一种新型快移钻机的结构设计

摘要：快速移运钻机作为新型石油钻机的一种形式，具有搬迁速度快、成本低、节省拆装时间及有效人工劳动强度等优势，近年来研发速度加快，具有较大的发展潜力。该快移钻机使用整体拖挂移运，底座采用箱叠式结构，大大节省了拆装、搬家的时间及费用。整体移运时，井架既可以直立也可以放倒，同时这类钻机也适用于沙漠环境。

关键词：石油钻机；快速移运；拖挂；伸缩；结构设计文献标识码：a

中图分类号：te922 文章编号：1009-2374（2016）16-0041-03 doi：10.13535/ki.11-4406/n.2016.16.019

目前绝大多数的陆地钻机钻完一口井后就需要搬家，移运到下一口井。在钻机的使用寿命期内，搬家、拆卸、运输和安装所耗费的时间占了相当大的比例。因此，如何以最少的时间快速高效地移动，运送石油钻井设备，延长钻机的使用寿命，使钻井成本降为最低，成为摆在钻井工程人员面前的关键问题。

一般来说，快速移运钻机根据现场使用环境、运输距离及井位布局情况，主要分为轮式和步进式两种移运模式。在运输条件好，井位距离相对较远时，适宜采用轮式移运，轮式移运分为半拖挂和全拖挂两种，中小型钻机由于运输负荷和外形尺寸相对较小，一般采用半拖挂形式；深井钻机采用全拖挂移运形式。在运输距离相对较近或钻丛式井时，适宜采用步进式移运，步进式移运可以在井架直立的状态下移动。

目前油田用井架、底座的拖挂移运大多都是单独移运，由于井架重心高，搬家前在移动到拖车装置上时可靠性差，到井场后还要再次将井架与底座组装。而整拖钻机由于井架不下放、运输高度过高，不同钻机类型运输高度至少大于40m。而车载钻机是井架与主机模块（包含绞车、柴油机、减速箱等设备）一起运输，底座必须解体成零部件运输。另外，由于车载钻机井架都是有绷绳井架，无法在沙漠环境使用。

因此，为满足能把井架放倒运输，天车、井架、底座、绞车、游车、大钩、顶驱、转盘及传动装置、主机高压管汇、主机液气路等能整体运输（包括在沙漠环境），且运输总高度小于12m，开发一种符合这些要求的拆装时间短、运输高度低、移运效率高且适用于沙漠环境的钻机就很有必要。

1 结构说明

底座为箱叠式结构，底部开口与井架开口一致便于整体拖运时通过采油树。

井架分两段，采用无绷绳套装伸缩结构，使用液缸起升。井架上段可由液缸控制伸缩，在井架下放前、运输时收回井架上段，二层台可翻转结构，降低了运输高度、长度，使运输时有更好的安全性。

2 结构分析

2.1 主要参数

底座台面高度：7m

井架有效高度：35m

最大转盘载荷：1580kn

额定立根载荷：1350kn

最大额定静钩载：1580kn

2.2 基于safi进行有限元分析

基于钢结构有限元分析软件safi对底座、井架、天车部件进行计算。

safi软件是加拿大建筑结构软件公司开发的有限元软件，广泛应用于各类钢结构计算分析。safi软件集成了api spec 4f以及美国钢结构协会aisc《钢结构手册》等规范。safi 软件有着广泛的应用，可以方便地自动完成加载、计算、校核，能够很好地完成结构设计的理论分析。

safi软件可以采用图形用户交互方式建立模型，然后加载运算。对于井架，可以直接建立有限元模型，使用软件提供的单元库（各种型材截面），也可以自己定义单元截面。软件可以做普通有限元软件所作的结构有限元分析，同时提供了方便用户的综合检验limit states 值（limit states就是下文中所说的uc值），只要uc值不超过1，单元的强度就满足要求。

2.3 校核方法的确定

钢结构设计符合《钢结构建筑规范――许用应力设计和塑性设计》（aisc 335-89），用aisc 335-89的许用应力设计部分来确定许用单位应力。对梁单元考虑其弯曲及剪切。对受压弯杆件强度校核按aisc 335-89中第h章h1.的有关公式对危险杆件进行校核。如下：uc= （1）

uc= （2）

当fa/fa≤0.15时，可用式（3）代替式（1）和（2）：

uc= （3）

式中：

fa――只有轴心力存在时允许的轴心压应力

fb――只有弯矩存在时允许的弯曲压应力

fe′=等于除以安全系数的欧拉应力，ksi（在fe′的表达式中，lb是在弯曲平面内的实际无支撑长度，rb是相应的回转半径，k是在弯曲平面内的有效长度系数，如同fa、fb和0.60fy的情况一样，在风载和地震载荷作用下，fe′可增大1.33倍）

fa――算得的轴向应力

fb――在所考虑点的计算压缩弯曲应力

cm――系数，见aisc 335-89的第h章h1.，对井架构件取cm=1.0

fa按aisc 335-89第e章如下公式计算：

当kl/rcc时：

式中：

k――在弯曲平面内的有效长度系数

l――在弯曲平面内的实际无支撑长度

r――回转半径

cc――区分弹性与非弹性屈曲的柱的

e――钢材长细比的弹性模量

fbx和fby按aisc 335-89第f章确定。

综上所述，uc值是构件的综合校对值，计算uc≤1认为该构件强度、刚度满足要求，若uc值>1，且应力值也较大，则该构件须加强后重新校对。

2.4 模型处理该结构主要是由天车、井架、底座等组成的整体空间钢架结构。为了便于进行有限元分析，对力学模型做以下处理：（1）井架为刚架结构，井架各杆件之间连接可靠，近似为刚性连接；（2）二层台和天车在建模时与井架合为一体，钩载、快绳力和死绳力通过天车作用到井架及底座上。立根靠力和立根风力通过二层台作用到井架上；（3）天车、井架、底座附件，如梯子总成、大钳平衡重、套管扶正台等建模时全部忽略掉，在计算时将天车、井架、底座自重乘以一定的放大系数（如1.4），以考虑这些附件的重量影响；（4）根据截面尺寸不同，把各杆件划

分为宽边工字钢、矩管、圆管、槽钢、角钢等单元类型。

2.5 计算结果

计算结果如表1所示：

2.6 倾覆和滑移验算

该钻机用于提供抵御倾覆和滑移的静载荷最大值均取设计最小载荷的90%，在计算最小