一种不压井修井机底座的参数化设计和有限元分析

摘要：不压井修井作业是一种产能效率高且对环境影响小的油气田作业方式，底座是不压井修井机的结构承载载体，其强度质量直接关系到设备和系统的安全。文章选用三维建模软件对底座进行参数化建模，在有限元分析软件中对加载后的模型进行有限元求解，求解得到的应力应变结果对底座的设计和制作具有理论参考意义。

关键词：不压井修井机；底座；参数化设计；有限元分析；结构承载载体 文献标识码：A

中图分类号：TE935 文章编号：1009-2374（2017）03-0156-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.070

不压井作业能降低对产层的污染，最大程度地保护和维持原始地层，并极大地提高产能，现已广泛应用于修井作业中。不压井修井机的应用有利于油气田的稳定生产和长期开发。底座作为不压井修井机的结构承载基础，用于支撑整个设备。底座的强度质量直接关系到设备的整体质量和安全，也影响油气田开发的效益，故安全、经济、合理的底座设计方法显得特别重要。本文通过三维建模软件对底座进行参数化建模，在有限元分析软件中模拟底座受载情况并进行有限元分析，求解得到应力和变形的结果，对底座的设计和生产提供一定的思路和依据。

1 参数化设计

参数化设计一直是机械行业系统设计所追求的目标，它可以极大地提高机械设计效率。参数化设计方法因其直观性、实用性、高效性等特点，现已广泛应用在各类机械行业中。

综合考虑油气田井场现场布置要求和不压井修井机性能参数等因数，确定出底座的结构形式和基本外形尺寸。采用基于尺寸驱动的参数化设计方法，通过建模软件里的“3D草图”功能绘制出底座的框架，框架参数化的“3D草图”如图1所示。框架“3D草图”中的每一个尺寸线可以看成是一个参数，尺寸线上的数字就相当于是参数名，尺寸线的方向代表了几何数据实体和参数间的关系。当底座的框架结构外形尺寸需要更改时，可调整对应的框架“3D草图”中的参数化尺寸，根据参数值对不压井修井机底座框架实体尺寸进行编辑修改后，框架结构外形尺寸便会随之得到相应的更新。

2 建立模型

确定框架所有尺寸后，根据设计要求从建模软件结构件库里选定制作底座相应的型材，并对底座中非结构承载部件（如梯子、护栏等）和零件加工工艺结构（如倒角、工艺槽、安装螺栓孔等）做简化处理，得到底座三维模型，如图2所示。转换建模软件中底座的三维模型格式，导入到有限元分析软件后，再对生成的模型进行修整（如设置各连接处的接触、约束等），更新后的新模型如图3所示。

3 计算前处理

结合设计要求的材料，在有限元分析软件中设置和赋予相对应的材料参数、材料性能和材料属性值（如材料的密度、泊松比、杨氏模量和屈服强度等），并对模型设置相应的分析单元和接触单元。由于在计算前处理时，主要根据计算的精度和计算机的运算速度来确定单元的大小，虽然单元越小（网格划分得越细），有限元分析计算的结果精度就越高，但相应的计算机运算的时间也就越久。在保证计算结果准确性的同时提高计算分析效率，根据结构件大小的不同，設置不同大小的网格划分单元，并对在应力集中的部位（如底座上部斜撑杆与上横梁的连接处）将网格划分得细一些，网格划分后模型的结点（nodes）数为674004个，单元（elements）数为343318个，如图4所示。根据底座工况条件，添加相应的约束，将底座底面固定，在底座上的支座处添加相应工况大小的载荷。

4 输出结果

前处理完毕后，设置需要查看的求解结果（如应力值、应变值等）。通过有限元分析软件自带的求解器求解，得到底座的应力云图如图5所示，底座的应变云图如图6所示。

由应力云图可明显看出，最大应力为145.54MPa，完全满足安全条件要求。底座上部斜撑杆与上横梁的连接部位应力最大，上下底座的斜撑杆处应力相对较大。由应变云图可明显看出，最大应变1.94mm发生在上底座的支座处，上底座的中部横梁的变形也相对较大，该结果与实际情况很吻合。为了避免底座应力过大或出现大变形的危险现象，在设计和制作底座时，需结合有限元分析结果，重点关注上下底座的斜撑杆、上底座的支座和上底座的横梁，且对底座的选型材料和焊接质量也应重点考虑。

5 结语

底座作为不压井修井机重要的金属钢结构承载载体，设备在作业过程中，底座的强度必须满足各类安全要求。在设计底座时，需根据相关工况条件重点考虑较大应力和较大应变的区域，本文通过对不压井修井机底座进行参数化建模和结构有限元分析，可获得靠谱的底座应力和变形等方面的信息，并为指导底座的安全设计和制作提供理论参考依据。

参考文献

[1] 谢永金，曹立明.新型不压井作业设备的研究[J].石

油机械，2007，35（9）.

[2] 王炜.不压井作业装置技术现状与应用分析[J].石油

机械，2014，42（10）.

作者简介：吴作为（1989-），男，供职于中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，硕士，研究方向：石油机械设计。

（责任编辑：秦逊玉）