一种新型快移钻机的结构设计

摘要：快速移运钻机作为新型石油钻机的一种形式，具有搬迁速度快、成本低、节省拆装时间及有效人工劳动强度等优势，近年来研发速度加快，具有较大的发展潜力。该快移钻机使用整体拖挂移运，底座采用箱叠式结构，大大节省了拆装、搬家的时间及费用。整体移运时，井架既可以直立也可以放倒，同时这类钻机也适用于沙漠环境。

关键词：石油钻机；快速移运；拖挂；伸缩；结构设计 文献标识码：A

中图分类号：TE922 文章编号：1009-2374（2016）16-0041-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.16.019

目前绝大多数的陆地钻机钻完一口井后就需要搬家，移运到下一口井。在钻机的使用寿命期内，搬家、拆卸、运输和安装所耗费的时间占了相当大的比例。因此，如何以最少的时间快速高效地移动，运送石油钻井设备，延长钻机的使用寿命，使钻井成本降为最低，成为摆在钻井工程人员面前的关键问题。

一般来说，快速移运钻机根据现场使用环境、运输距离及井位布局情况，主要分为轮式和步进式两种移运模式。在运输条件好，井位距离相对较远时，适宜采用轮式移运，轮式移运分为半拖挂和全拖挂两种，中小型钻机由于运输负荷和外形尺寸相对较小，一般采用半拖挂形式；深井钻机采用全拖挂移运形式。在运输距离相对较近或钻丛式井时，适宜采用步进式移运，步进式移运可以在井架直立的状态下移动。

目前油田用井架、底座的拖挂移运大多都是单独移运，由于井架重心高，搬家前在移动到拖车装置上时可靠性差，到井场后还要再次将井架与底座组装。而整拖钻机由于井架不下放、运输高度过高，不同钻机类型运输高度至少大于40m。而车载钻机是井架与主机模块（包含绞车、柴油机、减速箱等设备）一起运输，底座必须解体成零部件运输。另外，由于车载钻机井架都是有绷绳井架，无法在沙漠环境使用。

因此，为满足能把井架放倒运输，天车、井架、底座、绞车、游车、大钩、顶驱、转盘及传动装置、主机高压管汇、主机液气路等能整体运输（包括在沙漠环境），且运输总高度小于12m，开发一种符合这些要求的拆装时间短、运输高度低、移运效率高且适用于沙漠环境的钻机就很有必要。

1 结构说明

底座为箱叠式结构，底部开口与井架开口一致便于整体拖运时通过采油树。

井架分两段，采用无绷绳套装伸缩结构，使用液缸起升。井架上段可由液缸控制伸缩，在井架下放前、运输时收回井架上段，二层台可翻转结构，降低了运输高度、长度，使运输时有更好的安全性。

2 结构分析

2.1 主要参数

底座台面高度：7m

井架有效高度：35m

最大转盘载荷：1580kN

额定立根载荷：1350kN

最大额定静钩载：1580kN

2.2 基于SAFI进行有限元分析

基于钢结构有限元分析软件SAFI对底座、井架、天车部件进行计算。

SAFI软件是加拿大建筑结构软件公司开发的有限元软件，广泛应用于各类钢结构计算分析。SAFI软件集成了API SPEC 4F以及美国钢结构协会AISC《钢结构手册》等规范。SAFI软件有着广泛的应用，可以方便地自动完成加载、计算、校核，能够很好地完成结构设计的理论分析。

SAFI软件可以采用图形用户交互方式建立模型，然后加载运算。对于井架，可以直接建立有限元模型，使用软件提供的单元库（各种型材截面），也可以自己定义单元截面。软件可以做普通有限元软件所作的结构有限元分析，同时提供了方便用户的综合检验Limit states值（Limit states就是下文中所说的Uc值），只要Uc值不超过1，单元的强度就满足要求。

2.3 校核方法的确定

钢结构设计符合《钢结构建筑规范――许用应力设计和塑性设计》（AISC 335-89），用AISC 335-89的许用应力设计部分来确定许用单位应力。对梁单元考虑其弯曲及剪切。对受压弯杆件强度校核按AISC 335-89中第H章H1.的有关公式对危险杆件进行校核。如下：

