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四单根立柱超深井钻机井架液压辅助起升机理
左卫东1,2, 方太安1,3, 周志雄3, 吴昌亮2, 武思佳2     
1. 北京康布尔石油技术发展有限公司;
2. 油气钻井技术国家工程实验室;
3. 中国石油集团工程技术研究院有限公司
摘要: ZJ90/6750DB-S四单根立柱超深井钻机的井架是国内最高的K型井架,超高重载特性使得其起升难度非常大;同时钻机的自动化升级改造,配套多套自动化装备,进一步增加了井架的重力、起升重力矩和难度。为更好地解决四单根立柱钻机井架起升难题,利用有限元方法开展了井架起升载荷及井架起升强度计算分析,在不改变井架主体结构尺寸的前提下,提出了通过增大初始起升角度来降低井架最大起升载荷的方案,并成功研制了液压高支架以辅助井架起升。现场应用情况表明:液压高支架辅助井架起升安全可靠,解决了升级后四单根立柱钻机重载超高井架的安全起升难题。研究结果为超高重载井架的起升作业提供了重要的理论和实践支撑。
关键词: 超深井钻机     四单根立柱     井架起升     有限元方法     液压高支架    
Mechanism of Hydraulic Assisted Lifting for Quadruple-joints Stand Ultra-deep Drilling Rig Derrick
Zuo Weidong1,2, Fang Tai'an1,3, Zhou Zhixiong3, Wu Changliang2, Wu Sijia2     
1. Beijing KEMBL Petroleum Technology Development Co., Ltd.;
2. Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory;
3. CNPC Engineering Technology R & D Company Limited
Abstract: The derrick of the ZJ90/6750DB-S quadruple-joints stand ultra-deep well drilling rig is the highest K-shaped derrick in China. The ultra-high heavy duty derrick makes it very challenging to lift. The automation upgrade of the drilling rig and multiple sets of supporting automation equipment further increase the derrick's gravity and lifting gravitational torque, resulting in a more challenging lifting operation. To address the derrick lifting challenge of quadruple-joints stand drilling rig, the derrick lifting load and the derrick lifting strength were calculated and analyzed using the finite element method. Without the need of increasing the dimension of the derrick main structure, increasing initial lifting angle to reduce the maximum lifting load was proposed. A hydraulic high support was successfully developed to assist the derrick lifting. The field application shows that the lifting of the derrick assisted by the hydraulic high support is safe and reliable, and addresses the challenge of safe lifting of the upgraded quadruple-joints stand heavy-duty ultra-high derrick. The study results provide an important theoretical and practical support for the lifting operation of the ultra-high heavy duty derrick.
Key words: ultra-deep well drilling rig    quadruple-joints stand    derrick lifting    finite element method    hydraulic high support    

0 引言

ZJ90/6750DB-S四单根立柱超深井钻机的研制,有效地解决了塔里木油田山前地区深井、超深复杂井钻井作业提速提效难题。该钻机采用了4单根1立柱(37.5 m)进行钻井作业,首创了四单根立柱钻井工艺。该型钻机的井架是国内K型井架中最高、最重的井架。与常规9 000 m三单根立柱钻机相比,四单根立柱钻机井架结构上具有以下特点:①井架高度高,增加了9.5 m,有效高度达57.5 m,总高度68.0 m;②质量大,且重心上移,由此造成起升重力矩大,起升难度大。钻机在投入现场试验后,为了满足其自动化和智能化改造的需求,又配套了自动化施工工具,增加了井架的重力。前期钻机设计时未考虑配套自动化施工工具后对井架起升负载的影响。因此,亟需对新工况下的井架起升载荷和起升强度进行计算分析,在不改变现场井架主要结构尺寸的原则下,确定超长、超重井架起升作业方案,以确保井架安全起升。

1 井架结构及有限元建模

ZJ90/6750DB-S四单根钻机井架为前开口K型井架,主体分为6段,井架有效高度57.5 m,提升游动系统为7×8轮系,有效绳系为14根,最大钩载6 750 kN,井架主要承载构件采用Q420E材料H型钢。整个井架在接近地面水平安装,井架上安装有四单根二层台和辅助油管台;配套自动化施工工具后,井架增加二层台机械手和三单根二层台等。安装完成后,采用绞车起升井架[1]

