基于SAFI的修井机井架上体顶升过程分析

郝保川,周桂智,朱祥冰

(山东科瑞机械制造有限公司,山东 东营 257067)

0 引言

目前，国内外修井机井架普遍采用两节套装式结构，井架上体套装在井架下体里面，井架上体顶升过程中需要依靠顶升液缸将井架上体及其附件顶升至工作高度。因此研究顶升液缸的顶升力，对于合理确定液缸参数、分析井架受力情况和科学解释井架上体顶升爬行现象等具有重要意义[1，2]。 本文以常规XJ550修井机井架上体顶升过程为例进行分析。

1 理论分析

图1为井架上体顶升过程，顶升液缸布置在井架背部。井架上体顶升时，液缸本体下端通过螺栓连接在井架下体上，上端活塞杆端部通过螺栓连接在井架上体上，通过液缸的伸长实现井架上体的缓慢伸出，直至井架上体顶升至工作高度。顶升过程中井架保持前倾3.5°；同时，二层台随着井架上体伸出缓慢打开至水平工作状态。

1-井架上体；2-顶升液缸；3-二层台；4-井架下体

在不考虑井架制造误差、各部位润滑情况等外部因素影响下，井架上体顶升过程受力简图如图2所示[3]。图2中，G为参与顶升部件重量(除二层台外)；GR为二层台重量；F顶为顶升液缸顶升力；A为下端支点；B为上端支点；D为顶升点；FfA为下端支点A处的摩擦力；FfB为上端支点B处的摩擦力；L1为顶升点D到二层台重心的水平距离；L2为顶升点D到顶升部件重心的水平距离；L3为下端支点A到上端支点B的顶升初始距离；L4为顶升点D到上端支点B的顶升初始距离。

图2 井架上体顶升过程受力简图

沿顶升液缸轴向方向，根据力的平衡原理可以求得液缸顶升力F顶为：

(1)

摩擦力Ff为：

Ff=Ff1+Ff2+Ff3.

(2)

其中：Ff1为二层台重心位置改变产生的摩擦力；Ff2为顶升重心与顶升支点偏心产生的摩擦力；Ff3为顶升力在水平方向上的作用力产生的摩擦力。

由于G和GR是定值，由公式(1)可知，影响顶升力F顶变化的因素主要来自于摩擦力Ff的变化。

1.1 二层台重心位置改变产生的摩擦力[4]

二层台重心与井架上体顶升点不重合，偏移距离为L1，则对井架上体产生的附加弯矩M1为：

M1=GR×L1.

(3)

根据力矩平衡原理，二层台重心位置改变产生的摩擦力为：

(4)

其中：x为井架上体相对于初始位置顶升的距离；μf为井架下体减阻轮与井架上体的摩擦因数。

1.2 顶升重心与顶升支点偏心产生的摩擦力

井架上体顶升部件的重心与井架上体顶升点不重合，偏移距离为L2，则对井架上体产生的附加弯矩M2为：

M2=G×L2.

(5)

根据力矩平衡原理，顶升重心与顶升支点偏心产生的摩擦力为：

(6)

1.3 顶升力在水平方向上的作用力产生的摩擦力

当顶升点高于上端支点B时，顶升力在水平方向上的作用力产生附加弯矩作用，根据力矩平衡原理，下端支点A的摩擦力为：

(7)

上端支点B的摩擦力为：

(8)

则顶升力在水平方向上的作用力产生的摩擦力为：

(9)

由式(4)、式(6)、式(9)可知，随着井架上体的顶升，因L1、x一直在变化， 从而造成Ff1、Ff2、Ff3也在一直变化。

根据式(1)、式(2)、式(4)、式(6)、式(9)求得液缸顶升力为：

(10)

2 计算验证

以常规XJ550修井机为研究对象，对液缸顶升力计算公式(10)进行验证，分析井架上体顶升过程中顶升力的变化趋势及其影响因素。

2.1 理论计算公式验证

XJ550井架重量和尺寸参数如表1所示。

表1 XJ550井架重量和尺寸参数

XJ550修井机井架采用无减阻轮结构，接触面涂油润滑，经查阅机械设计手册，参考摩擦因数为0.05～0.1[5]，考虑实际使用工况，摩擦因数μf取值0.1。由式(10)可知，在其余参数一定的情况下，降低摩擦因数μf能有效减小液缸顶升力F顶。

根据式(10)计算得出井架上体顶升过程中Ff1、Ff2、Ff3的变化趋势，如图3所示，液缸顶升力F顶的变化趋势如图4所示。

由图3可知，顶升力在水平方向上的作用力产生的摩擦力Ff3对液缸顶升力变化影响最大，二层台重心位置改变产生的摩擦力Ff1影响次之，顶升重心与顶升支点偏心产生的摩擦力Ff2影响最小。

图3 井架上体顶升过程中 图4 井架上体顶升过程中Ff1、Ff2、Ff3的变化趋势 F顶的变化趋势

2.2 SAFI有限元验证

运用有限元分析软件SAFI对XJ550井架上体顶升过程进行分析。XJ550井架上体顶升过程模型如图5所示。首先提取出下端支点A和上端支点B的支反力，然后乘以摩擦因数μf，从而得出摩擦力Ff。分析得到的井架上体顶升过程中的摩擦力Ff如图6所示，顶升力F顶如图7所示。

图5 XJ550井架上体顶升过程SAFI有限元模型

图6 有限元分析得 图7 有限元分析得到 到的摩擦力Ff 的液缸顶升力F顶

2.3 理论计算公式和SAFI有限元验证的比较

将理论计算公式得出的F顶与SAFI有限元分析得出的F顶进行比较分析，结果如图8所示。二者所得结果误差范围在±5%以内，从而验证了采用公式(10)计算液缸顶升力F顶的正确性[6]。

图8 理论计算公式和SAFI有限元分析所得F顶比较

液缸顶升力随着顶升高度升高是一个逐渐增大的过程，且随着顶升高度的升高，顶升力变化越来越明显；随着井架上体和井架下体套装重叠部分越来越小，顶升力急剧增加。因此，井架上体和井架下体套装重叠部分不宜过小，否则会使液缸顶升力急剧增大。

3 结论

(1) 通过理论分析得出液缸顶升力的计算公式，并通过与 SAFI有限元分析结果进行比较，验证了计算公式的正确性。

(2) 顶升力在水平方向上的作用力产生的摩擦力对液缸顶升力变化影响最大，二层台重心位置改变产生的摩擦力影响次之，顶升重心与顶升支点偏心产生的摩擦力影响最小。

(3) 设计科学的减阻结构以降低摩擦因数能够有效降低液缸顶升力。

(4) 井架上体和井架下体套装重叠部分不宜过小，否则会使液缸顶升力急剧增大。