JJ160/41―K型石油井架设计与结构优化

[摘 要]根据我国油田井架应满足深井钻井的需要，对钻机井架进行优化设计。鉴于井架应该满足井架能低位安装，整体起升，总体刚性好，移运时需要车辆少，便于维修的条件，分别对井架种类、井架截面、材料、结构和稳定性等进行分析，并且从绞车型号的选择到游动系统的筛选等过程设计出能够满足油田需要的深井钻机井架。

井架系统总共分四段即上段、中段、中下段和下段。从刚度、强度和稳定性等方面的分析，井架的基本材料选择方箱型钢。最后应用I-DEAS软件对设计方案进行校核，所得结论完全符合设计要求。

[关键词]K型井架；结构分析；稳定性；静力计算

中图分类号：TE923 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0092-01

1 K型井架大腿形式及其性能分析

目前在用的中型钻机前开口型井架一般有角钢、工字钢和矩形管三种形式。大腿采用角钢的井架，如BY-40钻机井架和少量的ZJ-15、ZJ-20钻机井架，其数量越来越少。大部分ZJ-15、ZJ-20钻机井架大腿都采用工字钢。

工字钢为标准型钢，矩形管采用钢板轧制并焊接而成，矩形管的加筋部分可提高大腿本身的刚度和稳定性。

矩形管井架的刚度比工字钢井架好，有更好的承载能力，两种大腿形式井架的强度相当。在保证实现同等载荷能力的前提下，矩形管井架比工字钢井架的质量要轻，可以更好地满足钻井工艺要求。因此，前开口井架的合理大腿形式应该是矩形管。

2 井架整体方案设计

2.1 总体结构方案的确立

井架的设计高度为41.5m，分为四段，上段10m，其余三段为10.5m，井架段与段连接接头长200mm，上段有一处下连接接头，中上段、中下段分别有上、下两处连接接头，下段有上连接接头一处和下底角（200mm），因此，各段围成的桁架尺寸为10m。

受压弦杆长度的确定和腹杆的布置，按照常规有两种选择，分别是将9.9m长的桁杆分为四个空格和六个空格。方案合理性分析过程如下所示：

应用材料力学中的压杆稳定柔度λ值，λ=L/γ（L为压杆长度，γ为截面的最小惯性半径），对于上述两种桁架结构，λ1=45.7，λ2=30.5。

两种方案，结构中的λ1和λ2的值都小于60，都属于小柔度压杆，属于强度破坏型桁架，两种结构的受压弦杆是等强度的，分为六个空格的那种结构过于复杂，重量大，不经济，因此选择将桁架分为四个空格的这种结构。

受压弦杆确定后，本论文选择如下布置方案：

后背面选用菱形加斜拉管的结构形式，侧面选择双斜杆结构，整段可以拆成两个片架，这种结构整体稳定性、刚度好。

通过上述设计，井架由四段构成，上部第一段为焊接四面封闭结构，其余各段为前开口结构，两侧面为焊接的平面结构，背扇由横斜杆焊接构成。由于大腿采用了方箱型截面，使得这种类型的井架具有整体重量轻，起升平稳的优良性能。

3 井架的稳定性计算和静力计算

3.1 井架的稳定性计算

前开口型井架因正面和侧面的几何性质不同，分别进行整体稳定计算。前开口型井架的整体稳定计算模型可简化为一端作用―弯矩的压弯柱模型，分别计算其正面和侧面的稳定性，两端铰支的端弯矩为M=P×e（P―作用在井架顶部的大钩载荷；e―载荷作用点偏离井架顶部中心的距离。）

如果井架两个前大腿的稳定性满足要求，侧面的整体稳定性可不必计算。

井架的整体稳定计算必须建立一定的井架计算模型，模型的实质是将井架这个特殊的格构式结构，根据其结构和受力特点，简化为一个保持格构式结构的抗压刚度和抗弯刚度的具有相应折算长细比的实腹受压柱来计算。

3.2 井架的分析

3.2.1 总体刚度分析

井架的总体刚度分纵向刚度、前后横向刚度、左右横向刚度和扭转刚度。选取相同的截面面积，查找数据作如下分析：

（1）由于所选工字钢和方箱型的截面积相同，二者的抗拉压刚度相同，故井架在纵向的刚度相同。

（2）方箱型井架前后方向的纵横刚度比工字钢井架高2%左右，这是因为井架的前后横向刚度主要取决于井架侧面由大腿、横杆、斜杆所形成的框架的刚度。

（3）方箱型井架左右横向刚度和扭转刚度比工字钢井架分别高3.7136%和3.1129%，可见，方箱型比工字钢有良好的抗弯和抗扭性能。

3.2.2 井架的强度分析

从强度的角度考虑，井架大腿的应力主要是由轴向力引起的，而两种大腿型式的截面积相等；前开口井架的前大腿承受的弯矩也主要是绕Z轴的弯矩，而两种大腿型式的绕Z轴的弯矩差别不大，两种大腿型式井架的应力较接近。

3.2.3 井架的稳定性分析

井架主体为变截面空腹组合杆，前大腿为支承于弹性介质上的压杆，弹性介质的弹性常数取决于井架侧面和背面的横杆形成的框架对前大腿横向位移的约束作用。根据总体稳定的实用计算法，井架主体和前大腿总体稳定的折算应力如下分析：

（1）方型箱本身在绕Y轴方向的抗弯刚度是工字钢的516倍，但在井架整体的前后横向刚度中大腿本身刚度所占的比例很小，故两种截面型式的井架前后横向刚度接近，体现在这个方向的井架主体的总体稳定性也就相同。

（2）方箱型井架的前大腿总体稳定性折算应力是工字钢井架的90%左右，这是由于方箱型在绕Z轴方向的刚度比工字钢大。

3.3 井架静力计算

通过I-DEAS软件对井架进行静力计算，得出的结论为井架的X向位移和Z向位移随大钩载荷的变化较大，且均与大钩载荷呈良好的线性关系。井架的最大位移变化量为7.36mm，最大应力变化为290MPa。

4 结论

本文通过对国内外油田在用石油钻机井架的阐述，对现有井架的基本结构组成、工作范围和安装工艺的分析，结合现有前开口型石油钻机井架设备和工作过程，通过查阅资料，进行JJ160/41-K型石油井架的总体方案设计和子系统结构方案设计，并对设计结构作出了理论，对该井架稳定性计算，动力模态计算，运用I-DEAS软件对井架进行位移和应力分析，满足强度和设计要求。

（1） K形井架具有以下的突出优点：低位安装，整体起升，总体刚性好，制造成本低，移运时需要车辆少，便于维修，安装顶驱装置较方便缺点是司钻视野较窄，重量较大。

（2）通过I-DEAS软件对井架进行静力计算，得出的结论为井架的X向位移和Z向位移随大钩载荷的变化较大，且均与大钩载荷呈良好的线性关系。井架的最大位移变化量为7.36mm，最大应力变化为290MPa。