井架主要采用Beam188梁单元进行有限元建模,共产生254个节点,479个单元,有限元分析模型如图 1所示。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3和节点4,仅施加Y向约束。

图 1 有限元分析模型 Fig.1 Finite element analysis model

结合API Spec 4F规范[2]要求,井架起升工况设计载荷包括重力、起升载荷和风载,如表 1所示。其中自重载荷包括井架、天车、大钩和钢丝绳等的重力,由于机械手和三单根二层台是在钻机自动化工具配套时新增加的重力部件,所以建模时将其重力分配在井架相应的节点上。起升载荷的计算见后文。

表 1 井架起升设计载荷 Table 1 Design loads for derrick lifting
自重/% 起升载荷/% 风载/% 风速/(m·s-1) 风向
100 100 100 16.5 X

2 井架起升载荷及强度计算分析 2.1 井架起升载荷计算

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[3]。在有限元软件中先给定快绳拉力一个经验值进行试算,计算完成后,查看支撑处节点3和节点4处Y向的约束反力是否为0,如果近似为0,则此时的拉力数值即是快绳拉力,否则,重新设定快绳拉力值,直到节点3和节点4处Y向约束反力近似为0。计算得到快绳拉力后,可换算起升大绳载荷和起升钩载。

井架起升载荷随井架起升逐步减小[1],即初始角度时,起升载荷最大。因此,以初始起升角工况为最恶劣工况进行井架起升载荷计算及仿真分析,分别计算和对比自动化工具配套前、后的起升载荷和井架强度。以配套前的起升为工况①,以配套后的起升为工况②。井架初始起升角度为5°,此时,井架水平安装采用高8 m的常规钻机起升用高支架。表 2所示为计算得到的起升载荷。

表 2 不同工况下的起升载荷 Table 2 Lifting loads under different working conditions
工况 初始角度/(°) 快绳拉力/kN 起升大绳载荷/kN 起升钩载/kN
5 141 1 205 1 974
5 149 1 274 2 087

2.2 井架起升强度有限元仿真分析

在获得井架起升载荷的基础上,对井架进行起升强度有限元仿真计算分析[4-7],以获得井架在工况①和工况②的等效应力和最大变形量,并进一步计算得到UC[8-10]。AISC335钢结构设计规范采用UC值评价构件单元的综合强度性能,设计时要求满足UC≤1。

以等效应力、变形量与UC值共同来评价井架起升安全性,并要求以上指标均能满足API和AISC规范要求,计算结果见图 2~图 5表 3

图 2 工况①等效应力图 Fig.2 Equivalent stress diagram of working condition 1

图 3 工况①变形图 Fig.3 Deformation diagram of working condition 1

图 4 工况②等效应力图 Fig.4 Equivalent stress diagram of working condition 2

图 5 井架大腿单元最大等效应力图 Fig.5 Maximum equivalent stress diagram of derrick leg

表 3 计算结果 Table 3 Calculation results
工况 初始角度/(°) 最大等效应力/MPa 最大变形量/mm 最大UC
5 222 109 0.952 5
5 235 113 1.032 3

图 2图 4可以看出,起升时井架前侧大腿的等效应力最大。井架大腿是井架承载的主要结构,为更好地观察井架整体的应力分布状态,图 5给出了井架前侧一条大腿最大等效应力曲线,横坐标为井架大腿从下到上各单元的编号。从图 5可以看出,工况②井架大腿的等效应力较工况①大,这是因为工况②下起升载荷大。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,起升工况下单元9~11区域等效应力最大。因此,分析过程中选取这3个单元中最大的等效应力和最大UC值作为评价指标。

工况①下,起升时井架的最大等效应力为222 MPa。井架大腿材料屈服强度为420 MPa,计算安全系数为1.89,大于API 4F规定的1.67,满足要求。该工况下的最大UC值为0.946,也满足要求。现场应用情况表明此工况下井架的起升和下放安全可靠。

