轮拖式快速移运修井机底座的设计

□ 郝保川 □ 郝学文 □ 王 东 □ 蒋广玉

山东科瑞机械制造有限公司 山东东营 257067

1 设计背景

车载修井机具有搬家移运性能好、拆装简单方便、起升井架迅速、占地面积小等优点,广泛应用于石油钻探领域[1-4]。在修井机搬家移运过程中,井架、绞车、发动机、传动箱等大部件集成于底盘车上一起移运。底座需要拆解并吊装到运输车辆上进行移运,严重影响了搬家效率[5]。

笔者设计了一种轮拖式快速移运修井机底座,该底座在搬家过程中可直接与牵引车连接后进行移运,省去了拆解和吊装过程,显著提高了搬家移运效率,降低了生产成本。

轮拖式快速移运修井机底座在原有底座的基础上,设计增加升降轮胎和起升液压缸[6-7]。为了满足道路运输限宽的要求及搬家过程中过圆井的要求,对底座底层进行了优化设计。同时,在底座顶层不下放的情况下,能够实现高位运输,特别适合在中东、非洲空旷的沙漠地带中使用。

2 设计方案

轮拖式快速移运修井机底座结构如图1所示,由顶层、伸缩液压缸、底层、升降轮胎、起升液压缸、鹅颈、防喷器等部件组成。轮拖式快速移运修井机底座采用上下两节套装伸缩结构,顶层套装在底层上,由伸缩液压缸控制顶层伸缩,顶层伸出到位后与底层通过销轴连接。运输时,防喷器固定在鹅颈后方,随底座一同运输[8-9]。

▲图1 轮拖式快速移运修井机底座结构

在移运初始阶段,需要升降轮胎、起升液压缸同时作用,将轮拖式快速移运修井机底座整体顶升一定高度,再将牵引车与鹅颈连接。伸缩液压缸伸出时,顶层处于高位。伸缩液压缸缩回时,顶层处于低位。

升降轮胎结构如图2所示。轮胎安装在翻转支架上,折叠液压缸控制翻转支架翻转。当折叠液压缸伸出时,轮胎下降,将整个轮拖式快速移运修井机底座顶起。当折叠液压缸缩回时,轮胎上升,将底座下放。

▲图2 升降轮胎结构

轮拖式快速移运修井机底座底层如图3所示。在中东、非洲空旷的沙漠地带使用时,车辆限宽通常为7.5 m,因此使底座底层前中部变窄,同时将升降轮胎向中部移动,从而减小整体运输宽度。最终将整体移运宽度控制在6.7 m,从而满足道路限宽要求。

▲图3 轮拖式快速移运修井机底座底层

轮拖式快速移运修井机底座按图3所示箭头方向移运,升降轮胎位于坡道侧,移运过程中不存在轮胎过井口的情况,因此,该底座能够满足搬家过程中过圆井的要求。

轮拖式快速移运修井机底座的运输状态如图4所示。

▲图4 轮拖式快速移运修井机底座运输状态

底座移运分为高位移运和低位移运两种方式,使用时可根据井位情况、移运环境、时间成本等因素综合考虑选择合适的移运方式。将升降轮胎移至底座中部后,为保证底座移运平稳,需要根据设备质量加长底层,同时将防喷器置于鹅颈后方,运输时必须携带防喷器,或者增加配重。

3 有限元验证

在轮拖式快速移运修井机底座移运过程中,牵引车和鹅颈之间使用牵引销连接,在牵引车的作用下移运底座。在不同的路况下,底座会产生一定方向的倾斜,不同的倾斜方向对底座受力的影响不同。底座基于井眼中心线左右对称,左右倾斜的影响相同。在水平状态下,底座质心靠近升降轮胎位置,因此,升降轮胎承受的压力大于牵引车承受的压力。上坡时,底座质心后移,升降轮胎承受的压力增大。下坡时,底座质心前移,升降轮胎承受的压力减小。综合分析各个移运工况,当底座在上坡、高位移运、风载方向和左右倾斜方向相同时,受力最恶劣,以此工况建立有限元模型进行计算验证[10-12]。

轮拖式快速移运修井机底座有限元模型如图5所示,底座运输工况应力云图如图6所示。SAFI软件计算过程符合API SPEC 4F《钻井与修井结构》标准要求。SAFI软件提供强度极限状态值来判定构件的综合强度,该值为实际载荷与许用载荷的比值。若单元的强度极限状态值小于1.0,则认为该单元满足强度要求,反之则不满足。

▲图5 轮拖式快速移运修井机底座有限元模型

▲图6 轮拖式快速移运修井机底座运输工况应力云图

强度极限状态值前十位的单元列表见表1。根据SAFI软件计算结果,最大的强度极限状态值出现在254号单元司钻侧底层前立柱。最大强度极限状态值为0.52,小于1.0,从而验证底座满足API SPEC 4F标准要求。

表1 强度极限状态值前十位

4 结束语

笔者设计的轮拖式快速移运修井机底座具有快速移运的特点,在顶层不下放的情况下,能够实现整体直立运输,同时能够满足道路运输限宽要求和搬家过程中过圆井要求。运用SAFI软件对底座进行计算验证,结果表明设计安全可靠性符合API SPEC 4F要求。在中东、非洲空旷的沙漠地带中,轮拖式快速移运修井机底座具有推广应用价值。