng)固控系統(tǒng)相比，布局長(zhǎng)度減少43.86%，散熱面積減小24.48%，保溫空間減少24.49%，有效節(jié)約了井場(chǎng)面積，降低了建場(chǎng)成本，大大減少了保溫能耗。

2 躍層固控系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)躍層固控罐的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，采用Autodesk Inventor 2017建立了躍層固控罐的幾何模型，如圖4所示。然后在把三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，并根據(jù)實(shí)際情況下固控罐各部分材料的主要參數(shù)，對(duì)固控罐的各部分組件設(shè)置相應(yīng)的材料屬性、截面尺寸，完成網(wǎng)格的劃分，整個(gè)固控罐劃分為149 069個(gè)網(wǎng)格、279 233個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 躍層固控罐幾何模型

根據(jù)躍層固控罐的實(shí)際工況可知，固控罐在使用過(guò)程中主要受到罐內(nèi)流體對(duì)罐壁的壓力、自身的重力以及罐底座受到的相應(yīng)支持力。其中，流體對(duì)罐壁的作用力通過(guò)在罐內(nèi)添加液體靜壓力的方式得以實(shí)現(xiàn)，根據(jù)固控罐的充液情況，又分為滿載、半載兩種工況；自身重力通過(guò)添加重力加速度得以實(shí)現(xiàn)；支持力則通過(guò)對(duì)罐底進(jìn)行全自由度約束得以實(shí)現(xiàn)。罐內(nèi)液體靜壓力加載和罐底全位移約束分別如圖5、圖6所示。

圖5 罐內(nèi)液體靜壓力加載 圖6罐底全位移約束 圖7滿載工況下固控罐變形云圖

2.2 變形分析

在滿載工況下，仿真得到的躍層固控罐變形云圖如圖7所示。

由圖7可知：整體上，上下兩層固控罐變形較大的區(qū)域主要在罐底、橫梁以及橫梁連接的前后罐壁處，其中，罐底中間區(qū)域變形量較大，隨著往四周延伸變形逐漸減小；橫梁上的變形在中間區(qū)域較大，隨著往兩側(cè)的伸展變形逐漸減小；而前后罐壁的變形呈現(xiàn)隨著與罐壁上的兩個(gè)變形較大區(qū)域距離的增加而逐漸減小；最大變形出現(xiàn)在上部固控罐的中心區(qū)域，其值為2.419 7 mm。

在半載工況下，躍層固控罐的變形云圖如圖8所示。

由圖8可知：整體上，固控罐變形較大的區(qū)域主要在罐底處，罐底中間區(qū)域變形量較大，隨著往四周延伸變形逐漸減小；最大變形也出現(xiàn)在罐底的中心區(qū)域處，其值為1.552 7 mm。

對(duì)比分析兩種工況下躍層固控罐的變形可知：兩種工況下，上層固控罐罐底的變形量都較大，最大變形也出現(xiàn)在該區(qū)域；在滿載情況下，下層固控罐的罐壁及橫梁也存在較大的變形，而半載情況下，罐壁及橫梁變形較小。

2.3 應(yīng)力分析

在滿載工況下，躍層固控罐的應(yīng)力云圖如圖9所示。

由圖9可知：躍層固控罐應(yīng)力較大的區(qū)域主要在固控罐之間支撐件的連接位置以及罐壁與罐底連接處，其余部位應(yīng)力值相對(duì)較小；應(yīng)力最大值出現(xiàn)在罐壁與罐底連接位置，其值為124.12 MPa，考慮到罐體材料為Q235B(許用應(yīng)力為235 MPa)，安全系數(shù)為235/124.12=1.89>1，罐體安全。

在半載工況下，躍層固控罐的應(yīng)力云圖如圖10所示。

由圖10可知：與滿載工況的應(yīng)力分布情況相近，半載情況下，躍層固控罐應(yīng)力較大的區(qū)域也主要在固控罐之間支撐件的連接位置以及罐壁與罐底連接處，其余部位應(yīng)力值相對(duì)較小；與滿載工況略有不同的是其最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在固控罐之間的支撐件連接位置，其值為71.268 MPa，安全系數(shù)為235/71.268=3.3>1，罐體安全。

通過(guò)對(duì)比兩種工況下躍層固控罐的應(yīng)力云圖可知：兩種工況下，支撐件與兩罐間的連接位置及罐壁與罐底連接位置都存在較大的應(yīng)力；兩種工況的最大應(yīng)力位置不同，滿載工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在罐壁與罐底連接處，而半載工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐件與上層固控罐的連接位置；兩種工況下的最大應(yīng)力值都小于許用應(yīng)力，安全系數(shù)足夠，罐體安全。

3 結(jié)論

針對(duì)高寒地區(qū)鉆井對(duì)固控系統(tǒng)在性能、空間、運(yùn)移、保溫及安全等方面的要求，開展了高寒鉆機(jī)固控系統(tǒng)躍層復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究，確保了固控系統(tǒng)節(jié)約井場(chǎng)、快捷拆裝、抗寒保溫、安全可靠。

(1)提出了固控系統(tǒng)由水平向空間發(fā)展的理念，開展了空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及固控系統(tǒng)方案對(duì)比分析研究。

圖8半載工況下固控罐變形云圖 圖9 滿載工況下固控罐應(yīng)力云圖 圖10 半載工況下固控罐應(yīng)力云圖

(2)突破傳統(tǒng)固控系統(tǒng)平鋪式布局，創(chuàng)新性研發(fā)了短距離、高體表比、躍層式復(fù)合固控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)固控系統(tǒng)相比，減少了布局長(zhǎng)度、散熱面積和保溫空間，有效節(jié)約了井場(chǎng)面積，降低了建造成本，大大降低了保溫能耗。

(3)開展了固控系統(tǒng)模塊動(dòng)力學(xué)仿真分析研究，分析了躍層固控系統(tǒng)在滿載和半載條件下的變形和應(yīng)力，掌握了固控系統(tǒng)在多種復(fù)雜工況下的動(dòng)力學(xué)特性，確保了固控系統(tǒng)的安全可靠。