郭 華，鄭清華，祖 巍，侯 敏，張長(zhǎng)輝

海上模塊鉆機(jī)T型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)分析

郭 華1，鄭清華1，祖 巍2，侯 敏3，張長(zhǎng)輝3

（1．中海油研究總院，北京100027；2．中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津300452；3．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）

海上模塊鉆機(jī)是我國海上油氣田開發(fā)過程中重要的鉆完井機(jī)具。對(duì)海上模塊鉆機(jī)T型導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，指出了T型導(dǎo)軌增加縱向斜筋板方案能更好地滿足模塊鉆機(jī)在叢式井口區(qū)滑移的需求。

海上模塊鉆機(jī)；T型導(dǎo)軌；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著我國海上油田的高速開發(fā)，模塊鉆機(jī)已經(jīng)成為重要的鉆完井機(jī)具［1］。海上模塊鉆機(jī)通常由鉆井設(shè)備模塊（D ES）和鉆井支持模塊（D S M）組成。D ES模塊分為上底座和下底座2個(gè)部分［2］，上下底座之間、下底座與海洋平臺(tái)之間均采用滑移系統(tǒng)，使上下底座在平臺(tái)井口區(qū)實(shí)現(xiàn)縱橫（x、y方向）移動(dòng)，以滿足鉆機(jī)叢式井作業(yè)［3］。

導(dǎo)軌是海上模塊鉆機(jī)滑移系統(tǒng)的核心部件，除承受井架及底座的載荷外，導(dǎo)軌還對(duì)海洋平臺(tái)施加反力。本文采用有限元法對(duì)5種T型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了在常規(guī)T型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加縱向斜筋板的優(yōu)化方案。

1　問題的提出

根據(jù)我國20多年來海上模塊鉆機(jī)建造、使用情況統(tǒng)計(jì)，渤海及南海區(qū)域海上模塊鉆機(jī)的滑軌結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了不同程度的損傷［4］。導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式是導(dǎo)軌的強(qiáng)度能否滿足使用要求的重要因素，而且不同的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式與滑靴接觸會(huì)形成不同的接觸比壓，接觸比壓的大小和分布與導(dǎo)軌的損傷有著直接的關(guān)系。

現(xiàn)役海上模塊鉆機(jī)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式一般采用橫向加強(qiáng)型的T型梁結(jié)構(gòu)。增加板厚、加密筋板雖能有效提高導(dǎo)軌承載能力，但同時(shí)會(huì)大幅增加鋼材用量和現(xiàn)場(chǎng)焊接難度，容易出現(xiàn)焊接變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象［5］。

本文主要結(jié)合我國南海東部A油田模塊鉆機(jī)實(shí)例，在常規(guī)T型鋼導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)增加縱向加強(qiáng)筋的T型鋼、含斜向加強(qiáng)筋的T型鋼和雙腹板T型鋼導(dǎo)軌（如圖1所示）進(jìn)行計(jì)算，分析上述幾種結(jié)構(gòu)形式的下底座導(dǎo)軌在鉆機(jī)D ES模塊滑移狀態(tài)下的強(qiáng)度及接觸應(yīng)力。

圖1　海上模塊鉆機(jī)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)型式

2　有限元分析條件

導(dǎo)軌及支點(diǎn)材料選用Q345D，材料屬性如表1。根據(jù)導(dǎo)軌及鉆機(jī)支點(diǎn)之間的外形和相對(duì)位置，利用建模軟件U G建立模塊鉆機(jī)支點(diǎn)和導(dǎo)軌的實(shí)體模型（如圖2所示），并將其導(dǎo)入A N S Y S W orkbench中建立模塊鉆機(jī)及導(dǎo)軌的有限元模型。對(duì)模型采用Sol id186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Sol id186為含有中間節(jié)點(diǎn)的高階3維20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元，因其采用二次位移插值函數(shù)，對(duì)不規(guī)則形狀具有較好的精確度，可很好地適應(yīng)曲線邊界。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

