垂直起升钻塔的研制及应用

2020-11-23刘小康张西坤宋秋锋靳益民

陕西煤炭 2020年6期

刘小康，张西坤，宋秋锋，靳益民，张彤

(1.陕西省一九四煤田地质有限公司，陕西铜川 727000；2.河北建勘钻探设备有限公司，河北石家庄 051134；3.石家庄铁道大学，河北石家庄 050043)

0 引言

在城市小区进行地热深井施工，以及在山地、农田、沼泽等狭小区域进行石油、天然气、煤层气井施工，钻塔的安装起塔和落塔拆卸的占地面积问题是一个很大的制约因素[1-3]。施工辅助时间不直接创造价值，是施工成本的主要构成方面，缩短钻塔的安装起塔和拆卸落塔时间也是值得考虑的重要因素[4-5]。大型常规钻塔安拆不能实现自动化作业，必须是人员密集的交叉作业、高空作业，而且钻塔起升系统复杂、起升力过大，对员工安全造成极大的威胁，保证安全文明施工，更是钻塔的安装起塔和拆卸落塔必须高度重视的关键因素[6-7]。为此，设计以原地起降、占地很少、安拆简便为特点的垂直起升钻塔的方案，可以减小占地面积，缩短工期，降低施工成本，消除人身安全隐患。

1 设计方案

1.1 设计思路

垂直起升钻塔是一种K型自升式钻塔，由钻塔底座、起升支架、起升机构、钻塔各段、钻塔塔顶和液压系统组成。底座内安装起升机构，底座上安装起升支架，通过起升支架的支撑作用提供支撑力，通过安装在起塔支架上的导向装置对起升的各段钻塔进行导向扶正，通过起升机构的平推油缸提供平推力，通过起升机构的导向装置将平推力装换成起升力，将钻塔塔顶和钻塔各段进行起升，钻塔塔顶和钻塔各段之间采用销轴连接，起升起来的钻塔各段与起升支架通过插装在其上的支撑轴进行支撑和固定，这样，垂直起升钻塔就能够利用自身的起升支架、起升机构及导向装置完成整体的起升与下放。

1.2 总体结构

垂直起升钻塔的基本结构包括钻塔底座(上底座、下底座、配重水箱、梯子、滑道、立根盒、转盘梁、绞车梁)、起升支架、起升机构(平推油缸、导向滑轮、运输小车)、钻塔各段、二层平台、上塔梯子护笼、天车组件、天车修理架和其它附属设施，总体结构如图1所示。钻塔底座为长方体状框架结构，钻塔各段安装在底座上。钻塔由多节段组成，各段包括左右2个长方形状塔片、横梁和斜梁，横梁和斜梁固定在长方形状塔片之间构成长方体框架结构。起升机构包括定滑轮、钢丝绳、油缸、动滑轮，形成一个改变运动方向和力量大小的运动副机构。

图1 垂直起升钻塔总体结构

2 基本结构

2.1 钻塔底座

垂直起升钻塔的钻塔底座有左右部分，每个部分由上下2层组成，平推油缸安装在左右底座的上层内部，是钻塔起升和下放的动力来源。在底座上设计有移动小车，移动小车沿导轨将组装好的各段钻塔移送到井口中心位置，等待起升，钻塔底座如图2所示。

图2 垂直起升钻塔底座结构

2.2 起升支架

起升支架：起升支架是钻塔起升的基本支撑结构，能给正在起升的钻塔提供临时支撑，使各节钻塔沿着起塔支架滑道平移上升；能够对钻塔进行扶正，保证钻塔起升的稳定性；可以为已经起升到位的钻塔段提供支撑平台，便于起升下一段钻塔。起升支架上的定滑轮用来改变绳系的方向。为了保证起升支架本身的稳定性，起升支架带有付腿，形成一个稳定的三角形；起升支架的付腿采用带有正反丝杠的结构，通过旋入和旋出螺纹，使付腿长度可调，来调整起升支架的滑道与钻塔段导轨的间隙，从而保证钻塔起升的稳定性，起升支架如图3所示。

图3 起升支架示意

滚轮导向装置：起升支架内侧上下各设置2组滚轮导向装置，如图3局部放大图A所示。滚轮导向装置的滚轮面和钻塔各段竖梁外表面接触，每组滚轮导向装置由2个滚轮构成，上部前后两侧一组滚轮位于上支点定滑轮的下方，上部前后两侧滚轮位于钻塔临时支撑装置的上方。

临时支撑装置：起升支架中设有钻塔临时支撑装置，如图3局部放大图B所示。临时支撑装置插销板结构和与插销板结构配合使用的门型结构，门型结构设置在钻塔各段的下部，插销板结构包括固定在底座上插销板和用于固定插销板的插销板支架，插销板结构设置在钻塔各段前后各一个，钻塔各段两侧各1个。

