中东石油井架的研究与设计.pdf

doi:10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2016. 03. 032 中东石油井架的研究与设计 尚 琳,庞世强,聂景龙 (兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 青岛分公司,山东 青岛 266520) 摘 要:为了提高在中东沙漠地区石油钻机的移行速度,减少人工劳动强度,提高搬家时效,对该地区钻机的移运研 究十分重要1。 介绍的井架采取模块化设计理念,结构分为四段,每段由左、右片架和背扇钢架焊接为一个整体,井 架主体各段可以由挂钩式耳板快速连接,这些设计可以改善井架的装车、运输、卸车、安装、拆卸和搬家等作业工况。 关键词:中东石油;井架;整体搬家;快速装卸 中图分类号:TE924 文献标志码:A 文章编号:1007-4414(2016)03-0090-02 Research and Design of the Oil Derrick in the Middle East SHANG Lin, PANG Shi-qiang, NIE Jing-long (Qingdao Branch of Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute Co. , Ltd, Qingdao Shandong 266520, China) Abstract: In order to improve the drilling speed, reduce the labor intensity and improve the efficiency of movement of drilling rigs in the Middle East desert area, it is very important to study the movement of drilling rigs in the area. The mast in this pa- per is based on the modular design idea, the structure is divided into four sections, each section composes of left and right sheet bracket and a back fan steel welding as a whole, the mast body sections can be fast connected by the hook ear plate. Such design methods can improve the operating conditions like the mast loading, transportation, unloading, installation, disas- sembly and moving. Key words: middle east oil; mast; integrated movement; fast loading and unloading 0 引 言 中东是目前世界上石油储存量和生产输出量最 多的地区,同时也是我国石油装备出口的重要市场。 为了成功进入中东石油市场,我公司决定研发一种整 体式移行的井架,该井架配套 5 000 m 钻机使用,能 满足整体搬家、快速装卸、降低运输成本等要求。 1 井架的方案设计 1. 1 井架主体结构 井架设计为前开口式无绷绳形式,采用“K”形结 构。 为了方便设计、制造、安装,将井架设计成直上直 下跨距相等的结构;为了井架站立工作状态时的整体 稳定性,将井架设计成三角形结构,设计井架上端作 为三角形的尖端,设计井架前、后斜支腿作为三角形 的下端支撑2;为了增大井口空间,井架下端和钻台 面留有一定距离。 通常情况下,中深井陆地钻机井架的高度由立柱 和游动系统的高度决定。 立柱一般由 3 根钻杆连接 组成,加上游车、大钩或顶驱等游动系统的外形长度, 以及游车防碰的预留高度,因此井架的工作高度设计 为 45 m。 考虑铁路运输,那井架每段的长度就必须 控制在 12 m 以内,因此井架分为四段式结构。 考虑 每段的运输尺寸及二层台安装位置等多方面因素,井 架各段分别设计为一段长度为 10 m,二段长度为 10 m,三段长度为11 m,四段长度为10 m 。 井架一段和 钻台面距离 3. 65 m。 要保证游动系统能够在井架内 部顺畅运行,井架正面宽度需与其留有一定空间, “K”型井架前门开放不封闭,则不需考虑侧面宽度。 因此井架的正面跨距 3. 5 m,侧面跨距 2. 45 m。 每段设计为菱形等分结构,结构既简单又稳定。 若将井架每段设计为两等分或三等分的结构,通过静 力学分析斜拉筋长系比数过大,结构不合理,因为每 段采用四等分结构。 型材强度越高越好,重量越轻越 好。 初定各段主腿采用 H 型钢,各横梁和斜拉筋采 用角钢。 各段前腿采用加强管耳座连接方式,后腿采 用挂钩式快速连接方式,耳板采用 Q390-B 材料,销 轴采用 40CrNi2MoA 材料。 后腿连接处有两组销轴, 一组主受力销轴先不装,另一组起升挂接用销轴预先 装好在各段上。 1. 2 井架整体方案 除了井架主体、天车和二层台,还需设计井架的 附件,包括套管扶正台、立管操作台、立管固定装置、 挡风墙、大钳平衡重、悬臂梁、逃生装置、登梯助升装 置、井架起升支架、梯子等。 考虑井架液压起升系统的液缸梁方箱安装在一 09 设计与制造 2016 年第 3 期 (第 29 卷,总第 143 期)机械研究与应用 收稿日期:2016-05-01 作者简介:尚 琳(1990-),女,陕西渭南人,助理工程师,主要从事石油钻机装备的研发设计工作。 段上,需对此处进行局部加强。 天车架各梁、二层台 安装位置等重要部位也需要进行局部加强。 