井架结构形式及其起升安装方式探讨

井架结构形式及其起升安装方式探讨
彭太锋 (中石化江汉石油管理局第四机械厂 , 湖北 荆州 434024)
[ 摘要 ] 介绍了钻修设备井架的几种不同结构形式及其优缺点 , 讨论了各种结构井架的起升安装方式 , 分 析了各种起升安装方式的优缺点 , 总结了各种结构井架适用范围及其起升趋势 。

[ 关键词 ] 井架 ; 结构形式 ; 起升方式
[ 中图分类号 ] T E 923 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 100029752 (2010) 0420383202 近年来 , 随着国内石油机械行业的蓬勃发展 , 井架出现了各种各样的结构形式 , 其起升方式也各不 相同 。

下面就此问题进行探讨 。

1 井架的结构形式
钻 (修) 机井架按照整体结构形式可分为塔形井架 、前开口式 ( K 型) 井架 、A 形井架及桅形井架[ 1 ] 。

11 1 塔形井架
塔形井架是一种单个构件用螺栓连接而成的可拆卸式结构 , 其截面通常为正方形或矩形 。

井架本体 是由 4 扇平面桁架组成 , 每扇平面桁架又分成若干构件 。

井架侧面通常为梯形 , 井架除前面有供提升钻 具的大门外 , 其余部分均为封闭结构 。

因此这种井架结构稳定性好 , 承载能力大 。

这种井架通常用于超 深井钻机 , 因为超深井建井周期长 , 井架拆装占作业时间的比例小 。

另外 , 海上平台 (钻井船) 也通常 采用这种稳定性强的井架 , 以适应海上恶劣天气 。

11 2 前开口井架
前开口式井架又称为 K 型井架 , 它是由 3～5 段焊接结构组成 , 各段间采用销轴或螺栓连接 。

这种 结构的井架横截面通常为前开口式矩形 , 横截面尺寸较小 。

左右两侧分别为整体的单片结构 , 背部采用 拉杆连接 。

从前面来看 , 井架成八字形结构 。

井架内部的空间比较狭窄 , 但由于前部开口 , 仍便于游 车 、大钩的上下运行及摆放立根 。

近年来出现的直立套装式井架也属于这种结构形式 , 但井架左右片及 背片焊接为整体结构 , 井架的刚性及稳定性均较好 。

11 3 A 形井架
从总体结构形式来看 , A 形井架是由 2 个等截面的杆件结构组成的大腿 。

上部用天车台构件 、中间 用二层台连接成的 A 字形结构 。

这种结构的大腿截面有矩形或三角形 。

大腿的前面或后面用撑杆支承 。

由于大腿为封闭的杆构件 , 其承载能力和稳定性都比较好 。

但井架的整体仅用天车和二层台连接 , 其整 体稳定性不够理想 。

11 4 桅形井架
桅形井架是单柱式或双柱式结构 , 横截面为矩形或三角形 。

整个井架为 2 段或 3 段式伸缩结构 。

由 于其工作时井架向井口方向倾斜 (前倾角一般在 7°以内) , 在工作时一般需要安装绷绳 。

因此 , 这类井 架的承载能力一般都比较小 , 大多固定在自走式底盘车或拖车上 。

移运时 , 上段 ( 及中段) 缩进下段 内 , 整个井架平放在底盘车的支架上 。

井架的倾斜角度靠安装在井架底座下的支腿来调整[ 1 ,2 ] 。

[ 收稿日期 ] 2010205222
[ 作者简介 ] 彭太锋 ( 19762) , 男 , 2000 年大学毕业 , 工程师 , 现主要从事石油钻机的设计与开发工作 。

2 井架的起升安装方式
21 1 塔形井架
这种结构的井架用螺栓连接 , 因此只能一段段安装 , 安装时费时费力 , 而且在高空进行安装 , 危险 性较大 。

21 2 前开口井架
这种井架采用低位水平安装 , 利用绞车动力通过人字架或扒杆整体起升 。

即将各段从下段开始 , 逐 节安装好左右各段及背面横梁 。

最后安装好天车 , 穿好绞车大绳及起升大绳 , 通过人字架和井架上的滑 轮机构 , 利用绞车动力起升井架 , 起升后将井架与底座采用 U 形螺栓或销轴与底座固定 。

这种直立套 装式井架有几种不同的起升安装方式 : 第一种方式是采用垂直安装 : 首先将井架底座吊装就位 , 然后将 天车及顶节垂直吊装在井架底座内 。

穿好大绳 , 将中间的标准节依次水平吊装就位后 , 以绞车为动力 , 通过游车依次将本体各标准节提升到工作位置[ 2 ] ; 第二种安装方式是采用液压油缸将井架底座起升到工 作位置 , 连接好撑杆后吊装天车 、井架顶节 , 然后利用设置在井架底座上的两个小绞车安装本体各标准 节 ; 第三种安装方式则是绞车通过钢丝绳将井架底座及顶节拉升到工作位置 , 然后再穿提升大绳提升各 标准节 。

