石油钻机整机移运装置的设计与研究

孙晓微



石油钻机整机移运装置的设计与研究

孙晓微

（兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州 730314）

文章以钻机整体移运装置为研究对象，通过对底座及外围配套设备的改进，结合实际移运环境，根据不同移运距离的要求，设计出一种安全可靠，承载性好，整体布置合理，连接脱离快捷牢固的移运装置。

石油钻机；移运装置

前言

目前，许多国内外典型和新型钻机移运系统结构，根据现场作业环境、移运距离及井位布置情况，钻机整体移运方法主要分为轮式移运方式和步进式移运方式两种。轮式移运方式：一般用在井位距离相对较远、运输条件较好、场地宽阔、使用环境不受限制土质较硬时。轮式移运方式又分为半拖挂和全拖挂两种。中小型钻机由于运输负荷轻且外形尺寸相对较小，因此大多采用半拖挂形式；深井钻机则由于负荷重，外形尺寸较大所以大多采用全拖挂移运形式。步进式移运方式：在运输距离相对较近或打丛式井时，宜采用步进式移运方式，步进式移运装置可以满足钻机在工作状态下移动。步进式移运方式又分为底座下加导轨式和在底座的四个角上加装四个移动座两种形式，它们都是利用顶升油缸将钻机主体整体顶起，再利用水平推移油缸推动钻机移动。此种方法，结构紧凑，移运时方便快捷，很大的减少了井队人员的劳动强度。

但是以上两种移运方式还存在如下问题：a.由于钻机的偏载容易造成在两条轨道上所产生的摩擦力大小不一，导致液缸在推进时钻机在两条轨道上的位移不同；b.如果液压系统给两侧液缸提供的液压油某一时刻流量的不同,也会导致两侧液缸产生的行程不一；c.由于生产制造带来的误差，如：两条轨道的平行度误差、安装误差、水平度误差；液压缸的生产误差；液压管路以及阀件生产、安装误差等均能导致钻机在移动时产生位移差。

1 移运系统结构设计与分析

1.1 总体结构布置

本文所设计的平移装置是用在7000m石油钻机的移运上，总体布置按步进式平移考虑。即在钻机左、右基座前段和后端各增设一套平移装置支撑座，在钻机起升后作业状态下需进行平移时，只需将钻机主体用四套平移装置的顶升液缸顶起，再由自行走机构带动钻机主体一起向前或向后移动，到达指定位置后由刹车机构制动，然后收缩举升油缸，将钻机主体移运至目标位置，然后将外围的配套设备相应的也用移运设备移运到指定地点。钻机平移装置布置如图1所示：

图1 钻机平移装置布置图

主要技术参数如下：

（1）液缸额定压力是18MPa

（2）顶升液缸缸径/数量为420mm/4套

（3）最大举升高度<150mm

（4）举升质量约800吨

（5）基础承压强度≥2MPa

（6）推荐拖移过程速度为1.39 mm/s按5m/h)，假设钻机整体在1分中从静止状态获得该速度，所以加速度u=1.39 /1=1.39 mm/s2。

由于钻机在整体移运过程中的重量主要由顶升液缸和其连接的滚动装置承载，轮胎不承受主要载荷，只承受自身重量和一部分钻机重量，主要起到提供牵引力的作用。装在轮毂上的电动机输出的扭矩通过传动轴和差速器以一定的比例分配到移运装置的前后半轴上，四个车轮时刻都能单独提供驱动力，在钻机移运过程中始终保持四轮驱动的形式，可根据场地的实际情况合理分配牵引力，保证具有很好的通过性与稳定性。此移运装置采用模块化设计，各模块间可纵横拼接，具有较强的灵活使用性能。结构如图2所示：

