0 引言
为了发展深水油气资源勘探开发技术与设备,解决制约我国深海油气勘探开发技术与装备开发瓶颈性问题,宝鸡石油机械有限责任公司承接了多个国家科技重大专项子课题,研究内容涉及钻柱升沉补偿装置、隔水管处理系统技术、动力猫道、铁钻工、自动井架工和柱式排管机等自动化管柱处理系统及二层台立根自动排放系统设备。与此同时,围绕国家油气资源战略对装备的需求,国家油气钻井装备工程技术研究中心计划开展多功能双井口钻井设备试验平台建设项目。该项目旨在对深水管柱处理设备和钻机关键设备等技术研究进行成果转化,实现自动化设备样机的调试和功能试验。这批重大装备自主研发、试验方法及装置的研究成功将会打破国外垄断。尤其是双井口试验台的研制, 可实现多种自动化关键设备功能及试验方法的验证。目前,我国尚无适用于深水管柱处理和柱式排管设备等深水钻机关键装备的专用试验装置。多功能双井口试验台的成功研制,将会很好地推动我国高端海洋工程装备和深水油气勘探开发技术服务的跨越式发展。
1 设计基础多功能双井口钻井设备试验台的设计主要取决于所试验设备的作业能力、作业方式、动作范围及安装要求等。管柱自动化处理系统形式多样[1],参与设备多。深水关键设备承载复杂。试验台设计需在满足设备整体布局、自动化设备作业流程及安装空间的前提下,尽量做到布局合理、操作方便、空间适宜且设备配合流畅,同时在设计中满足如下基本要求:① 同时满足2套海洋或陆地管柱自动化处理系统[2]单元设备测试需求。② 提供管柱处理设备安装位置与动作空间,完成设备的安装试验、载荷试验和动作试验。③ 可实现管柱自动化多种设备进行联合系统调试试验。④ 满足升沉补偿装置[3]和隔水管张紧器等深水关键装备安装试验要求。图 1为试验台架设备的布局图[4-7]。
2 主要技术参数
试验台面积:2 390 m2;
试验台架尺寸(长×宽×高):24.0 m×13.7 m×39.0 m;
井架有效高度(至钻台面):36.5 m;
试验台面有效高度:1.35 m;
二层台安装高度:17.5/22.0/26.5 m;
井架顶部开裆(正面/侧面):12.0×2 m/13.7 m;
天车最大提升载荷:250 kN;
液压系统模块压力:28 MPa;
液压系统模块流量:800 L/min;
液压系统模块功率:290 kW;
供电电源:1 000 kVA;
低频信号测试分析系统:120通道;
动态信号测试分析系统:32通道;
空气系统压力:0.7~0.8 MPa;
供水压力:0.3~0.5 MPa;
抓管机基础抗倾覆力矩:≥15 000 kN·m。
3 技术分析 3.1 井架系统试验台架整体布局要求管柱自动化处理各设备能够安装调试而且管柱在架体区域能自由穿行,且2套设备同时试验并进行联调。这要求在井架结构设计中充分考虑各设备在不同高度及区位试验时对管柱连动作业的可行性。井架主体结构设计采用双联结构,即双井架背靠背结构,井架是一个横截面为矩形的可拆卸、栓装钢结构。前、后侧V形开口,立柱和横杆、斜杆经高强度螺栓连接成一个整体。双联侧为门形大跨距通道,侧面由上、下4段焊接单片销轴连接。管柱可由V形门侧通过自动猫道机或鹰爪机进入井架内,同时可在门形通道侧由二层台自动井架工抓取钻柱在井架体内、外自由穿行。试验台井架结构方案见图 2。
井架体是试验台架的重要组成部分,用于安放天车、排管设备和二层台等起升设备与传送工具,承受吊装、设备调试及其他作业产生的载荷,提供安装设备及存放管柱操作的高度与空间。
3.2 模拟台面总成试验台台面结构方案见图 3。试验台面用于安放铁钻工和柱式排管系统滑轨等抓持、传送设备,同时连接井架支脚,提供台面操作的空间。按功能可分为立根区、井口区、升沉补偿滑轮安装区和井架支脚安装区。平台上设计12个支座与井架支脚连接,井口区预设了4个模拟动力鼠洞及2个模拟井口,最大限度地降低了试验台井架体的设计高度。模拟鼠洞口由4根预埋的Ø1 220 mm钢管组成,深度14.0 m。模拟井口由2根预埋的Ø377 mm钢管组成,深度9.8 m。
试验台面设计高度1.35 m,采用模块化设计,满足试验台的搬家要求,同时极大地简化了安装过程。试验台可承受升沉补偿试验时5 500 kN向上的提升载荷, 在无地面锚接前提下,钻台面可满足强度及变形要求,同时节约地基成本。
3.3 天车区滑轨设计为了使钻柱能在试验台双井口区位交叉作业,在井架体上端栓接了长24.0 m、跨度13.7 m的平移滑轨,满足1台桁吊天车双井口移动使用要求。
由于此井架安装桥式排管机等设备的特殊性,井架体上部不能像常规海洋井架上部做成瓶颈式结构,所以桁吊天车作业时,要求井架体刚度在一定范围内,从而保证双滑轨的平行度以及平面度。天车滑轨做成不规则变截面结构,配合升沉补偿试验承载横梁及提升系统,模拟海浪作用下的升沉运动平台。天车滑轨与井架体之间采用5节点高强度螺栓连接。天车区方案见图 4。
3.4 驱动系统
驱动系统为试验设备提供液压动力,分为手动和自动控制。液压站动力源为轴向柱塞变量泵,泵为恒功率负载传感变量控制,数量3台;驱动电机为4级(1 480 r/min)、90 kW,数量3台,防护等级IP55。泵可以单独工作,也可以同时工作。配电系统满足单台工作,2台同时工作,也可以满足3台同时工作。