表1　導(dǎo)軌及支點(diǎn)材料性能

圖2　導(dǎo)軌及支點(diǎn)實(shí)體模型

圖3　導(dǎo)軌及支點(diǎn)網(wǎng)格劃分

導(dǎo)軌在海上模塊鉆機(jī)滑移工況下承受整個(gè)鉆機(jī)載荷，此時(shí)導(dǎo)軌與鉆機(jī)支點(diǎn)底板之間的接觸應(yīng)力應(yīng)盡量小。本文根據(jù)海上A油田模塊鉆機(jī)提取D ES滑移工況下的支點(diǎn)反力的最大點(diǎn)作為計(jì)算載荷，海上模塊鉆機(jī)支點(diǎn)的最大支反力為預(yù)期風(fēng)載作用下滑移載荷（組合工況）時(shí)1號(hào)支點(diǎn)的反力，其大小如表2所示。

表2　預(yù)期風(fēng)載作用下1號(hào)支點(diǎn)的反力和彎矩

其中：模塊鉆機(jī)支點(diǎn)的x軸對(duì)應(yīng)導(dǎo)軌模型坐標(biāo)系的x軸；模塊鉆機(jī)支點(diǎn)的y軸對(duì)應(yīng)導(dǎo)軌模型坐標(biāo)系的y軸；模塊鉆機(jī)支點(diǎn)的z軸對(duì)應(yīng)導(dǎo)軌模型坐標(biāo)系的z軸。將上述支反力施加于模塊鉆機(jī)支點(diǎn)端面，導(dǎo)軌兩端的位移約束為固定。約束與邊界條件如圖4所示。

圖4　導(dǎo)軌及支點(diǎn)約束條件

設(shè)置模塊鉆機(jī)支點(diǎn)底板與導(dǎo)軌之間為摩擦（Frictional）型接觸，接觸算法為增廣拉格朗日法（A ug mented Lagrange），目標(biāo)面和接觸面之間為對(duì)稱行為，模塊鉆機(jī)支點(diǎn)底板與滑板之間的摩擦因數(shù)為0．15。接觸對(duì)設(shè)置如圖5所示。

圖5　導(dǎo)軌及支點(diǎn)接觸設(shè)置

3　計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上技術(shù)條件，分別對(duì)導(dǎo)軌整體變形、整體應(yīng)力、局部應(yīng)力、導(dǎo)軌面接觸狀態(tài)、導(dǎo)軌面接觸應(yīng)力和局部接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。其中，導(dǎo)軌局部應(yīng)力和導(dǎo)軌面局部接觸應(yīng)力如圖6～7所示。

通過以上計(jì)算結(jié)果可以看出：由于導(dǎo)軌受到的力均為偏向內(nèi)側(cè)的壓力，且通過腹板及橫向加強(qiáng)筋傳遞至支撐梁，因此位移結(jié)果均為內(nèi)側(cè)位移大于外側(cè)位移；由于導(dǎo)軌受到的壓力通過支點(diǎn)垂直于導(dǎo)軌方向的立板傳至導(dǎo)軌面，所以在支點(diǎn)立板位置的應(yīng)力大于其他位置；由于底座支點(diǎn)位于導(dǎo)軌的中部，所以導(dǎo)軌面的接觸狀態(tài)為導(dǎo)軌接觸面的中部及內(nèi)側(cè)為粘結(jié)（stick）及滑移狀態(tài)（sliding），其狀態(tài)傳遞壓力；邊緣區(qū)域及中心區(qū)域?yàn)閯倓偨佑|狀態(tài)（near），其狀態(tài)不傳遞壓力；壓力分布為導(dǎo)軌接觸面的橫截面較小的區(qū)域，即存在棘爪孔的位置壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置，且對(duì)于單腹板型導(dǎo)軌中心大于兩側(cè)，對(duì)于雙腹板型導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)大于外側(cè)。以上5種導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?。

