折叠人字架式井架研制与应用

魏海锋，关苗芳

(兰州兰石石油装备工程有限公司，甘肃 兰州 730314)①

折叠人字架式井架研制与应用

魏海锋，关苗芳

(兰州兰石石油装备工程有限公司，甘肃 兰州 730314)①

传统钻机的井架底座在起升后井架和人字架均在钻台面以上，占用了钻台空间，并且底座起升过程之中存在重心偏斜现象，影响起升平衡。折叠人字架式井架的优点是在井架起升后，将人字架折叠至台面以下，增大了钻台上的实际使用面积，采用分体结构起升，平稳无偏斜。 通过井架起升力及钩载计算以及三维建模分析，对井架底座在各个工况下进行强度分析，以满足新型钻井市场对钻机结构型式和功能等方面的特殊使用要求。

钻机；井架；折叠人字架；计算

国内生产的电动钻机井架底座结构主要有双升式、旋升式、随升式3种结构，其共同特点为起升后井架人字架均在钻台面以上，占用了钻台空间，并且底座起升过程之中存在重心偏斜现象，影响起升平衡。折叠人字架式井架的优点是在井架起升后，将人字架折叠至台面以下，增大了钻台上的实际使用面积，利于在钻台安装设备及方便操作，增加了安全性，满足了新型钻井市场对钻机结构型式和功能等方面的特殊要求。

1 折叠人字架式井架结构特点及起升原理

JJ450/47.55-K型折叠人字架式井架设计是以H型钢为主大腿的前开口式无绷绳井架，与天车、底座、绞车等部件配套成钻机，井架在钻井过程中用以安放天车、悬挂顶驱、游动系统、钻具，进行起下钻杆、下套管、处理井下事故等作业。主要由井架Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段、V段、人字架、起升装置等主要部件组成。井架上配有二层台、挡风墙、立管操作台、套管扶正台、大钳平衡重等附件，井架结构(如图1所示)。转盘梁固定在井架I段之间，井架起升带动立根盒梁起升，到位后，与人字架用销子连接，之后折叠人字架上半部分折叠至台面以下，将起升大绳由分段处分开，连接至顶层后部绞车梁上，利用绞车自身动力将绞车梁及绞车起升到位，并连接在井架I段大腿上。人字架其前后支座位于底座底层左、右基座上，组成稳定的三角形结构。井架大腿支座落在人字架前腿的支座上，井架前后用井架液压缓冲液缸和人字架上的螺纹顶丝进行调节，以便使大钩对中井眼。人字架顶部可折叠(如图2所示)，在井架起升到位后。人字架顶部可折叠至台面以下，不占用钻台面的空间。

图1 井架低位安装示意

2 折叠人字架结构特点

人字架由中间的大横梁把左右相互对称的两个人字架连成一体，人字架用来起放和支撑井架。井架起升时为了能够使井架平稳地靠放在人字架上，同时下放井架时又能使井架重心前移，依靠井架自身的重力下放。在人字架上设有液压缓冲装置，通过液缸的伸缩来实现起升的缓冲和井架下放时推顶作用。折叠人字架区别于普通人字架的一个最大特点，就是可折叠，在井架起升到位后卸掉连接左右人字架的大横梁，人字架上部便可折叠到钻台下面(如图3所示)，而且井架在起升时，转盘梁，立根盒梁已随着井架的起升到位，已经相当于起升了底座，节省了时间，使起升更加方便，快捷。在人字架大横梁上有一导向滑轮，在井架起升时快绳绕过该滑轮，对快绳起支撑和导向作用。

这种人字架折叠的井架结构，使传统的钻机台面面积增大，平整，能最大限度地摆放钻井工具，而且在放置司钻房的时候不用再考虑人字架大横梁干涉的问题，能有效增加井架内开档的距离。人字架折叠需要人为地折叠或者升起，或者用液压装置自动折叠和升井，使整个钻机的性能大幅提高。

a 直立状态(井架起升时) b 折叠状态(井架起升后)

图3 井架底座起升后人字架折叠时状态

3 井架起升力及钩载计算

JJ450/47.55-K型井架采用人字架起升方式，井架起升装置如图4所示。在起升装置中配有起升大绳，起升三角架及高低支架，井架起升时为了能够使井架平稳的靠放在人字架上，同时下放井架时又能够使井架重心前移，从而依靠井架本身自重下落，在人字架上设有液压缓冲装置，通过液缸的伸缩来实现。