21 3 A 形井架
A 形井架的起升方式主要有 3 种[ 2 ]。

一种是撑杆法 , 即利用设置在井架本身上的撑杆来起放井架 。

这种起升方式只适用于采用前撑杆的井架 。

而且在起放时 , 撑杆需在井架大腿上滑动 , 因此井架大腿结 构较为复杂 , 对其横断面也有一定的要求 。

另一种方法是扒杆法 。

它是靠单独配置的扒杆来起放井架 。

井架的结构简单 , 结构不受起放方式的影响 , 但安装扒杆比较费事 , 起放也不够平稳 。

第三种方式是采 用人字架法 , 起升方式与 K 型井架类似 , 在此不再赘述 。

21 4 桅形井架
这种井架通常为轻便型井架 , 起升方式通常有 2 种 , 一种是采用伸缩液缸将两段起升到直立位置 , 再用安装在井架内的伸缩液缸将上段伸出到工作位置 ; 另一种则是用伸缩液缸将两段起升到直立位置 , 再用修井机本身的绞车或小绞车通过钢丝绳及滑轮机构将井架上段伸出到工作位置 。

结 语
3 各种类型的井架无论在结构形式还是在安装方式上均不尽相同 , 就上述几种井架综合性能列表对比 如下 (表 1) :
表 1 上述几种井架综合性能对比 前开口井架 性能 塔形井架
A 型井架 桅形井架 K 型井架 直立套装井架 简单 较好 绞车或液压油缸起 升或两者复合 简单 很好 无需人字架 , 经济 性好 较好 井场区域小的海洋 平台及山区 中深井及深井钻机 结构复杂度 稳定性 起升方式 复杂
最好 单片
安装
较复杂 较差 绞车整体起升 简单 较好 绞车整体起升 简单 较差 液缸起升或绞车起 升 简单 最好 无需吊车及辅助设 备 , 经济性最好 最好 拆装性 安全性 经济性 安装复杂
危险 除吊车外无需
辅助
设备 , 经济性好 较
差 井场区域小的海
洋
平台及钻井船 深井
及超深井钻机 较复杂 较好 需辅助撑杆 , 经济 性较差 较好 井场区域大的陆地 钻机 中深井钻机 较复杂 很好 需辅助人字架 , 经 济性较差 较好 井场区域大的陆地 钻机 中深井及深井钻机 移运快速性 适用区域 道路条件好的井场 适用钻机
浅井钻修机 (下转第 388 页)
对比发现, 结构改进后井架的整体稳定性有所提高, 稳定性、安全系数均高于许用安全系数[ n]= 21 2 , 其中U 型支撑结构稳定性提高更明显, 改进后的井架稳定性基本可以满足要求。

尽管2 种结构改进方案能改善井架稳定性, 但由于其对强度几乎无改善, 所以对提高井架承载能力的效果很有限。

同时由于U 型支撑减小了井架的开档, 可能会带来不安全隐患。

结论
4
1) 考虑实际主腿初始弯曲和杆件应力集中等缺陷影响, 对井架进行有限元分析计算, 结果和实测数据基本吻合。

有限元分析计算结果表明, 井架的强度和整体稳定性均不能满足要求, 该井架承载能力不足。

2) 针对井架主腿弯曲带来承载能力下降的情况, 提出增加横撑和U 型支撑两种结构改进方案, 通过有限元计算, 2 种辅助结构能在一定程度上增加井架稳定性, 但不能改善强度, 因此不能有效提高承载能力。

[ 参考文献]
[ 1 ] 韩东颖, 李子丰, 周国强1 在役石油钻机井架极限承载仿真模型研究[J ] 1 石油学报, 2007 , 28 ( 2) : 120～123 , 1281
[ 2 ] 刘金梅, 周国强, 韩国有1 考虑损伤的石油井架极限承载性能仿真研究[J ] 1 系统仿真学报, 2009 , 21 ( 6) : 1781～1784 , 17881 [ 3 ] 史浩, 郭奕珊, 崔爱玉1 任意初始变形对井架承载的影响[J ] 1 大庆石油学院学报, 2004 , 28 ( 2) : 60～621
[ 4 ] 周传喜, 郭伟, 南丽华1 海洋修井机井架稳定性计算研究[J ] 1 石油机械, 2009 , 37 ( 8) : 48～501
[ 5 ] 张学鸿, 刘巨保, 王惠德1 3200 m钻机前开口井架整体稳定性分析[J ] 1 石油机械, 1990 , 18 ( 5) : 1～3 , 281
[ 编辑] 苏开科
(上接第384 页)
从表1 可以看出, 塔形井架虽然结构复杂, 安装困难, 但在海洋平台和钻井船等占地面积小、不经常拆卸的井场还占有很重要的地位; A 型井架由于其结构稳定性及安装复杂性, 将慢慢退出历史舞台; K 型井架稳稳占据陆地中深井及超深井钻机市场; 直立套装式井架由于其结构简单, 起升拆安方便, 在井场区域小的钻机上占有重要地位。

而桅形井架由于其轻便、移运快速牢牢占据着4000 m以下的钻修机的市场。

从起升方式上看, 大部分井架均采用绞车起升, 尤其是深井及超深井钻机由于其井架质量大, 决定其起升力较大。

但随着多级大推力液压缸的设计、加工、检测技术的不断成熟, 对拆安工作量减小及远程起升的要求, , 液压缸起升的可靠性得到很大的提高, 其优势也日趋明显, 并逐渐成为一种发展趋势[ 2 ] 。

[ 参考文献]
[ 1 ] 常玉连, 刘玉泉1 钻井井架、底座的设计计算[ M ] 1 北京: 石油工业出版社, 19941
[ 2 ] 李继志, 陈荣振1 石油钻采机械概论[ M ] 1 东营: 石油大学出版社, 20011
[ 编辑] 苏开科。