Uc= （1）

Uc= （2）

当fa/Fa≤0.15时，可用式（3）代替式（1）和（2）：

Uc= （3）

式中：

Fa――只有轴心力存在时允许的轴心压应力

Fb――只有弯矩存在时允许的弯曲压应力

Fe′=等于除以安全系数的欧拉应力，ksi（在Fe′的表达式中，lb是在弯曲平面内的实际无支撑长度，rb是相应的回转半径，K是在弯曲平面内的有效长度系数，如同Fa、Fb和0.60Fy的情况一样，在风载和地震载荷作用下，Fe′可增大1.33倍）

fa――算得的轴向应力

fb――在所考虑点的计算压缩弯曲应力

Cm――系数，见AISC 335-89的第H章H1.，对井架构件取Cm=1.0

Fa按AISC 335-89第E章如下公式计算：

当Kl/r

当Kl/r>Cc时：

式中：

K――在弯曲平面内的有效长度系数

l――在弯曲平面内的实际无支撑长度

r――回转半径

Cc――区分弹性与非弹性屈曲的柱的

E――钢材长细比的弹性模量

Fbx和Fby按AISC 335-89第F章确定。

综上所述，Uc值是构件的综合校对值，计算Uc≤1认为该构件强度、刚度满足要求，若Uc值>1，且应力值也较大，则该构件须加强后重新校对。

2.4 模型处理

该结构主要是由天车、井架、底座等组成的整体空间钢架结构。为了便于进行有限元分析，对力学模型做以下处理：（1）井架为刚架结构，井架各杆件之间连接可靠，近似为刚性连接；（2）二层台和天车在建模时与井架合为一体，钩载、快绳力和死绳力通过天车作用到井架及底座上。立根靠力和立根风力通过二层台作用到井架上；（3）天车、井架、底座附件，如梯子总成、大钳平衡重、套管扶正台等建模时全部忽略掉，在计算时将天车、井架、底座自重乘以一定的放大系数（如1.4），以考虑这些附件的重量影响；（4）根据截面尺寸不同，把各杆件划

分为宽边工字钢、矩管、圆管、槽钢、角钢等单元类型。

2.5 计算结果

计算结果如表1所示：

2.6 倾覆和滑移验算

该钻机用于提供抵御倾覆和滑移的静载荷最大值均取设计最小载荷的90%，在计算最小重量时不计可选结构和设备，且流体储罐等容器是按无流体来考虑的即只计算设备的干重。本钻机提供稳定力矩的是钻井结构件重量除去可选设备（如立根等），提供稳定力矩的主要包括底座、井架、天车、绞车等设备的干重。对比各工况，预期工况下环境载荷（风速47.8m/s）提供倾覆与滑移载荷最大，若预期工况下倾覆与滑移满足要求，则在其余工况下也满足要求。

2.6.1 倾覆验算。预期工况风载作用力矩及抗倾覆计算结果分别见2、表3。

通过上述计算分析可知，抗倾覆安全系数最小为2.69，均大于1.25，该结构满足API Spec 4F关于倾覆的要求。

2.6.2 滑移验算。该底座支撑在地面上，进行滑移验算时静摩擦系数取0.15。钻井结构件的抗滑移阻力F：

F=N×0.9×0.15

式中：

N――0.9倍设备干重提供的正压力

F――抗滑移阻力

预期工况抗滑移计算结果见表4：

通过上述计算分析可知，抗意外滑移安全系数最小为1.28，均大于1.25，该钻井结构满足API Spec 4F关于意外滑移的要求。

3 结语

（1）该结构融合了车装钻机和整拖钻机的优点，井架采用两段套装伸缩，无绷绳，缩小运输时的长度尺寸，使钻机运输高度和长度大大减小；（2）主机（含井架、底座、绞车、动力及传动系统）整体移运，井架下放后运输高度仅8.5m，也可在井架直立情况下整体移运，同时满足沙漠环境使用要求；（3）该配置打破快移钻机传统，底座采用箱叠式结构，节省了拆装、起放时间；（4）与常规搬家时间相比，可以大大缩短钻机搬家的时间，不仅钻井作业效率提高，而且节约了搬家费用；（5）通过以上计算分析，结构设计合理，选材经济合理，强度、刚度满足使用要求。

参考文献

[1] 侯依甫.钻井和修井井架、底座设计指南[M].北京：石油工业出版社，2005.

[2] 陈如恒，沈家骏.钻井机械的设计计算[M].北京：石油工业出版社，1995.

[3] 余利军，王嘉.套装伸缩式钻机井架的研制及应用

[J].石油机械，2003，31（3）.

[4] 刘钦祥，张兴勇.ZJ40CZ/K直立无绷绳4000m车装钻机的研制[J].石油机械，2007，35（6）.

[5] SY/T 5609-1999石油钻机基本参数[S].

[6] SY/T 6584-2003车装钻机[S].

[7] API Spec 4F.Specification for Drilling and Well Servicing Structures[S].

[8] AISC 335-89.Specification for Structure Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design[S].

[9] AWS D1.1M：2010.Structural Code-Steel[S].