图2 钻机移运系统结构示意图

1.2 使用条件及注意事项

使用钻机整体移运装置前，首先要沿钻机位移方向整平夯实场地；然后在场地上方铺设一层或多层厚钢板，确保场地能够承受钻机整体对场地的压应力；或者在场地上方铺设固定钢质运行轨道，并保证两条运行轨道平行且在同一平面内，一般推荐使用与钻机重量相适宜的槽钢做运行轨道。

当钻机整体与移运装置的顶升液缸连接好时，应检查钻机是否平稳水平，液缸的顶升支点与钻机连接是否可靠，场地是否平整，或者轨道是否平行水平，是否有应力不够而变形现象，同时检查运行轨道内是否有其他影响正常移运的障碍物，当检查完毕，确保安全前提下，启动牵引装置。移运装置带动钻机整体缓慢匀速前进，牵引过程中，应时刻注意移运装置、钻机整体、轨道、地基等是否正常，如发现异常，应立刻停止移运，排除故障后方可继续牵引，直到将钻机移运到指定地点。

2 支架结构的可靠性分析

2.1 支架建模

移运装置静止时，滚动装置支架只承受移运装置自身质量，在钻机工作状态移运钻机时，主要承受自身重量和钻机总体重量，由于移运装置采用对称布置形式，载荷具有对称性，因此建立1/4钻机整体的移运模型。如图3所示：

本本所述移运系统的支架选用材料为Q345，厚度为30的钢板焊接而成，其弹性模量为2.06x105MPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3，外形尺寸为1500mmx600mm。对支架有限元模型设置相应参数，施加垂直载荷，选择上平面为受力面，指定约束面。本文采用Shell63单元，Shell63单元即具有弯曲能力又含有膜力，可以承受平面内的载荷及法相载荷，每个单元节点具有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动，考虑应力刚化作用和大变形能力。本文在划分网格时采用参考单元边长为20mm，为保证网格质量，采用人工划分。各板件的连接采用连续角焊缝，可以用节点共享的方式处理，本文在公共边界处采用等分数的单元划分，使其节点重合，最后合并节点，即完成了共节点操作。

图3 支架网格划分模型

2.2 有限元计算结果分析

钻机天车、游车、大钩、水龙头、转盘、补心、转盘独立驱动装置、绞车、井架、底座、钢丝绳、司钻控制房、左、右偏方等钻机的主要部件重量总计约550吨，加上全部立根（250吨），故平移总重约为800吨（不含平移时需移去的坡道、滑梯及梯子等）。利用软件得到的最大Von Miss等效云图（如图4所示）可以看出，最大应力值为25537.6MPa，发生在支架液缸连接板处，与下支板的焊接质量有关，但未超出许用应力值。次大值发生在下支板与上面板连接处，其应力值为17029MPa，支架其他部位的应力值均远小于材料许用应力值，相对安全。由支架位移云图，可以看出支架的最大位移4.175e-002出现在下支板与上面板连接的中间部位，其余部位位移较小。

图4 Von Miss等效云图

3 总结

本文以钻机整体移运系统为研究对象，对钻机整体移运装置进行了模块化的结构设计，并对各个模块进行了简要的论述，主要对承重支架进行了有限元建模，有限元分析，得出了支架的总体应力分布图及变形图，并对其结构进行了优化改进分析。最后对可靠性进行分析与说明。此移运装置的初步设计已完成，还需要进一步的细化和分析。

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Design and Research of Integrated Moving System on Drilling Rig

Sun Xiaowei

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

Based on drill whole transit system as the research object, through to the base and peripheral equipment improve -ment, combined with the actual removed environment, according to the requirements of different move distance, design a kind of safe and reliable, good bearing, the overall layout is reasonable, the connection from quick and strong move device.

Drilling Rig; removed system

A

1671-988(2019)05-140-03

U462

A

1671-7988(2019)05-140-03

U462

孙晓微(1981.12-), 女，硕士学历，工程师，就职于兰州兰石石油装备工程股份有限公司。研究方向：石油钻机总体系统研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.043