不压井修井机底座设计及有限元研究

不压井修井机底座设计及有限元研究
不压井作业能降低对产层的污染，最大程度地保护和维持原始地层，并极大地提高产能，现已广泛应用于修井作业中。

不压井修井机的应用有利于油气田的稳定生产和长期开发。

底座作为不压井修井机的结构承载基础，用于支撑整个设备。

底座的强度质量直接关系到设备的整体质量和安全，也影响油气田开发的效益，故安全、经济、合理的底座设计方法显得特别重要。

本文通过三维建模软件对底座进行参数化建模，在有限元分析软件中模拟底座受载情况并进行有限元分析，求解得到应力和变形的结果，对底座的设计和生产提供一定的思路和依据。

1 参数化设计
参数化设计一直是机械行业系统设计所追求的目标，它可以极大地提高机械设计效率。

参数化设计方法因其直观性、实用性、高效性等特点，现已广泛应用在各类机械行业中。

综合考虑油气田井场现场布置要求和不压井修井机性能参数等因数，确定出底座的结构形式和基本外形尺寸。

采用基于尺寸驱动的参数化设计方法，通过建模软件里的“3D草图”功能绘制出底座的框架，框架参数化的“3D草图”如图1所示。

框架“3D草图”中的每一个尺寸线可以看成是一个参数，尺寸线上的数字就相当于是参数名，尺寸线的方向代表了几何数据实体和参数间的关系。

当底座的框架结构外形尺寸需要更改时，可调整对应的框架“3D草图”中的参数化尺寸，根据参数值对不压井修井机底座框架实体尺寸进行编辑修改后，框架结构外形尺寸便会随之得到相应的更新。

2 建立模型
确定框架所有尺寸后，根据设计要求从建模软件结构件库里选定制作底座相应的型材，并对底座中非结构承载部件（如梯子、护栏等）和零件加工工艺结构（如倒角、工艺槽、安装螺栓孔等）做简化处理，得到底座三维模型，如图2所示。

转换建模软件中底座的三维模型格式，导入到有限元分析软件后，再对生成的模型进行修整（如设置各连接处的接触、约束等），更新后的新模型如图3所示。

3 计算前处理
结合设计要求的材料，在有限元分析软件中设置和赋予相对应的材料参数、材料性能和材料属性值（如材料的密度、泊松比、杨氏模量和屈服强度等），并对模型设置相应的分析单元和接触单元。

由于在计算前处理时，主要根据计算的精度和计算机的运算速度来确定单元的大小，虽然单元越小（网格划分得越细），有限元分析计算的结果精度就越高，但相应的计算机运算的时间也就越久。

在保证计算结果准确性的同时提高计算分析效率，根据结构件大小的不同，設置不同大小的网格划分单元，并对在应力集中的部位（如底座上部斜撑杆与上横梁的连接处）将网格划分得细一些，网格划分后模型的结点（nodes）数为674004个，单元（elements）数为343318个，如图4所示。

根据底座工况条件，添加相应的约束，将底座底面固定，在底座上的支座处添加相应工况大小的载荷。

4 输出结果
前处理完毕后，设置需要查看的求解结果（如应力值、应变值等）。

通过有限元分析软件自带的求解器求解，得到底座的应力云图如图5所示，底座的应变云图如图6所示。

由应力云图可明显看出，最大应力为145.54MPa，完全满足安全条件要求。

底座上部斜撑杆与上横梁的连接部位应力最大，上下底座的斜撑杆处应力相对较大。

由应变云图可明显看出，最大应变1.94mm发生在上底座的支座处，上底座的中部横梁的变形也相对较大，该结果与实际情况很吻合。

为了避免底座应力过大或出现大变形的危险现象，在设计和制作底座时，需结合有限元分析结果，重点关注上下
底座的斜撑杆、上底座的支座和上底座的横梁，且对底座的选型材料和焊接质量也应重点考虑。

5 结语
底座作为不压井修井机重要的金属钢结构承载载体，设备在作业过程中，底座的强度必须满足各类安全要求。

在设计底座时，需根据相关工况条件重点考虑较大应力和较大应变的区域，本文通过对不压井修井机底座进行参数化建模和结构有限元分析，可获得靠谱的底座应力和变形等方面的信息，并为指导底座的安全设计和制作提供理论参考依据。

参考文献
[1] 谢永金，曹立明.新型不压井作业设备的研究[J].石
油机械，2007，35（9）.
[2] 王炜.不压井作业装置技术现状与应用分析[J].石油
机械，2014，42（10）.。