陳德剛， 王曉玲， 蔡京儒， 陳昊翔

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引言

在沙漠等具有大片平坦地區(qū)鉆井時(shí)，我國(guó)研制的整體直立輪式移運(yùn)鉆機(jī)[1-2]已經(jīng)受到廣泛歡迎。這種鉆機(jī)在換井位時(shí)將大部分繁瑣的組裝工作省去，在井架底座及其上設(shè)備不拆卸的狀態(tài)下，利用大噸位承載輪胎將井架底座及設(shè)備整體移運(yùn)至目標(biāo)井位，減少了大部分工作量，縮短了鉆機(jī)在不同井位間作業(yè)的周期[3-4]。

在鉆機(jī)直立移運(yùn)時(shí)，整體高度往往達(dá)到60 m左右。移運(yùn)路線中如果遇到高壓輸電線或者高架橋梁時(shí)則需要繞路，否則需要就地拆解。無(wú)法穿過(guò)高達(dá)60 m左右障礙物的限高缺點(diǎn)極大限制了這種直立移運(yùn)鉆機(jī)的應(yīng)用。因此，研制在直立移運(yùn)時(shí)能降低移運(yùn)高度的井架迫在眉睫。

通過(guò)研究現(xiàn)有井架的成熟結(jié)構(gòu)，其上段本身是一個(gè)整體，認(rèn)為降低井架直立移運(yùn)高度最好也最簡(jiǎn)捷的辦法是將井架上段向下折疊。由于井架上段與天車的高度為14 m左右，因此折疊上段可以將直立移運(yùn)高度降低到46 m，大大降低了移運(yùn)限高，擴(kuò)大了鉆機(jī)移運(yùn)范圍。因此本文對(duì)折疊上段的方法進(jìn)行詳細(xì)討論研究，并提出完整可行的具體方案。

1 技術(shù)分析

1.1 折疊方向

與井架上段關(guān)聯(lián)的設(shè)備有天車和鉆井繩。如果上段向前折疊，天車背離絞車運(yùn)動(dòng)，鉆井快繩會(huì)在折疊過(guò)程中伸長(zhǎng)，拉動(dòng)游車上移，因此在折疊過(guò)程中井架會(huì)承受額外的鉤載。由于鉆井繩拉伸運(yùn)動(dòng)時(shí)與井架結(jié)構(gòu)體發(fā)生摩擦，這種額外的鉤載還會(huì)放大。同時(shí)，由于K型井架前口敞開，為了讓鉆井繩組向前擺動(dòng)在可控范圍內(nèi)，不脫出繩槽，還需要在上段前立柱上增加橫桿擋住鉆井繩，折疊后再拆掉橫桿，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而與之相比，如果上段向后折疊，天車向絞車移動(dòng)，鉆井快繩縮短松弛，不會(huì)產(chǎn)生額外鉤載。如果提前固定游車，鉆井繩組基本不會(huì)滑移。而下段后立柱處本來(lái)就布有橫梁，只需稍作改進(jìn)即可用作擋繩桿。所以上段向后折疊的方式明顯更好，如圖1所示。

圖1 井架上段向前向后折疊對(duì)比圖

1.2 折疊方式

可以采用目前廣泛應(yīng)用在鉆井設(shè)備上的液缸驅(qū)動(dòng)上段向后折疊。具體實(shí)施方法如下：在井架中上段后側(cè)設(shè)置一個(gè)操作臺(tái)，將液缸缸體支腳固定在操作臺(tái)外側(cè)，將活塞固定在上段合適位置，上段與中上段之間用銷軸鉸接。當(dāng)液缸縮短時(shí)，帶動(dòng)上段向后繞銷軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到折疊的目的。

當(dāng)通過(guò)障礙物后，液缸推動(dòng)上段繞銷軸上翻，最終上段達(dá)到直立狀態(tài)。此時(shí)，上段前立柱需要與中上段前立柱重新連接，但此處連接點(diǎn)距離地面過(guò)高，人工安裝不便，因此在連接點(diǎn)設(shè)計(jì)一種銷軸自動(dòng)拆裝裝置，使此處的銷軸高位自動(dòng)拆裝。

在上段向后折疊時(shí)，上段中的鉆井繩組會(huì)隨著上段旋轉(zhuǎn)90°，最終搭在上段與中上段連接的橫梁上。將此連接處的兩根橫梁設(shè)計(jì)成圓管，減少鋼絲繩和橫梁的摩擦力，保護(hù)鋼絲繩組。

而且，上段折疊前后，鋼絲繩組會(huì)在井口中心線位置前后晃動(dòng)，上下輕微滑動(dòng)。游車在整個(gè)移運(yùn)過(guò)程中不拆卸，所以會(huì)隨著鋼絲繩組晃動(dòng)和移動(dòng)，因此需要將游車固定在井架低位，使其位置不會(huì)發(fā)生太大變化，以免和結(jié)構(gòu)體或其他設(shè)備發(fā)生磕碰而損壞設(shè)備。

1.3 工況分析

上段后折時(shí)，在鉆機(jī)整體移運(yùn)過(guò)程中重心后傾，因此需要對(duì)上段后折時(shí)新的移運(yùn)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。由于移運(yùn)過(guò)程中路面不可避免地存在坡度，因此需要在分析時(shí)考慮井架整體前后和左右的傾斜。

