1 总体方案
井架模块采用2节套装伸缩结构，上段为K形框架，下段为П形框架，上段套在下段内，钻井时上段伸出，搬家时上段缩回，井架放倒移运如图 1所示。
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| 图 1 天车、井架、底座、游吊及顶驱组合体整体轮式拖挂移运图 Fig.1 Integral wheeled trailer moving diagram of the crown block, derrick, substructure, travelling and hoisting system and top drive 1—主载车；2—天车；3—牵引装置；4—搭扣；5—井架；6—前撑杆；7—支撑三角架；8—底座。 |
井架在整体移运过程中前端连接天车，后端连接底座。底座为模块化车桥轮式结构，前撑杆连接井架与底座，将井架和底座连成稳定三角形。井架上段缩回后与下段之间通过搭扣连为一个整体。牵引装置连接上段与天车，牵引装置上的牵引销与拖挂车牵引座相连。在下放井架之前，顶驱导轨滑架固定在井架下段的顶驱导轨上，游吊及顶驱的组合体和快绳均不需拆装，二层台也无需折叠，前撑杆在钻井与运输过程中无需拆装。对于井架运输时尺寸受限的路况，为了获得良好的通过性和较快的移运速度，可拆除天车、前撑杆、游吊、顶驱组合体、游绳、二层台及底座等部件，将井架单独运输搬家，到达目的地后再安装相关构件。
2 技术分析 2.1 井架整体快移模块井架整体移运前，只需将竖直井架的上段缩回到下段内即可，如图 2所示。连接好上、下段之间的搭扣，固定好顶驱导轨滑架与下段顶驱导轨上的限位销，下放井架，连接前撑杆上端与滑移导轨上端耳板之间的销轴，使牵引装置的牵引销与主载车的拖座相连接，通过主载车动力即可整体快移天车、井架、底座、游吊、顶驱组合体、游绳及钻台面设备等。
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| 图 2 井架上段缩回状态图 Fig.2 Retraction state of the upper derrick section |
2.1.1 结构
井架主体结构由上段、下段、顶驱导轨、滑移导轨、牵引装置、前撑杆、二层台和支撑三角架等组成，如图 3所示。顶驱导轨焊在上、下段的前立柱内侧，上段顶驱导轨与下段顶驱导轨相互错开，下段2个前立柱前侧焊有起放井架时前撑杆所需的滑移导轨，滑移导轨采用双槽钢对扣结构，如图 3中的B放大。下段顶驱导轨两侧各有2个顶驱导轨滑架的限位销孔。上段下端两侧各有2个半圆销孔座，下端还焊有2个导向滑轮，用来引导伸缩大绳伸缩上段。伸缩大绳一端通过销轴连在下段上端，穿过导向滑轮后另一端通过挂环连在顶驱上，伸缩大绳在上、下段套合在一起后低位就可以穿上。下段上部两侧各有2个锁紧气缸孔，可安装锁紧气缸，当上段伸出时，上段下端的横撑杆下端2个半圆销孔座越过锁紧气缸后，锁紧气缸推动销轴伸出，上段可落在销轴上。在井架下段滑移导轨两端分别有上端耳板和下端耳板，在上端耳板和下端耳板位置均有销轴安装台。
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| 图 3 井架钻井工作状态图 Fig.3 Working state of derrick 1—天车；2—牵引装置；3—上段；4—锁紧气缸；5—半圆销座；6—上端耳板；7—下段；8—滑移导轨；9—下端耳板；10—前撑杆；11—起升油缸；12—支撑三角架; 13—底座; 14—顶驱导轨；15—顶驱导轨滑架；16—伸缩大绳；17—导向滑轮。 |
2.1.2 主要技术参数
最大钩载 (5×6轮系)2 250 kN，井架有效高度 (钻台面至天车梁底面)43.0 m，井架顶部开裆 (正面/侧面)2.00 m/2.13 m，井架底部开裆 (正面/侧面)4.00 m，二层台高度 (至钻台面)25.5、26.5 m。
2.1.3 技术特点(1) 游吊及顶驱组合体限位简洁。充分利用顶驱所带的导轨滑架，避免了以往每次搬家需用吊车拆装2个顶驱固定连接梁，此种限位无需吊车，缩短了拆装时间，减轻了工人的劳动强度。
(2) 前撑杆在井架下放时自动滑移无需拆装。
前撑杆上端安装在下段的滑移导轨内，可以方便进行起升及下放井架，无需高位安装前撑杆也无需每次搬家拆装，降低了安装难度及工作量，省去了吊车费用。
(3) 牵引装置设置在天车与井架上段上端之间，井架钻井时与任何构件均不干涉，可以一直保留，不用拆装。
(4) 在上段缩回到下段内后，需将上段和下段连为一体，井架下段上端4个角与井架上段各有1个连接点，每次搬家上、下段连接点都要拆装一次，采用搭扣连接 (如图 4所示) 后结构简单、拆装方便省时，减轻了安装作业强度。
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| 图 4 井架上、下段缩回后搭扣连接图 Fig.4 Hasp connection condition when the upper derricksection retracted |
(5) 加高了牵引装置高度，避免了二层台每次搬家的反复折叠，减少了不必要的工作量，缩短了搬家时的辅助时间。
2.2 分块移运模块 2.2.1 结构为获得较好的通过性及较快的移运速度，笔者将井架模块拆分成上段、下段和二层台3部分或上、下段一体、二层台分别用拖挂车移运。
2.2.2 主要技术参数上段：移运质量11.6 t，移运尺寸21.65 m×4.19 m×2.53 m；
下段：移运质量18.2 t，移运尺寸24.00 m×4.70 m×3.50 m；
二层台：移运质量1.9 t，移运尺寸6.10 m×3.00 m×0.51 m；
上、下段套合一起：移运质量30.5 t，移运尺寸32.10 m×4.70 m×3.50 m。
2.2.3 技术特点(1) 带轴承的滚轮可以将上、下段相互运动时的滑动摩擦变为滚动摩擦，可大大减小上、下段相对运动时的阻力，可有效保护立柱接触表面的防腐层。