2.3 起升机构

起升机构包括平推油缸、导向装置、钢丝绳套、液压系统，是垂直起升钻塔的核心部分，起升机构如图4所示。在底座两侧对称水平布置2个平推油缸，通过导向滑轮作用于绕绳绳套达到向上提升的目的。在起升支架左右两侧内垂直向下的绳头与固定在钻塔各段的起升铰链上的提升绳套联接，平推油缸在油缸导轨内做伸长或缩短运动，使得钢丝绳绷紧或松弛，从而实现钻塔各段的起升或降落。钻塔起升时平推油缸施加的是水平推力，经过导向滑轮的变向，使油缸水平推力转变成克服钻塔重量而向上的拉力；钻塔降落时依靠钻塔自身重量降落，平推油缸施加的是使钻塔缓慢下降的背压。

图4 起升机构示意

2.4 起升高度和起升力的计算

钢丝绳套和定滑轮的组合是改变力的方向，不改变力的大小。钢丝绳套和动滑轮的组合是改变力的方向，也改变力的大小。

起升高度计算：根据起升机构的油缸行程和钢丝绳套垂直起升高度的关系，起升高度计算见式(1)

(1)

起升力计算：根据起升机构的油缸推力和垂直起升重量的关系，起升力计算见式(2)

(2)

计算分析：综合以上计算过程，可以看出单个油缸通过活塞杆上的导向滑轮的平推结构，浪费了一倍的行程，需要用2个油缸的行程来实现提升钻塔的高度H。单个油缸通过活塞杆上的导向滑轮的平推结构，省了一半的力，推力作用在单个绳头上的力是油缸推力的一半，推力作用在2个绳头上的力是油缸推力，也是垂直起升钻塔的自身重量，所以单个平推油缸的推力就可以把钻塔提升起来。

2.5 液压系统

垂直起升钻塔液压系统包括液压泵站、操作阀组、液压管路、液压油缸，液压原理，如图5所示。平推液压油缸为2支串联单活塞杆双作用油缸，起升时无杆腔供油。液压泵站包括油箱、电机、油泵、溢流阀、压力表、回油滤油器及各油箱附件。液压油缸为轴向地脚式双作用单活塞杆螺纹联接液压缸。

图5 液压原理示意

3 有限元分析计算

3.1 建立模型

结构简化：以KZ31-1350/4.0垂直起升钻塔为例，对其进行有限元分析计算。对垂直起升钻塔这类比较复杂的钢结构进行有限元力学计算时，保证满足计算精度的前提下，减少计算工作量，就需要适当地简化计算模型，适当地略去不影响主体的次要附件。

基本假设：①考虑钻塔主体部分，忽略二层台、天车、工作梯、起升支架、护栏等附件的影响；②二层台、天车等附件的质量视为集中力分配到相应的节点位置；③钻塔为刚架结构，基本单元采用空间梁单元，各杆件均承受轴向力和附加弯矩作用，各杆件间为刚性连接，可靠焊接；④钻塔各段之间不发生错位、移动现象；⑤钻塔固定方式为底部全约束；⑥钻塔安装时处于理想状态。

有限元模型的建立：根据垂直起升钻塔的结构特点，在载荷作用下钻塔会受到拉压应力以及弯曲应力，所以有限元分析模型中将钻塔的主体刚架结构简化为三维弹性梁单元，采用ANSYS Workbench中能够承受弯曲、扭转效应的Beam 188单元。Beam 188单元考虑到剪切变形的影响，不需要计算截面实常数，应用方便；根据钻塔实际情况能够定义不同的梁截面，与此同时细长到中等粗短的梁单元都可以模拟，显示出结构钢的形状和尺寸，方便模型建立过程中的检查。钻塔的每一根杆件为一个单元，杆件之间的公共点是节点，每个杆件均适用于线性、非线性应变和应力以及转动问题。钻塔底部节点6个自由度均受约束。

3.2 静力学分析计算

确定载荷工况：基于钻塔实际工作时的载荷组合方式颇多，在复杂的组合中选择适当的工况载荷。选择的工况应该比实际情况恶劣，作为钻塔的静力学分析工况。结合载荷设计的相关规定，根据设计要求和实践经验，选取钻塔工作过程中3种比较恶劣的工况对钻塔进行静力分析：最大钩载工况、预期风暴工况、非预期风暴工况。钻塔静力分析工况及基本载荷见表1。

表1 钻塔的静力分析工况及基本载荷

静力学分析计算：进行风载计算时，需要对风向进行确定，该风向的风载使钻塔产生最大的应力。基于上述原则选择了背面和侧面这2种风向，则钻塔的静力学分析共分有6种载荷组合的工况，6种工况下的位移变形图和应力分布，如图6所示。