同時(shí)，由于增加了折疊功能，井架上段附近需要增加液壓缸、操作臺(tái)等額外設(shè)備，井架整體質(zhì)量必然增加，起升重力相應(yīng)增加。需要對(duì)井架起升工況重新計(jì)算和評(píng)估。

2 分析計(jì)算

2.1 折疊移運(yùn)工況

經(jīng)過(guò)綜合考慮，確定前后傾斜6°、左右傾斜4°來(lái)計(jì)算后折移運(yùn)工況。利用有限元軟件建模計(jì)算并按標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如圖2所示（僅顯示井架部分）。

圖2 井架上段折疊移運(yùn)工況

在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題要特別關(guān)注：1）井架上段及其設(shè)備后折后對(duì)液壓缸的壓力；2）上段中上段后立柱連接點(diǎn)的強(qiáng)度；3）鋼絲繩組作用在橫梁上產(chǎn)生的應(yīng)力。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以得到液壓缸承受的最大壓力，以此為液壓缸選型依據(jù)。

折彎后，上段與中上段后立柱連接點(diǎn)是主要承載部位，此處的強(qiáng)度需要單獨(dú)校核。

鋼絲繩作用的橫梁上的壓力由游車與頂驅(qū)的自身質(zhì)量產(chǎn)生，將此力施加在模型中，重點(diǎn)校核折彎后此處橫梁的強(qiáng)度。

2.2 起升工況

調(diào)整已有的井架模型，將新增的部件與設(shè)備添加進(jìn)模型中，重新進(jìn)行計(jì)算，如圖3所示。

圖3 井架起升工況

結(jié)合計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整部分結(jié)構(gòu)的規(guī)格，并增大起升設(shè)備的能力，使井架結(jié)構(gòu)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的強(qiáng)度和剛度，起升設(shè)備可以適應(yīng)更大的載荷，最終能保證井架順利起升。

2.3 液壓缸拉力

液壓缸所需拉力也可以通過(guò)仿真獲得，只需建立上段后折前液壓缸拉緊上段和其上設(shè)備的模型即可。通過(guò)計(jì)算得到液壓缸需要拉力為320 kN。結(jié)合之前得到的液壓缸最小推力，即可按參數(shù)選擇液壓缸。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 銷軸自動(dòng)拆裝

在上段與中上段前立柱連接部位安裝銷軸自動(dòng)拆裝裝置，用以上段折疊前后與中上段前立柱分開和重新連接。將液壓缸活塞連接銷軸尾部，缸體固定在井架中上段上，銷軸前端開導(dǎo)向錐度，銷孔也做導(dǎo)向處理，這樣可以通過(guò)液壓缸將銷軸推入或拉出銷孔，如圖4所示。

圖4 銷軸自動(dòng)拆卸

3.2 游車穩(wěn)定裝置

游車在鉆機(jī)移運(yùn)時(shí)放置在井架下段支撐架上。為防止游車晃動(dòng)，設(shè)計(jì)一套游車穩(wěn)定裝置。該裝置包括鋼絲繩、卸扣、固定耳板及限位塊。利用鋼絲繩將游車和頂驅(qū)固定在井架下段中間。安裝穩(wěn)定裝置可以減少游車的晃動(dòng)，提高鉆機(jī)移運(yùn)時(shí)的整體安全性，如圖5所示。

3.3 上段折疊裝置

折疊裝置負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)上段向后折疊90°達(dá)到水平，并重新上翻直立的動(dòng)作。

中上段安裝一個(gè)固定平臺(tái)，利用斜撐連接牢固。液壓缸的缸體連接在平臺(tái)遠(yuǎn)端，活塞連接在上段上。液壓缸伸長(zhǎng)和收縮時(shí)，帶動(dòng)上段繞與中上段的銷軸連接處翻轉(zhuǎn)。而小平臺(tái)不僅作為液壓缸伸縮的著力點(diǎn)，同時(shí)為人員安裝維護(hù)液壓缸提供操作空間，如圖6所示。

圖5 游車固定裝置

圖6 上段折疊裝置

4 試驗(yàn)和使用

后折井架制成后，在試驗(yàn)井場(chǎng)進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)，如臥倒時(shí)的后折試驗(yàn)，直立后折試驗(yàn)等。試驗(yàn)主要驗(yàn)證后折方案的可行性、井架結(jié)構(gòu)承載能力可靠性、折疊前后鉆井繩的伸縮量等。

經(jīng)過(guò)普通的起升試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)及以上新增的試驗(yàn)項(xiàng)目，證明這種后折井架的設(shè)計(jì)完全達(dá)到預(yù)期的效果，上段整體后折可行、可靠，降低了直立移運(yùn)高度。

該鉆機(jī)出廠后，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月在國(guó)外的使用，在鉆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中井架通過(guò)性大大加強(qiáng)，節(jié)省了大量人力物力，得到廣泛的好評(píng)。

5 結(jié)論

為了解決鉆機(jī)直立移運(yùn)限高過(guò)高的問(wèn)題，提出在移運(yùn)過(guò)程中將井架上段向后折疊的方案。經(jīng)過(guò)研究分析、設(shè)計(jì)制造及其生產(chǎn)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，證明這種后折井架安全可行，并且可以大大提高鉆機(jī)直立移運(yùn)的通過(guò)性，進(jìn)而在有運(yùn)輸限高的地區(qū)可以節(jié)省大量人力物力，是一種可靠實(shí)用的新型井架。