圖6　導(dǎo)軌局部應(yīng)力

圖7　導(dǎo)軌面局部接觸應(yīng)力

由表3可知：上述5種導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式中，相同載荷工況下雙腹板且支撐梁也為雙腹板的結(jié)構(gòu)形式承載能力最強(qiáng)；結(jié)構(gòu)接觸面的壓力分布為內(nèi)側(cè)壓力值大于外側(cè)壓力值，最大壓力位于導(dǎo)軌棘爪孔處，此結(jié)構(gòu)的壓力值也最小。但由于其剛度較大，使得鉆機(jī)底座支點(diǎn)受力變形后只有導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)與支點(diǎn)接觸，使這部分接觸區(qū)域發(fā)生粘結(jié)進(jìn)而產(chǎn)生磨損的幾率大，而且此結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增加量較其他形式增大5倍以上。雙腹板單支撐梁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式承載能力較未加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式有一定的提高，接觸面的壓力分布與雙腹板雙支撐梁相似，其剛度較雙腹板雙支撐有所下降，故此結(jié)構(gòu)與鉆機(jī)底座支點(diǎn)的接觸區(qū)域增大，發(fā)生粘結(jié)的區(qū)域較小進(jìn)而產(chǎn)生磨損的幾率較雙腹板雙支撐結(jié)構(gòu)減少。導(dǎo)軌增加斜筋的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式的承載能力與雙腹板單支撐型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式在壓力分布的最大值上基本相同，而且其剛度較前2種結(jié)構(gòu)更小，導(dǎo)軌與鉆機(jī)支點(diǎn)的接觸面進(jìn)一步增大，故此結(jié)構(gòu)發(fā)生磨損的幾率更小。增加縱向筋板和未加強(qiáng)型的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式的承載能力較前3種減小，且其變形后導(dǎo)軌的中部區(qū)域承受大部分載荷，導(dǎo)軌中部發(fā)生磨損的幾率很大。

表3　計(jì)算結(jié)果匯總對(duì)比

4　結(jié)論

1） 5種導(dǎo)軌面的壓力值顯示其受壓強(qiáng)度均滿足使用要求。

2） 增加縱向斜筋的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式，在承載能力與改善接觸狀態(tài)方面較未加強(qiáng)方案有了較大的提高，且現(xiàn)場(chǎng)焊接量較雙腹板型導(dǎo)軌少。經(jīng)陸地功能試驗(yàn)，效果明顯。

3） 滑移過程中，風(fēng)速應(yīng)控制在16．5 m／s以下，且應(yīng)控制導(dǎo)軌面壓力。壓力值過大時(shí)，導(dǎo)軌面和滑靴之間將發(fā)生剪切／粘著磨損。

［1］ 郭華，馮定，劉書杰，等．海上油田開發(fā)后期調(diào)整對(duì)初期鉆修井機(jī)具選擇的影響分析［J］．中國海上油氣，2012，24（6）：51-53．

［2］ 張建勇，王寧，胡澤剛，等．7 000 m海洋模塊鉆機(jī)滑軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（6）：30-33．

［3］ 王昌榮．基于S A FI的70D海洋X Y滑移鉆機(jī)抗傾覆和滑移設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（7）：31-34．

［4］ 胡澤剛．海上模塊鉆機(jī)滑軌防止劃痕技術(shù)研究［J］．中國海洋平臺(tái)，2012，27（5）：8-11．

［5］ 王玉萍，馬永剛，裴志明，等．固定式作業(yè)平臺(tái)鉆機(jī)移動(dòng)系統(tǒng)的研制［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（2）：73-75．

Analysis of Offshore M odular Drilling Rig’s T-type Rail Structure

GUO Hua1，ZHENG Qinghua1，ZU Wei2，HOU Min3，ZHANG Changhui3
（1.CNOOC Research Institute，Beijing100027，China；2.C N O O C Energy Technology&Seruice Co.，Ltd.，Tianjin300452，China；3.Baoji Oilfield M achinery Co.，Ltd.，Baoji721002，China ）

Offshore m odular drilling rig is an im portant drilling and co m pletion equip ment in the offshore oil and gas field develop ment process．In this paper the study and optimization design of T-type rail structure of offshore m odular drilling rig is given，pointing out that adding longitudinal and oblique reinforcing plate on T-type rai l could customize the skidding requirements in slot area．

offshore oilfield m odular drilling rig；t-type rail；structure analysis

T E951

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．005

1001-3482（2015）01-0016-05

2014-07-30

中國海洋石油總公司科技項(xiàng)目“海上石油模塊鉆機(jī)IS O國際標(biāo)準(zhǔn)起草”部分研究成果（Z H K Y-2013-Z Y-01）

郭 華（1982-），男，河南南陽人，工程師，主要從事海洋鉆修井裝備設(shè)計(jì)工作，E-mail：guohua＠cnooc．co m．cn。