图6 6种不同工况下的位移变形图和应力分布云

3.3 计算结果分析

通过有限元分析计算，在最大钩载工况、预期风暴工况、非预期风暴3种工况下的载荷分别施加到钻塔相应节点位置，得到钻塔的位移变形及应力应变结果。

变形位移：钻塔在不同工况下，变形位移最大值均在钻塔顶部。钻塔顶部的刚度问题需重点关注，需要加强钻塔顶部的刚度，尤其是满立根非预期风

暴工况时，需要重点关注钻塔顶部维修检查,必要时设计过程中优化材料属性，适应钻塔顶部的塑性变形[8-12]。

风载耦合作用：考虑到实际工作环境有自然载荷影响，基于钻塔侧面、背面耦合风载进行分析，2种风载耦合作用使钻塔的总形变量增大，侧面风载的影响略大于背面风载。受载荷冲击严重的钻塔顶部形变量最明显，与实际情况相符，特别注意侧面、背面斜撑，需要及时检查和维护。

整体稳定性：保证垂直起升钻塔结构的稳定性是确保安全重要因素，也是评定钻塔承载能力的关键指标[13-15]。对钻塔整体进行稳定性理论折算，得到整体结构稳定性应力98.34 MPa，小于钻塔材料的许用应力265 MPa，钻塔整体稳定性满足符合使用要求。通过有限元分析中结构的屈曲失稳计算得到结构失稳的前四阶屈曲振型数值，屈曲载荷系数计算得到钻塔的失稳临界载荷为2 436 kN，大于设计的最大钩载1 350 kN，同样说明钻塔的稳定性能良好，可在最大钩载工况下工作，不会导致钻塔失稳。

组合应力：钻塔在不同工况下组合应力最大的位置不同，最大钩载工况下钻塔组合应力值最大部位在钻塔一段前立柱处，主要受压应力；预期风暴工况下钻塔受到强烈风载荷冲击，弯曲变形，应力最大部位在钻塔二段与三段间的立柱处；非预期工况下，钻塔二层台应力值最大。计算得出组合工况的安全系数均大于API规定的安全系数1.67，说明钻塔具有一定的强度储备。钻塔立柱底部承受着大部分应力，是钻塔的薄弱环节，需要及时加强钻塔一段的检查维护，保证钻塔的安全使用性能。经计算分析钻塔的位移变化和应力变化均在设计要求范围内，符合规范，安全可靠。

4 应用实践

4.1 钻塔各段连接与起升

钻塔从上至下依次标记为一段，左右二段，左右三段……左右顶段。首先，在地面将天车和顶段组装好，在地面安装支架上将钻塔左右二段、背横梁、斜拉杆用销轴、别针连接成门型结构，将其放在移动小车上，推动小车，把它推向井口中心。接着，将组装好的天车和顶段与钻塔次顶段组装在一起；然后接通液压系统，将钢丝绳短节挂在钻塔次顶段下端吊桩上，缓慢起升钻塔。当钻塔起升到位时，停止液压系统，将起升支架上的支撑轴伸出，使钻塔缓慢下落停放在支撑轴上，至此钻塔天车、顶段与次顶段安装起升完成。接着将钢丝绳短节挂在钻塔下一段的下端吊桩上，起升钻塔，使下一段上部与次顶段下部接触，此时单铰链插进双铰链内，联接好钻塔段间的销轴和别针。各段钻塔一同起升，使上部各段钻塔坐落在方轴上，然后再起升下一段钻塔。以此类推，完成钻塔的起升安装。垂直起升钻塔起升时可以在起塔完成后再进行天车和游车的主绳的穿绳，也可以为了避免高空作业，先穿好天车和游车的主绳，再进行钻塔起升。在各段起升过程中，同时安装各段相应的梯子、护笼、吊钳平衡筒、高压立管和各种附属配件。

4.2 实践效果

在地热深井施工中的应用：由中国地质科学院勘探技术研究所与河北建勘钻探设备有限公司联合设计研发的4 000 m地质岩芯钻机是国家“十二五”和“863”计划资源环境技术领域课题研究成果。4 000 m岩芯钻机的钻塔经专家论证后确定采用垂直起升钻塔，该钻机在天津东丽区进行地热调查井(CGSD-01井)钻探施工，这是中国地质调查局京津冀地热科技攻坚的第一口地热深井，获得了一系列地热水文地质资料，实现了深部地热监测的技术突破。施工实践证明，垂直起升钻塔是该科研课题主要创新点之一，得到了专家和甲方的一致好评。

在狭小山地环境的应用：与中地装(北京)科学技术研究院有限公司合作完成的KZ31-135/4.0型液压竖直起升钻塔研制，在台湾300 m2的狭小山地上，全套3 000 m深井钻机进行了安装起塔，并顺利完成地热井施工。解决了施工场地狭小、安装起塔困难的一系列难题。

在固体矿产钻探中的应用：江西省国土资源厅九一二队在江西景德镇浮梁县朱溪地区3 000 m固体矿产深钻ZK1814钻孔施工，是国家“三深一土”(深地探测、深海探测、深空对地观测、土地科技创新)战略的标志性工程，该项目配套垂直起升钻塔，创下了江西固体矿产钻探深度新纪录。

在深部科学钻探中的应用：垂直起升钻塔技术是深部科学钻探综合技术实力的体现。中央电视台《创新一线——来自地下7 000 米的秘密》，介绍了国家重大科研项目《地球深部科学钻探》采用垂直起升钻塔的情况，如图7所示。