相比于工况①,工况②下井架的最大等效应力和UC值都有所增大。最大等效应力为235 MPa,安全系数为1.79,满足要求。但最大UC值大于1,不满足设计要求。因此,在钻机配套了自动化工具后,井架的起升如仍采用常规高支架起升方式进行起升,则井架安全性大大降低。

2.3 井架起升新方案

为了确保超高重载井架在配套自动化工具后能够安全起升,基于起升载荷随起升逐步减小的观点,同时在不改变现场井架主要结构尺寸的前提下,提出通过增加高支架高度的方法来提高井架初始起升角度,以降低初始起升载荷,最终达到设计计算要求。

高支架从高度8 m开始,高度逐步增加到12 m,每步增高1 m,初始起升角度也逐步增加。高支架高度8、9、10、11和12 m分别对应的初始起升角度为5.0°、6.2°、7.3°、8.5°和9.6°.

井架起升载荷和强度计算结果分别如图 6图 7所示。由图可以看出,随着高支架的高度逐步增加,起升载荷逐步降低,最大等效应力以及最大UC值也逐步降低;当高支架高度达到12 m时,最大UC值小于1,达到设计要求。因此,确定新高支架设计高度为12 m。

图 6 井架起升载荷计算结果 Fig.6 Calculation results of derrick lifting loads

图 7 井架起升强度计算结果 Fig.7 Calculation results of derrick lifting strength

此外,考虑到现场井架安装的实际情况,如果高支架高度固定为12 m,则将增加井架在接近地面低位安装的难度。因此,研制了一种液压高支架取代现有的8 m高支架,以辅助井架起升。其高度在8~12 m范围可调(通过支架两侧的液压缸同步调节)。液压高支架如图 8所示。

图 8 液压高支架 Fig.8 Hydraulic high support

采用液压高支架作业时,井架的起升和下放方法如下:井架接近地面低位安装时,液压高支架处于初始高度8 m,与现有高支架相同,安装不受影响;当井架安装完成后,在绞车起升井架前,采用液压高支架向上举升井架,举升后液压高支架的高度为12 m,此时井架的初始起升角度从5.0°增大到9.6°。液压高支架举升完成后,再依靠绞车动力起升井架。下放井架时,先通过绞车动力将井架下放到12 m高的液压高支架上,然后液压高支架缓缓下降到8 m的高度。

3 现场应用

井架水平低位安装后,采用液压高支架将井架缓缓升起,液压高支架高度从8 m增加到12 m,如图 9所示。然后,依靠绞车起升井架。井架起升过程中,对井架危险区域的应力状态进行了实时监测,测得井架的最大应力单元区的应力为225 MPa,这和计算结果相近。

图 9 液压高支架辅助井架起升 Fig.9 Derrick lifting assisted by hydraulic high support

起升过程中,各受力件无明显变形损伤。液压高支架辅助井架起升方法在现场的成功应用,确保了超高井架起升的安全性,解决了重载K型超高井架的起升作业难题。

4 结论

(1) 钻机配套自动化施工工具后,如井架仍按照配套前的方式起升,则井架UC值不满足设计要求,井架起升安全性得不到保证。

(2) 在不改变现场井架主体结构的前提下,井架初始起升角度从5.0°增加到9.6°,则计算最大等效应力与最大UC值均满足设计要求。研制的液压高支架在高度8~12 m范围可调,取代了现有的8 m高支架,实现了井架初始起升角度的调整。

(3) 液压高支架成功实现了井架的辅助起升,并监测到现场环境下井架起升危险区域最大应力为225 MPa,这和计算结果相近,井架起升安全。液压高支架方案解决了超长、超重井架的安全起升难题,为超高重载井架的起升作业提供了重要的理论和实践支撑。

参考文献
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文章信息

左卫东, 方太安, 周志雄, 吴昌亮, 武思佳
Zuo Weidong, Fang Tai'an, Zhou Zhixiong, Wu Changliang, Wu Sijia
四单根立柱超深井钻机井架液压辅助起升机理
Mechanism of Hydraulic Assisted Lifting for Quadruple-joints Stand Ultra-deep Drilling Rig Derrick
石油机械, 2018, 46(8): 1-5
China Petroleum Machinery, 2018, 46(8): 1-5.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.08.001

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收稿日期: 2018-03-14

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