通过反 复计算优化,一段主腿采用型材 HW30030010 15, 二段、三段、四段主腿采用型材 HW2502509 14,各横梁和斜拉筋主要采用型材 L100638,特殊 重要部位用型材 HN3001506. 59 和 HN250125 69。 最终确定井架整体方案如图 1。 图 1 井架整体方案简图 2 井架的计算分析 2. 1 井架整体结构计算 通过用 SAFI 7. 1. 3 计算软件对井架模型的钢结 构在工作、起升、运输等各种工况作业下进行有限元 分析和计算,严格遵循美国石油学会 API 4F(第四 版)钻井和修井结构规范和美国钢结构学会 AISC 335-89 钢结构建筑设计规范 标准中的相关规 定3。 利用 SAFI 软件的后处理模块对每一个单元 进行校核,并以 UC 值表示。 软件模型计算时,不需要建立附件的模型,只需 要加载主要部件和附件的重量,根据井架中包含的不 同材料的构件取用不同的应力值进行计算分析。 计 算模型及结果分析如图 2、3、4 所示。 图 2 井架工作工况下的 UC 值 由上述模型的分析和软件输出的报告可得出:所 有构件在组合工况下的 UC 值均小于 1,结构安全,即 井架结构能够抵抗工作、起升、运输等工况作业下的 载荷,符合 API 4F(第四版)的规范要求,井架结构可 靠安全。 图 3 井架起升工况下的 UC 值 图 4 井架运输工况下的 UC 值 2. 2 关键部位建模计算 由于起升梁方箱位于井架一段上端,一段与二段 连接处载荷较大,需对此处进行计算分析。 一段与二 段通过挂钩耳座连接,一段上挂钩的厚度是 120 mm, 圆板的厚度是 20 mm。 二段下耳板的厚度是 60 mm, 耳板用 Q390-B 材料,圆板用 Q345-B 材料,井架一 段后主腿用 HW3003001015,材料是 Q345-B,井 架二段后主腿用 HW250250914,材料是 Q345- B。 通过 SAFI 软件对井架整体模型做起升和站立计 算后,提取出该结点处起升工况和站立工况下的耳座 的受力。 通过对连接耳座简化后计算处耳座在站立 和起升工况下的应力值,如图 5 所示。 图 5 模型及应力值 表 1 列出了耳座在起升工况和站立工况下的受 力和应力值,由表得出井架一段、二段部分跟耳座连 (下转第 94 页) 19 机械研究与应用2016 年第 3 期 (第 29 卷,总第 143 期) 设计与制造 流模型4-5。 (4) 操作环境的设置。 工作环境压强,选择喷嘴 出口处的中心点为参考压强,不考虑重力影响。 (5) 流体的物理特性的设置,选取材料乳胶漆。 (6) 边界条件的设置,首先设置 fluid 流体区域 物质,选择乳胶漆;设置入口边界条件,初始速度为 v =20 m/ s;出口为压力边界条件。 (7) 求解参数的设置,采用压力-速度耦合求解 方式。 (8) 对流场进行初始化,对入口进行初始化设 置,其初始速度为 v=20 m/ s,压力为 p=20 MPa。 (9) 打开残差控制图,设置每个方程的收敛标准 为 e-46。 (10) 开始迭代计算,迭代 600 步,计算完成。 喷嘴内部的速度分布云图如图 3 所示,从图中可 以看出内部属于层流运动,喷嘴内部的速度不断增 加,当到达出口处时,速度达到最大。 喷嘴轴线速度 图如图 4 所示。 图 3 速度分布云图 图 4 喷嘴轴线的速度分布 图 4 中,油漆的流速随着射程的增加非线性增 加,在初始阶段速度增加缓慢,随着射程距离的增加, 速度迅速提高,喷嘴处的最大速度是 v=178 m/ s,可 以满足设计要求。 4 结 论 以高压无气喷涂机为研究对象,设计了喷涂机的 喷嘴,通过 FLUENT 软件对喷嘴内部流场进行分析, 并对喷嘴内部流体的速度进行仿真与模拟,得出喷嘴 速度与射程之间的关系,分析结果对于高压无气喷涂 机的喷嘴设计提供了一定的参考价值。 参考文献: 1 冯继文. 气动式高压无气喷涂机结构创新设计D. 杭州:浙江 大学,2010. 2Wolfgang Pueke. Developments in Plural Component Spray Equip- mentJ. Journal of Protective Coatings&linings,2004,8(10):51- 57. 3 Gary S. SeRies. A Flow Visualization Study Of Airless Spray Painting A. Proceedings of the Annual Conference on Liquid Atomization and Spray SystemsC. Ottawa,Canada,1997:706-719. 4 于 勇. FLUENT 入门与进阶教程M. 北京:北京理工大学出 版社,2011. 5 韩占忠,王 敬,兰小平. FLUENT-流体工程仿真计算实例与应 用M. 北京:北京理工大学出版社,2013. 6 李俊妮,栗秀萍. 基于 Fluent 的高速旋转圆盘表面流场的数值模 拟J. 机械设计与制造,2013(2):7-11. (上接第 91 页) 接的后主腿和耳板的许用应力值都小于许用应力值,满足强度要求。 表 1 载荷及应力值 工况 条件 轴向所 受载荷 (kN) 径向所 受载荷 (kN) 后主腿许 用应力值 (MPa) 耳板许用 应力值 (MPa) 后主腿最 大应力值 (MPa) 耳板最大 应力值 (MPa) 结论 起升工况27568206.5233.5206. 31211.24合格 站立工况-99414206.5233.5163. 22167.61合格 3 结 语 本文对中东石油地区钻机井架的运输、装卸、搬 家作业时存在的工时长、工作量大、移运不方便、运输 车次多等问题进行了研究,设计出一种整体搬家的井 架。 该井架结构简单、外形轻便、安装快捷,并通过软 件对井架钢结构及其关键部位进行建模分析计算,保 证井架安全可靠。 整体搬家井架可以实现提高作业 时效、节