(2) 上段下端与下段上端立柱端头4个角均装有带轴承的滚轮，上、下段拆装轻松自如。
3 分析计算 3.1 整体结构有限元分析井架设计计算遵循美国石油学会API Spec 4F (2013，第4版) 及美国钢结构学会AISC (335-89)《结构钢建筑物规范：许用应力设计和塑性设计》中的有关规定，采用ANSYS有限元分析软件分别对移运、起升、作业、预期和非预期工况进行分析计算[7]；按照AISC (335-89) 中轴心受压和受弯组合应力校核公式以及轴心受拉和受弯组合应力校核公式的要求进行计算分析，以确保井架的安全可靠性。建立的有限元模型如图 5所示。
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| 图 5 井架和底座有限元模型 Fig.5 Main structure of derrick and the substructure |
井架三维结构模型采用笛卡儿坐标系建立，笛卡尔坐标系遵守右手定则并规定如下：坐标原点为底座支脚所在平面与井口中心的交点，+X为井架正前方 (立根台侧)，+Y为竖直向上，+Z为井架左侧方向 (司钻房侧)
3.2 工况组合根据API Spec 4F (第4版) 规范中关于设计载荷的规定，结合实际使用情况，需对操作工况、非预期风暴工况、预期风暴工况、整体移运工况和起升工况下井架结构的强度和稳定性进行校核。另外，根据API Spec 4F (第4版) 规范中关于许用应力的规定，对于操作工况、整体移运工况和起升工况，许用单位应力不应增加，非预期风暴和预期风暴工况，许用单位应力增加
| 载荷 | 操作工况1a | 操作工况1b | 预期风暴 | 非预期风暴 | 水平工况 |
| 固载/% | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 设备重力/% | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 钩载/% | 100 | TE | TE | TE | 0 |
| 立根载荷/% | 100 | 100 | 0 | 100 | 0 |
| 转盘载荷/% | 0 | 100 | 100 | 100 | 0 |
| 顶驱载荷/% | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 风载/% | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 起升载荷/% | 0 | 0 | 0 | 0 | 100 |
| UC值 | 1.00 | 1.00 | 1.33 | 1.33 | 1.00 |
| 注：TE为游车大钩顶驱的重力，约200 kN。 | |||||
3.3 有限元计算结果分析
根据上述计算结果，分析得出整体移运工况上坡5°风向与X轴成90°夹角井架受力状况最为恶劣。根据井架在厂内进行的整体移运试验与整体移运工况对比要求，对井架移运试验工况进行计算。为了节省篇幅，仅将整体移运工况计算结果整理如下。
组合方式：井架、底座爬坡5°，风向与X轴成90°夹角，带游吊、顶驱组合体及游绳。最大UC值位置及组合应力云图分别如图 6及图 7所示。由图 6和图 7可知，整体移运工况井架最大UC值为0.953，最大应力值为188.478 MPa。
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| 图 6 井架最大UC值位置 Fig.6 The location of the maximum UC value of the derrick |
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| 图 7 井架应力分布图 Fig.7 Stress distribution of the derrick |
计算结果表明：整体移运工况下井架单元应力均小于材料的许用值，最大UC值也小于AISC (335-89) 规定的允许值，井架设计符合API Spec 4F规范的要求。
4 现场试验2015年4月，宝鸡石油机械有限责任公司在厂内对天车、井架、底座和钻台面等进行了整体移运试验，各项指标均达到试验要求。2015年5月从厂内发往阿曼现场时，井架上段、下段和二层台单独运往天津港口，通过海运运往阿曼，运输状况一切完好。2015年7月在阿曼现场使用，整体和分块搬家性能良好，短距离整体拖挂移运实现了当天转场并开钻。该井架模块获得了用户的肯定，也验证了上述设计方案的合理性和先进性。
5 结论(1) 具有多种移运方式的井架模块整体移运时，天车、井架、底座、游吊及顶驱组合体、游绳均不再拆装，缩短了搬家时间，避免了移运过程中对设备的损伤，延长了设备的使用寿命。
(2) 井架分块移运系统满足一般公路运输，只需拆分为3个移运单元 (上段、下段、二层台) 即可实现所有设备的快速移运，搬家车次少。
| [1] | 张茗奎, 王维忠, 郑满圈, 等. 钻机整体移运系统[J]. 石油机械, 2007, 35(9): 110–112. |
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| [3] | 张虎山, 谢陈平, 杨建辉, 等. 沙漠快速移运钻机固控系统的研制[J]. 石油机械, 2014, 42(11): 60–63. |
| [4] | 王定亚, 马广蛇, 侯文辉, 等. 浅谈国内快速移运钻机技术现状及发展建议[J]. 石油矿场机械, 2007, 36(4): 13–15. |
| [5] | 王小权, 张建伟, 代大良, 等. 国产快速移运钻机存在问题及改进建议[J]. 石油机械, 2007, 35(10): 69–71. |
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| [7] | 李全星, 侯敏, 杨鹏, 等. 5000 kN海洋半潜平台动态井架的研制[J]. 石油机械, 2016, 44(5): 55–60. |