车载式修井机井口对中装置设计与分析

常玉连，田 美，高 胜，庞伶伶

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318） ＊

车载式修井机井口对中装置设计与分析

常玉连，田 美，高 胜，庞伶伶

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318）＊

简要介绍了车载式修井机井口对中装置的应用背景。论述了车载式修井机井口对中装置的结构设计，并应用SolidWorks仿真软件对其进行了有限元分析，获得了井口对中装置在弹性地基梁基础上的应力、变形情况。

修井机；结构设计；仿真；弹性地基梁

在石油修井作业中，修井机的井口对中是保证修井作业正常进行的关键环节［1－5］。但在国内石油修井作业中，车载式修井机对中井口仍然是通过司机目测后开动车辆来调整修井机车体的前后、左右位置，达到修井机对中井口的。这种方法操作困难、对中精度差、调整效率低。为了解决所提出的现有技术问题，本设计提出一种车载式修井机整机对中井口调整装置，该装置已申请国家发明专利，申请号为20110131298.6。

1 结构设计

该车载式修井机井口对中装置主体分为车体调整定位单元和井口定位单元2部分。其中，车体调整定位单元由主动端移动轨道、从动端移动轨道以及连接于2个轨道之间的若干连接定位梁构成；从动端移动轨道与主动端移动轨道在机械结构上相对应，在从动端移动滑块的作用下可随主动端移动轨道的动作而动作。井口定位装置包括底座焊接框架、开有螺栓通过槽的定位件调整座、开有连接螺栓孔的圆弧形井口定位件。

车体调整定位单元和井口定位单元之间通过铰接相连，主动端轨道架和从动端轨道架上的对应位置处分别镶嵌有若干个主动端动力滑块和从动端移动滑块，以实现若干个主动端滑板和从动端滑板能够分别相对于主动端轨道架和从动端轨道架进行水平方向的左右移动。

车载式修井机井口对中装置对中井口调整装置的工作状态如图1。井口对中装置的整体结构如图2。

图1 车载式修井机井口对中装置工作状态

图2 车载式修井机井口对中装置整体结构

2 功能原理及实现

在修井机进入井场前，先将井口对中装置安装在修井机工作位置的地面，通过井口定位单元确定车载式修井机整机对中井口调整装置的位置。之后，观察万向水准仪，调整整套装置，直至该装置保持水平，保证主动端动力滑块和从动端移动滑块居于轨道的中间位置，并能够相对轨道左右移动。将车载式修井机开到对中装置的移动轨道上，通过前、后限位块限定修井机的前后位置，此时两侧的车轮分别位于主动端移动轨道和从动端移动轨道上。在明确修井机左、右偏移量的前提下，调节3个手动双作用液压泵站来左、右移动主动端滑板，从而带动从动端滑板左右移动，进而使车体实现左右移动，最终实现修井机的左右位置调整。车体位置调整好后，将车体千斤落到其支撑梁上，用于支撑整车的重力。

使用该车载式修井机时，首先通过井口定位单元来确定整个修井机专用井口对中装置的位置；其次，将修井机开上主动端移动轨道和从动端移动轨道后，通过控制楔形挡块的位置，实现修井机前后方向位置的固定；最后，通过操纵手动双作用液压泵站可以在左、右方向调整修井机的位置，从而使修井机能够简单、准确、高效地实现修井现场井口的对中，可大幅降低工人的劳动强度，提高修井效率。此外，调整装置采用滚动摩擦，可以减小摩擦力，使对中井口操作更为省力，从而为修井机的顺利安装做好准备工作。

3 地基梁的有限元分析

该对中装置为对称结构（如图2），主要承载构件是2个移动轨道。整个装置放置在地面上，工作时在修井机自重载荷和工作载荷的作用下，地基产生压缩变形，从而导致地基产生沉降。因此在设计时，必须计算基础的最大沉降量和沉降差，并控制使之不超过容许范围。将整个对中装置的移动轨道简化成弹性地基梁［6］（指搁置在一定弹性性质的地基上的梁，如条形基础、铁轨下的枕木等）。由于梁的各点都支撑在弹性地基上，因而可使梁的变形减少，刚度提高，内力降低。由于是对称结构，取一侧轨道计算弹性地基梁，简化模型如图3所示。

