基于SAFI的ZJ40DB撬装旋升式井架底座的设计*

2021-01-12郝保川

机械研究与应用 2020年6期

郝保川，韩猛

(山东科瑞机械制造有限公司,山东东营 257067)

0 引言

近年来，对于4 000 m以下的钻机，业内专家达成了共识，认为推广车载钻机，发展撬装钻机已经成为大趋势[1]。车载钻机本身具有移运性能好、拆装简单方便、起升井架迅速、占地面积小等特点，越来越受欢迎。但由于产油国地理因素不同，客户使用习惯不同，情况千差万别，撬装钻机也是必不可少的选择之一[2]。

目前，常规ZJ40DB撬装井架底座普遍存在结构复杂拆装困难、经济性和可靠性不足、钻台面高度不足影响组合防喷器安装、钻台面空间不足影响施工操作等问题。针对上述问题，设计了一种新型ZJ40DB撬装旋升式井架底座。该井架底座具有拆装方便、经济性和可靠性高、钻台面空间大、台面高度高等优点，具有广阔的推广应用前景。

1 设计方案

1.1 技术参数

井架底座的技术参数如表1所列。

表1 井架底座技术参数

1.2 主材料

该井架底座t12以上的板材、H型钢、方管选用材料的材质为Q355D；承载要求较高的销轴、起升滑轮轴选用材料的材质为40CrNi2MoA，其余销轴材料的材质为42CrMo。

井架底座的主型材选取如表2所示。

表2 井架底座主型材

1.3 结构特点

井架底座的三维模型如图1所示[3]。

图1 底座模型图

(1) 如图1所示，底座主要由底层、顶层、中层、台面内外围等部件组成。如图2所示，井架主结构为前开口K型，背面有拉杆、横梁与主体各段相连，主体各段间均为销轴连接。井架上配有二层台，同时配有通往二层台的笼梯，配有死绳固定器、快绳稳绳器、大钳平衡重等井架附件。

图2 井架模型图

(2) 如图1、2所示，井架底座采用模块化设计。各模块之间使用销轴连接，结构简单，装拆方便。井架底座采用旋升式结构，相对于目前普遍存在的箱叠式结构和双升式结构，旋升式结构具有拆装方便，起升过程无需更换起升大绳，起升过程简单等优点。如图3所示，井架底座能够实现高台面设备的低位安装，钻台上的设备(转盘、转盘独立驱动装置、液压猫头等)均可低位安装，安装迅速可靠。

图3 井架底座起升状态图

(3) 利用有限元分析软件SAFI进行设计减重。井架底座总重量为198 t，与常规ZJ40DB井架底座相比，重量减轻15%以上，有效降低了制造成本，显著提高了钻机的经济性和可靠性。

(4) 常规ZJ40DB钻台面高度普遍为3～5 m，该底座钻台面高度为7.5 m。完全满足深井钻机对井口安装组合防喷器的要求，并可使泥浆回流管有足够的回流高度、同时方便安装多层头套头及泥浆净化装置。

(5) 台面长度为12.6 m，宽度为10.3 m。与常规ZJ40DB井架底座相比，台面面积大20%以上，完全满足钻台面施工过程中对操作空间的要求，并且有足够的空间放置井口工具。

2 设计验证

运用有限元分析软件SAFI对井架底座进行结构分析计算。SAFI是SAFI Quality Software公司开发的结构分析软件，广泛应用于各类结构分析计算，完全满足石油行业标准API SPEC 4F 5th的要求，该软件对计算结果提供了一个Limit States值，只要该值小于1，便表示该单元强度、刚度满足要求[4]。

按照API SPEC 4F 5th[5]的要求，井架底座使用工况下的Limit States值如图4所示，井架底座起升工况下的Limit States值如图5所示[6]。