5000 m地质岩心钻机卡钻工况下瞬态动力学仿真

韩菲，黄洪波，王玉丹，雷康，贺鑫，吴海泉，程斯一，姚邹，文国军

(1.中国地质装备集团有限公司，北京 100016；2.中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，武汉 430074；3.湖北省智能地质装备工程技术研究中心，武汉 430074)

0 引言

我国矿产资源比较丰富，浅层矿和地表矿产等资源随着矿产资源勘查力度的不断加强在日益减少，探矿的难度也在不断增大[1]。目前地质岩心勘探正朝着大深度、复杂地层勘探迈进。突破复杂地层的技术限制，完成更大深度的寻找矿藏工作是我国能源可持续发展的重要战略[2]。大深度地质岩心钻探技术是矿产勘查的重要手段，而钻机井架是钻探作业中的必备装置，用于安放天车等设备与工具，提供起下钻空间，属于塔式钢架结构。钻机井架长期受到交变载荷与振动等的影响，容易发生变形、疲劳等形式的损坏，分析井架在受到各类载荷下的动力学特性具有重要意义。

随着有限元相关理论及应用的扩展，基于有限元分析的井架动态特性的研究亦被推进。任国友等利用ANSYS有限元分析软件对K型井架进行了动力学分析，通过结果比对，建立了井架的动力学评判标准[3]。付春艳等通过有限元方法分析了井架不同工况下的瞬态特性，且讨论了井架起放过程的加速度变化趋势和危险点[4]。王树忠等为研究井架和钻探设备的振动干扰问题，对井架和底座进行了模态分析和谐响应分析，结果显示在井架的低阶自振频率(前四阶)时容易与钻探设备发生共振[5]。本文对地质岩心钻机井架卡钻工况载荷下进行了瞬态动力学分析，即井架在卡钻情况下的瞬态动力学响应，并通过仿真分析得出了井架在这种特殊工况下的危险点。

1 深孔地质岩心钻探井架的结构特点

钻机井架属于细长钢架结构，在外部载荷或者惯性力的作用下，井架顶端的水平位移比较大，晃动比较剧烈，从而引起整个井架的振动。当钻探深度增加时，钻机需要配备更长的钻具，井架的有效尺寸会明显的增大，井架的振动会更容易发生。因此，深孔地质岩心钻探井架需要在满足大尺寸的同时，还要保证井架具有良好的强度、刚性和稳定性。

深孔地质岩心钻探中，井架通常设计为K型井架。K型井架是一种前开口的、多段拼接的钢架结构[6]。一般分为4～6段，运输时拆分成单个井架段，可在地面低位根据要求进行拆卸、组装，在下放过程中一般进行整体吊放。K型井架的整体是一个焊接钢架结构，具有整体刚性好的优点。

2 卡钻工况下井架的载荷分析

深孔地质岩心钻探过程中，由于地层条件比较复杂，钻头遇到岩石缝等情况时会发生卡钻事故。卡钻事故发生后，钻具的轴压力和扭矩将达到最大值，同时反作用力会对井架产生同样大的冲击。根据能量守恒原则，突然发生卡钻时动能完全转化为势能，会对井架产生明显的冲击作用。可以根据式(1)和式(2)确定相应的轴压力F1与回转扭矩T1[7]：

(1)

(2)

式中：F0为钻机额定轴压力，取值F0=530 kN；T0为钻机额定转矩，取值T0=14 kN·m；k1和k2分别是系统的刚度系数和扭转刚度系数，根据参考文献[8]，取值k1=3.1×109N·m，k2=8.6×103N·m·rad-1；m0为顶驱动力头与钻具质量和，取值m0=16 736 kg；J为转动惯量，根据实际钻杆的规格计算可得J=127 kg·m2；v为最大额定钻进速度，取值v=0.42 m/min(即0.007 m/s)；ω为钻头的回转速度，ω=170 r/min(即17.69 rad/s)。

通过式(1)和式(2)可计算得到最大轴压力和最大转矩分别为：F1=580 kN，T1=32.5 kN·m。钻具的轴压力和最大转矩会反作用于井架，做井架的动力学仿真时将卡钻时的最大轴向力F1和最大转矩T1加载到钻架的顶端四个节点上进行模拟。

3 井架的瞬态动力学仿真分析

3.1 井架的仿真模型

K型井架是一个以梁和杆为主的空间钢架结构，结构较为复杂，为了减少仿真计算的工作量，在不影响仿真结果的前提下，对井架提出如下假设，并对其模型进行简化：①忽略井架上为安全施工而人为设置的附属结构，将质量点添加在井架的相应节点上，本文只研究井架结构的应力和应变；②为了便于分析，认定井架的梁与杆为刚性固连，井架各段之间采用铰接固定[9]；③井架底部和底座之间采用全约束。

在ANSYS Workbench的DM模块中设置好尺寸，绘制空间草图连成线体，设置合理的截面形状和尺寸参数，完成井架有限元模型的建立，见图1。

图1 井架有限元模型Fig.1 Finite element model of derrick

井架的材料设定为Q345，根据Newmark方法估算出求解时间步为0.0059 s[10]。相关的井架参数及仿真参数的设置见表1和表2。

表1 井架的材料参数Tab.1 Material parameters of derrick

表2 求解参数设定Tab.2 Setting of solution parameter

3.2 仿真载荷设置

图2 卡钻时井架载荷步设置Fig.2 Setting of derrick load step during sticking

卡钻载荷通过钻具和钢丝绳传递给井架，力作用在井架顶端的节点上。本文主要研究井架在正常钻进时突然卡钻的瞬态特性，卡钻事故的载荷步设置如图2所示。第一载荷步是钻机启动状态，时刻为0～1.0 s，轴压力和转矩从零逐渐增大，1.0 s达到正常钻进载荷值，此时的轴压力为530 kN，转矩为14 kN·m。第二个载荷步是钻机稳定运行状态，1.0～2.0 s轴压力和转矩保持不变。第三个载荷步是突发卡钻状态，时刻为2.0～2.1 s，轴压力突增至580 kN，转矩突增至32.5 kN·m。第四载荷步是卡钻后瞬态力的维持阶段，时刻2.1～10.0 s，轴压力和转矩保持在卡钻状态下。

3.3 卡钻情况下的井架瞬态动力学分析

一般情况下，井架受到瞬态载荷时顶端振动幅度较大，因此本文仅对井架顶端节点进行了位移和速度响应分析。图3是卡钻情况下，井架顶端在不同方向的瞬态位置响应曲线和速度响应曲线。

图3 卡钻情况下井架的瞬态响应Fig.3 Transient response of derrick under sticking

由图3可以得出，井架z向(立柱轴向)和y向(侧向)振动的幅度都比较小，因此可忽略这两个方向的位移响应。井架x向(前开口方向)的振动幅度比较大，时间t≈2.7 s时最大位移量为34.9 mm，位移为负。由此说明：在整个振动过程中，井架表现为向后倾倒，人字架弯曲受力，振型表现为后倾变形，井架整体挤压人字架，导致人字架出现弯曲变形。时间t≈2.3 s时，井架顶端的速度达到最大值为92.8 mm/s，此时振动速度较快；时间t≈3.0 s后井架的位移和速度响应在阻尼的作用下逐渐变小归为稳态。

4 结论

本文主要对地质岩心钻机井架在卡钻工况下的载荷进行了分析，并通过ANSYS对井架的瞬态动力学进行了仿真分析，可以得出结论：在卡钻工况下，井架有向后倾的趋势，人字架容易弯曲是主要危险点，随着时间推移，整个井架的位移和速度在阻尼的作用下逐渐变小归为稳态。