3.5 结构特点(1) 井架体采用双井口设计,左、右井架对称,即2个模拟井口设计。增加了待试产品的安装容量,可同时安装16种不同设备,并实现了2套钻杆传送系统试验同时进行,且满足各设备在两侧交叉试验,互不干扰。
(2) 井架体V形大门侧采用单杆螺栓连接,侧面采用焊接片架式结构整体螺栓连接。这种节点连接结合整体焊接连接形式,既满足塔形井架单件连接特点,同时又可实现井架单片快速安装。
(3) 底座采用分块对称设计,实现了功能分区明确,安装、吊移方便易行。将钻台面设计到低位,同时预设模拟洞口及井口,极大地降低了试验台的总体设计高度,便于待试设备的安装与调试。
(4) 在进行升沉补偿系统试验时,底座承受5 500 kN向上的提升载荷。与此同时,其与地面并没有采用常规的锚接形式,而是利用底座自身大梁1.35 m的设计层高,提高抗弯能力并利用力的传导原理,在井口区设计连接架来克服上拔载荷。
(5) 天车采用13.7 m大跨距设计,超长桁吊轨道需要严格控制轨道的平面度和井架体变形量。双井口配备1套25 t天车,作为试验台游吊系统的起吊下放动力,解决了钻柱的起吊问题。此桁吊天车可做横、纵向移动,实现试验台全区域覆盖。
4 优化及验证 4.1 有限元计算试验装置设计环境与常规钻机有很大的差别,尤其要考虑试验设备的安装、动作及互相配合的需求。针对此试验装置的具体设计,笔者利用有限元分析软件ANSYS建立试验台有限元模型,考虑到井位的分布和试验设备联调情况,对试验装置在试验过程中承受的各种可能的载荷工况进行组合,分析计算结果[8],对试验台结构设计及承载能力进行验证、调整和优化。
根据井架体设计的基本参数及有限元各工况分析计算结果(各节点位移、各杆件轴向应力及各杆件弯矩应力),对井架结构及型材选取进行优化。从各工况井架模型静力作用下的应力分布,得出以下结论。
(1) 由于各工况的载荷组合不同,即设备加载位置不同,并不能从单一工况中确定井架型材。
(2) 从应力云图来看,安装设备所在周边区域组合应力相对较大。例如二层台和桥吊设备。
(3) 根据应力的分布趋势及对各项应力大小的比较, 可以优选质量轻、受力好的截面。
(4) 根据节点位移和变形结果,需要调整截面提高强度并控制变形量:① 在二层台处更改横撑连接截面,提高横梁抗扭能力;② 加高桥式排管机横梁的高度,提高其抗弯能力;③ 对于部分所受轴向应力较大的双角钢斜撑,更改截面为工字钢。
经计算,在现阶段12种设备的10种工况组合中,井架在管柱处理试验时,进行桥式排管试验与外部二层台自动井架工组合、风速16 m/s时的受力最为恶劣,最大应力发生在高度30.5 m处横梁885号单元,即发生在桥吊设备连接点下端斜撑处。最大应力值为200 MPa。井架应力云图如图 5所示。另外, UC最大值也发生在该工况下, 为0.98。其他工况下的应力值及UC值均小于AISC规定的允许值。
当试验底座在升沉补偿试验工况时,底座应力最大值位于井口区域,其最大应力值为199 MPa,如图 6所示。其他工况下的底座应力均小于该工况。
4.2 手工计算
此架体结构选择螺栓连接式。根据AISC规范要求[9],需从螺栓剪切扭转、螺栓对连接材料的承压、梁腹板的撕裂(块状剪切)、连接角钢或连接净面积上的剪切及局部弯曲应力几方面来确定梁的架构连接的容许承载能力,并确定螺栓的数目。
笔者以有限元节点计算为依据,筛选猫道连接架、桥吊横梁端和V形结构顶端等受力较大端部进行螺栓强度校核,以确定螺栓规格及数量。
5 试验情况截至2016年5月,在多功能双井口钻井设备试验台上已完成了深水钻机管住处理系统关键设备二层台自动井架工试验、深水钻机关键装备DC120/180-Y型升沉补偿装置试验以及HD850-12YZF1抓管吊机的组装试验,隔水管张紧器、水平动力猫道和适用于Ø73.0~Ø247.7 mm钻具的伸臂式铁钻工也已经完成方案设计,将在试验台上安装调试。目前部分装备试验的安装调试成功,验证了多功能双井口钻井设备试验装置的刚度和稳定性,经过实际试验使用,多功能试验台各系统运行稳定,达到预期的设计目标。
6 结论(1) 多功能双井口钻井设备试验台满足16种待试设备的空间、承载力和功能验证要求,试验设备布局合理、操作方便。
(2) 研制的多功能试验台底座采用低位设计,降低了试验台的设计高度。井架采用双联结构,满足同时进行2套管柱处理系统安装及动作试验要求。配套大跨度桁吊天车,可实现区域全覆盖。
(3) 根据分析计算结果进行结构优化,此试验装置的安全可靠性得到了大幅提升,强度、刚度及稳定性均满足使用要求。
(4) 多功能双井口试验台是国内首台专门为管柱自动化处理设备和深水关键设备而建造的试验台。部分研发装备的试验成功,验证了试验台设计的合理性。该试验台还可用于其他设备试验,适用功能还具有很大的扩展空间。
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