1—高支架；2—低支架；3—起升大绳；4—起升三角架。

根据静力学平衡方程：

2PL1+TL2=∑GL

(1)

(2)

式中：G为井架上所有参与起升部件集中的重力；L为井架上所有参与起升部件的重心到井架旋转销轴的垂直距离；α为井架原始起升角度时大钩下两条起升大绳夹角的一半，α=90°/2=45°；L1为起升绳到井架大腿销轴的距离；L2为快绳到井架大腿销轴的距离；P为起升绳单绳拉力；T为快绳拉力；n为绳数，n=12；η1为井架上的两个悬臂导向滑轮的效率0.96；η2为天车6×7轮系的效率0.782(摘自API 9B)。

把式(2)代入式(1)，得出单根起升绳的拉力为

3.1 静平衡状态

静平衡状态是井架刚离开高支架50～100mm，刹车旋停以做各项安全检查时的状态。

此时η1=1；η2=1。

大钩载荷为

QGJ=2PJcosα=2×898.675×cos45°=1 269.3 kN

3.2 动平衡状态

此时η1=0.96；η2=0.782。

大钩载荷为

QGD=2PD×1.042cosα

=2×1 202.7×1.042×cos45°=1 839.7 kN

3.3 井架起升大绳的破断拉力

FPD≥PJ×2.5=3 013 kN

起升钢丝绳为6×36WS+FC-ø72-1770，最小破断拉力为3 030 kN，设计满足要求。

4 结构有限元分析

根据折叠人字架井架的设计图纸，利用结构分析SAFI软件，建立了井架底座的整体有限元模型，计算了井架作业、可预见风、不可预见风、井架起升、底座起升等5种工况下井架的结构强度，计算结果显示，在这5种工况下，井架结构所有构件UC值均小于1，符合API 4F规范的设计要求。

1) 在井架作业、底座作业、可预见风、不可预见风这4种工况下UC值大于0.8的构件如图5所示。UC值最大为0.89，对应的构件编号为M987，位于井架Ⅱ段。

图5 井架作业时UC值分布

2) 在底座起升工况下UC值大于0.8的构件如图6所示。UC值最大为0.92，位于井架Ⅱ段。

图6 底座起升时井架UC值分布

3) 在井架起升工况下UC值大于0.7的构件如图7所示。UC值最大为0.97，位于人字架立柱上端。

图7 井架起升时UC值分布

根据API 4F规范第4版的计算模型进行有限元分析，JJ450/47.55-K型折叠人字架式井架设计在各种工况下所有杆件组合应力均小于许用值，该井架满足强度、刚度和稳定性要求，且具有一定的抗风能力，井架设计安全。

5 结论

1) 通过井架起升力以及SAFI软件建模计算，该折叠人字架式井架达到了预期的设计目的，满足正常作业工况下及设计生存工况的强度要求。

2) 井架主体均采用H型钢，人字架在井架起升完成后折叠到钻台下，结构设计合理，安全可靠，模块化安装，搬家方便。

[1] 董辉，常宝华，冯彦伟.石油钻机移运装置应用研究[J].石油矿场机械，2016，45(4)：63-66.

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[7] 机械设计手册编委会.机械设计手册[K].北京：机械工业出版社，2012.

[8] 常玉莲.钻井井架、底座的设计计算[M].北京：石油工业出版社，1996.

Research and Application of the Mast with the Folding A-Frame

WEI Haifeng，GUAN Miaofang

(Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou 730314，China)

Currently，as the conventional mast and substructure of drilling rig are raised，the A-frame of mast is still placed on the drilling platform and takes up space.Moreover，the phenomenon of centre of gravity off-set that effect the raising balance exists in the raising process of the substructure.The advantages of the mast with folding A-frame are that the A-frame can be folded and placed under the drilling platform so as to increase the actual usable area of the platform after the mast is raised.Upon analyzing the raising force of mast，hook load calculation and three-dimensions modeling，the strength analysis of mast and substructure under various working conditions is performed to meet the special applications of the drilling rig structure pattern and function on emerging drilling rig market.

drilling rig；mast；folding A-frame；calculation

1001-3482(2016)12-0060-04

2016-08-22

魏海锋(1982-)，女，甘肃皋兰人，工程师，现从事石油钻采设备的设计研究工作，E-mail：weihaifeng@lansland.com。

TE923

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.016