图3 有限元模型

弹性地基的抗压刚度是土的变形模量E0与压缩模量Es的函数。压缩模量Es是侧限压缩条件下的压缩指标，土样只能在垂直方向上压缩，侧向应变εx＝εy＝0；变形模量是无侧限条件下的压缩指标，εx＝εy≠0，是原位测定的，它能够真实反映土的压缩特性。两者具有一定关系，即

式中，E0为土的变形模量，kPa；Es为土的侧限压缩模量，kPa；β为与泊松比有关的系数。

土的变形模量E0随土的性状而变，软黏土的E0值约为几兆帕，甚至低于1MPa；硬黏土的E0值为20～30MPa；而密实的砂砾石的E0值可达40 MPa以上［2］。

在本结构设计分析中，采用密实的砂砾石，其弹性模量E0＝40MPa，则有

式中，A为面积，m2。

抗压刚度（E0A）为

总刚（3E0A）为

首先取独立式修井机整车重力为300kN，该修井机共有6个轮胎，故每个轮胎受力大小为50kN，即每个滑块受力为50kN。根据弹性地基梁理论进行车载式底座的校核和分析。在进行有限元分析时根据受力实际情况施加载荷并定义边界条件，对基础进行弹性地基梁的处理，对模型划分网格并进行分析和计算。井口对中装置应力及位移云图如图4～5所示，井口对中装置应力曲线及位移曲线如图6～7所示。

图4 井口对中装置应力云图

图5 井口对中装置位移云图

图6 井口对中装置应力曲线

图7 进口对中装置位移曲线

由图4～7可以看出，调整底座在支撑修井机车胎位置受到的力和位移都是最大的，最大应力为105.74MPa，最大位移为2.699mm；在弹性地基梁的基础上井口对中装置整体的位移量即沉降量不大。

4 结语

车载式修井机井口对中装置能够保证修井机的位置调整，整套装置结构合理、可靠，操作简单，对中精度高，调整效率高，能够解决现有修井机井口对中难的问题。

［1］ 谢永金.我国修井机发展的技术现状与展望［J］.石油机械，2005，33（10）：72－75.

［2］ 李连峰，黄宝丽，吕 贤，等.修井机盘式制动器控制系统研究［J］.石油矿场机械，2011，40（7）：31－34.

［3］ 李连峰，高栋梁，隋秀伟，等.修井机盘式制动器模态分析［J］.石油矿场机械，2011，40（3）：59－62.

［4］ 王树龙，邓 奇，李俊贞，等.基于螺杆钻具载荷特点的盘刹控制系统［J］.石油矿场机械，2010，39（6）：73－75.

［5］ 孟宪克，吕阿波，党宁军，等.XJ450型修井机转盘传动系统改造［J］.石油矿场机械，2009，38（4）：81－83.

［6］ 龙驭球.弹性地基梁的计算［M］.北京：高等教育出版社，1981.

Design and Analysis of Vehicle－mounted Workover Rig Wellhead Aligument Structure

CHANG Yu－lian，TIAN Mei，GAO Sheng，PANG Ling－ling
（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

This paper describes aplication background of Vehicle－mounted workover rig wellhead aligument structure，discusses Structural design of Vehicle－mounted workover rig wellhead aligument structure，Simulation in SolidWorks applied in base of elastic foundation Finite element analysis to Vehicle－mounted workover rig wellhead aligument structure.Obtain stress，deformation in the elastic foundation.

workover rig；structural design；simulation；elastic foundation

1001－3482（2012）03－0028－03

TE935

A

2011－09－20

常玉连（1951－），男，辽宁鞍山人，教授，博士生导师，主要从事机械系统仿真与控制技术研究，E－mail：cyl＠nepuedu.cn。