四单根立柱超深井钻机井架起升

，，，，

(1. 油气钻井技术国家工程实验室，北京 102206； 2.中国石油集团 工程技术研究院有限公司，北京 102206； 3. 北京康布尔石油技术发展有限公司，北京 102206)①

ZJ90/6750DB-S型四单根立柱超深井钻机，采用4单根1立柱(37.5 m)进行钻井作业，减少起下钻时间，满足塔里木油田山前地区深井、超深井提高钻井作业速度及效率的需求。该型钻机的井架是国内最高、最重的K型井架。相对于常规9 000 m三单根立柱钻机，四单根立柱钻机井架高度增加了9.5 m，有效高度57.5 m，总高度达68 m；质量大、且整体重心上移。因而导致井架起升重力矩大，起升难度大。为解决井架起升难题，本文采用理论公式计算和有限元计算的双重方法对井架的起升载荷进行计算，以确保其准确性。在此基础上，利用有限元方法对井架起升强度进行仿真计算[1-7]，以使其强度满足API 4F规范[8]要求，确保井架起升安全。

1 井架起升载荷计算

1.1 井架结构及起升原理

四单根立柱钻机井架为前开口K型井架，主体分为6段，有效高度57.5 m，井架总高度68 m。游动系统采用7×8轮系，有效绳数为14，最大钩载6 750 kN。井架主要承载构件采用Q420E材料H型钢。井架上安装有四单根二层台、辅助油管台等。井架在近地面水平安装完成后，采用绞车动力，利用人字架将井架整体起升到垂直工作位置[9]。

井架起升载荷计算所考虑的载荷包括重力、起升载荷。其中，重力包括井架、天车、大钩、钢丝绳等自重；起升载荷包含快绳拉力、起升大绳拉力和大钩载荷。井架起升过程的每个位置都处于近似静力平衡状态，由此计算起升时快绳拉力[10]。另外，井架起升载荷随井架起升逐步减小，即当井架处于初始起升角度时，起升载荷最大。因此，以初始起升角的工况为最恶劣工况进行井架起升载荷计算。初始起升角为井架在即将起升前井架主体与水平面之间的夹角，其值为5°。井架起升的初始状态如图1所示。

1.2 理论公式法计算井架起升载荷

井架起升过程近似静力平衡，绞车牵引产生的起升力矩与重力所产生的重力矩大小相等。快绳拉力、起升大绳拉力以及大钩载荷之间相互关系式如(3)～(4)。

∑M重=∑M拉

(1)

G井L井+G游L游+G绳L绳+G天L天=P快L3+P起(L1+L2)

(2)

2P起cos(θ/2)=P钩

(3)

P钩=NP快

(4)

式中：∑M重为井架起升的重力矩总和，kN·m；∑M拉为快绳与起升大绳拉力的起升力矩总和，kN·m；P快为快绳拉力，kN；P起为起升大绳拉力，kN；P钩为大钩载荷，kN；N为钢丝绳有效绳数，取值14；θ为大钩处两起升大绳的夹角，井架起升初始时，θ为70°；G为各部件的重力，kN；L为各载荷相对于井架大腿支脚的力臂，m。

由井架和人字架的几何关系可以得到各载荷所对应的力臂数值；另外，L1=9.80 m，L2=11.00 m，L3=13.32 m。各部件的重力如表1。

表1 各部件重力载荷与力臂

经计算得：

∑M重=51 912 kN·m，P快=140.2 kN，P起=1 197.9 kN，P钩=1 962.6 kN。

1.3 有限元法计算井架起升载荷

井架采用Beam188梁单元进行有限元建模，共产生254个节点，479个单元(如图1)。支脚处(节点1和节点2)只释放x向旋转自由度；高支架支撑处(节点115和节点116)仅施加y向约束UY。

计算方法如下[10]：先赋给快绳拉力一个初始值进行试算，然后，判断支撑处节点115和节点116处y向的约束反力是否为0，如接近0，则赋予的初始值即为快绳拉力，否则，重新赋予快绳拉力新的数值，直至节点115和节点116处y向约束反力近似为0。待计算得到快绳拉力后，可换算起升大绳拉力和大钩载荷。

经计算得：P快=141.0 kN，P起=1 205.0 kN，P钩=1 974.0 kN。

通过对比发现，2种方法计算得到的起升载荷接近，相差小于0.6%。计算结果得到相互验证，保证了计算的精确性。

2 井架起升强度有限元仿真分析

为保证井架强度满足起升工况要求，满足API 4F规范的要求，对风载(风向为x向，风速为16.5 m/s)耦合下的井架起升强度进行有限元仿真计算，得到井架应力和变形状态，如图2～3所示。

图2 井架起升工况等效应力云图

图3 井架起升工况变形云图

从图2～3可以看出，起升时井架的最大等效应力产生在井架前侧大腿上。井架大腿是井架的主要承载结构，为更好地观察井架大腿整体的应力分布状态，图4给出了井架前侧一大腿上各单元的最大等效应力曲线，横坐标为井架大腿从下到上各单元的编号。井架大腿从下往上，等效应力整体上呈先增大，后减小的趋势，单元9～11区域等效应力最大，此区域为设计计算及实际起升中重点关注的区域。

图4 井架大腿单元最大等效应力曲线

井架大腿的设计安全系数应大于API 4F规定的1.67，大腿材料屈服强度为420 MPa，则许用应力为252 MPa。从图4中可以看出，井架大腿整体等效应力均小于252 MPa，最大值为222 MPa，满足规范要求。最大变形量为108 mm，井架总高度为68 m，相对变形量为0.16%，井架起升工况刚度可靠。

3 现场应用

钻机投入现场应用，进行井架起升作业，如图5所示。井架起升过程中，大钩载荷最大值出现在起升初始阶段，最大值为2 018.8 kN。如表2所示，大钩载荷的实际测量值与2种计算方法获得的数值非常接近，计算值相对于实际测量值的最大偏差为-2.8%。在井架起升过程中，对井架应力较大区域进行了实时监测，测得井架的最大应力为215 MPa，同样和有限元仿真计算结果接近。整个起升过程，井架各受力件无明显损伤变形。现场井架实现安全起升。

表2 大钩载荷实测值与计算值比较 kN

图5 四单根立柱钻机井架起升示意

4 结论

1) 理论公式法与有限元法计算得到的井架大钩载荷与现场实际测量值相近，计算值相对于实际测量值的最大偏差为-2.8%，2种计算方法获得的起升载荷准确可靠。

2) 井架实际起升过程中，监测到现场环境下，井架最大应力为215 MPa，与有限元计算得到井架大腿最大应力相近，小于井架的设计安全许用应力，井架强度满足起升工况要求。