李富平，高学仕，王 栋，石美玉

（1.中国石油大学机电工程学院，山东东营257061；2.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017） ①

ZJ90D型钻机整体拖移力学计算

李富平1，高学仕1，王 栋2，石美玉1

（1.中国石油大学机电工程学院，山东东营257061；2.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017）①

钻井结束后钻机要进行拆卸、运输到达新的井位，对于井位相距较近的，浪费了时间和资源，可采取整体拖移钻机到新的井位。应用ANSYS对ZJ90D型钻机在满立根状态下的整体拖移进行计算，分析其应力及变形分布情况。结果表明：在拖移过程中，该钻机的应力及变形较小，强度和稳定性满足要求。

钻机；整体拖移；力学计算

为了提高钻井效率，节省资源，对于近距离井位的钻机迁移，可不需要拆卸运输，而进行钻机的整体拖移。本文应用ANSYS软件对ZJ90D型钻机在满立根状态下的整体拖移进行计算，分析其应力及变形的分布情况，考核其在拖移过程中的强度和稳定性是否满足要求。计算结果对于指导钻机的整体拖移提供有力的依据。

1 初始条件

1） 钻机设备总重力G＝9 000kN。

2） 拖移接触面为钢板，查机械设计手册，钢与钢之间的摩擦因数为0.10～0.15，取其静摩擦因数为μJ＝0.15，滑动摩擦因数为μD＝0.12。

3） 推荐拖移过程速度为1.39mm／s（按5 m／h），假设钻机整体在1s中内从静止状态获得该速度，所以加速度a＝1.39／1＝1.39mm／s2。

4） 拖移过程中除承受自重力外，还承受16.5 m／s（32节）的风载荷［1］。风向为从井架前开口向后吹风是最恶劣工况。

5） 二层台指梁处排满立根，其受力如图1所示。

6） 钻机整体拖移时，拉力点位于钻台底座下层的前侧。

图1 二层台受力示意

2 拖移方式及受力分析

钻机整体拖移是在钻机底部整体铺上钢板，用拖车拉着整拖吊耳，使底座在钢板上缓慢滑移，钻机整体拖移方式如图2所示。

钻机在整体拖移过程中，要承受自重力、环境风载荷、摩擦力以及拖移拉力。这些载荷均通过ANSYS命令流施加在模型上［2－3］。

钻机整体拖移需克服的静摩擦力为

钻机整体拖移需克服的动摩擦力为

钻机整体从静止到运动需要克服最大静摩擦力，所以拖移的外界拉力应遵循图3所示的拉力时间变化。

图2 钻机整体拖移方式

图3 拉力－时间关系曲线

3 ANSYS计算结果

经有限元计算，得到TIME＝1时刻（即时间历程1s时刻）的结构应力云图，如图4所示。

图4 钻机整体拖运应力云图（TIME＝1）

由图4可以看出，拖移过程中最大应力出现在井架二层台指梁处，最大应力值128MPa。

为了方便观察井架及底座的瞬态位移响应［4］，分别取井架天车梁节点、二层台节点、钻台面井架大腿铰支节点和底座中层立支架节点的位移响应，如图5～8所示。

图5 天车梁位移响应

图6 二层台位移响应

图7 井架大腿铰支点位移响应

图8 底座中层立支架位移响应

从图5～8可以看出，在1s时刻各曲线均出现明显的拐点，说明该时刻振动最剧烈，在钻机上的位置如图9所示，对应该时刻的前10个较大应力杆件应力如表1所示。

图9 前10个较大应力杆件在钻机上的位置

表1 前10个较大应力杆件应力 MPa

4 结论

1） 最大应力发生在二层台指梁处215、216号单元，最大应力值为128MPa，该单元材料为Q235－B，材料屈服极限235MPa，安全系数为1.84。其次，立根盒前梁、底座中层立支架、前立柱、斜立柱的应力也较大，但均小于材料的许用应力，有较高的安全系数，满足整体拖移的要求。

2） 整体拖动的瞬间（TIME＝1）结构出现明显的振动，但位移响应较小，拖动平稳。

3） 按推荐速度1.39mm／s、满立根状态下，能够实现该钻机整体设备的安全可靠拖移。

［1］ API Spec 4F，钻井和修井结构规范［S］.2008.

［2］ 王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 尚晓江，邱 峰，赵海风，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］.2版.北京：中国水利水电出版社，2008.

［4］ 吴 昌，艾志久，陈海林，等.JJ250／42－K型井架动态特性分析［J］.石油矿场机械，2009，38（11）：19－23.

Mechanics Computation of Whole Tows Moves for ZJ90D Drilling Rig

LI Fu－ping1，GAO Xue－shi1，WANG Dong2，SHI Mei－yu1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，ChinaUniversity of Petroleum，Dongying257061，China；2.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administration，Dongying257017，China）

Generally speaking，after the well drilling has ended，the drilling machine must be disassembled and transported to arrive at anew well position.But for the wells that are short distance，it wastes plenty of time and the resources.A method for the whole tows moves was proposed，calculating the whole tows moves for the ZJ90D drilling machine with full pipe setback by ANSYS，analyzing its stress and the distortion distributed.The result indicated：during the whole tows moves，the stress and the distortion were small，the intensity and the stability satisfy the request.

drilling rig；whole tows moves；mechanics compute

1001－3482（2011）08－0029－03

TE922

A

2011－02－22

李富平（1987－），男，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事石油钻采机械的研究，E－mail：li－fp＠163.com。