动力鼠洞结构设计及关键技术分析

李 伟，王 贇

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

鼠洞在整个石油钻采过程中扮演着不可或缺的角色。传统的石油钻采过程中，当需要接钻杆时，需要人工操纵完成钻杆与鼠洞中单根的对扣，钻井工人劳动强度大，且一旦钻杆脱手失控，危险性极大，工作效率比较低[1]。

井口设备机械化是人们一直在研究的课题，而整个自动化钻杆操作系统中，动力鼠洞必不可少[2]。新型的动力鼠洞可将落入鼠洞的钻杆扶正，并可以通过升降装置调整钻杆位置，实现不同长度的钻杆与铁钻工的配合，完成接立根或卸立根[3]。

本文设计的动力鼠洞避免了传统钻机接立根操作与钻进操作不能同时进行的缺点，提高了工作效率。同时动力鼠洞的设计可以满足不同长度钻杆(钻铤)的需要，在司钻房即可实现控制，减少了劳动力，提高了工作效率而且更安全。通过对滑轮组的使用，可以用小行程的油缸来实现移动缓冲装置的大行程，降低了设备成本。

1 鼠洞结构及设计参数的确定

本文研究的动力鼠洞结合上海振华重工(集团)股份有限公司研发的海洋平台钻井包对排管系统的要求，最终确定了动力鼠洞的详细技术参数与结构型式。为完成自动化接立根和卸立根工作，需要两台动力鼠洞与铁钻工配合实现。

接套管只需要一个动力鼠洞，另一个鼠洞只在接钻杆时才用到，因此不需要两个鼠洞都有接套管功能，即在设计时动力鼠洞分长动力鼠洞和短动力鼠洞(以下简称长鼠和短鼠)，长鼠既能接钻杆也能接套管，短鼠只能接钻杆，这样可使鼠洞管长度缩小，油缸行程缩短，从而减轻质量，降低成本。

具体技术参数见表1。

表1 动力鼠洞技术参数

动力鼠洞主要由管子定心装置、洞口安全装置、液压鼠洞装置、移动缓冲装置及钻杆升降装置等组成，其结构如图1所示。长、短动力鼠洞的区别在于液压鼠洞装置鼠洞管的长度以及钻杆升降装置中液压油缸的行程。

图1 动力鼠洞结构

2 鼠洞主要部件设计

2.1 管子定心装置

管子定心装置安装在鼠洞口，采用弹簧连接4个张紧轮和联动机构，当钻杆下放时，会驱动张紧轮紧压钻杆臂，起到扶正对中作用，其他相关机具可以方便地从鼠洞内抓取管具及方便铁钻工接钻杆时对接。当钻杆上提时，会反向驱动张紧轮，以减少对钻杆臂的压力。

管子定心装置底部设有定位销，方便定心装置在钻台面的安装定位。在定心装置入口及旋转臂位置都设有耐磨垫，用于减小钻杆磨损。

2.2 洞口安全装置

本文研究的动力鼠洞可整体隐藏钻台甲板下，因此增加了安全盖板，盖板上表面与钻台面平齐，既美观又提高了钻井工作人员的安全性。

动力鼠洞的洞口安全装置起保护作用，该装置由2个气缸提供动力，工作时将盖板翻开80°角，在需要承接钻杆或不使用鼠洞时，洞口安全装置气缸收回，盖板封盖，保护工作人员不出意外，也用于HTV立根手臂和桥式起重机之间的立柱交接，起到安全承接作用。

2.3 液压鼠洞装置

鼠洞管采用传统方法设计，其为一根圆柱管，底部有排污管接口，在鼠洞的内部安装有移动缓冲装置，移动缓冲装置的驱动由液压油缸提供动力源；在移动缓冲装置可到达的最高位置的鼠洞管壁上安装有限位开关或接近开关；在液压油缸上装有接近开关，检测油缸完全伸出位置、钻杆下放完成位置，并且在鼠洞管外部设计了保护支架，防止其他设备与鼠洞碰撞，造成设备损坏。

2.4 移动缓冲装置

移动缓冲装置结构上部采用锥形缓冲垫，中间为高强度弹簧，下部连接钢丝绳和吊耳。通过控制移动缓冲装置上下移动，从而带动鼠洞里面的钻杆上下移动，以到达合适的工作位置，而且弹簧在钻杆下放到锥形缓冲垫时，可起到缓冲作用，防止管具在下放过程中由于冲击而损坏接头。

2.5 钻杆升降装置

该装置通过液压油缸、滑轮组及钢丝绳锁具等部件实现钻杆的升降。动滑轮支撑架通过轴与油缸连接，可使动滑轮沿着鼠洞管下段的导轨上下移动，动滑轮支架通过钢丝绳与移动缓冲装置连接，带动移动缓冲装置在鼠洞管内上下移动。油缸每伸长1 m，移动缓冲装置就下降2 m，从而可以带动放置于其上的管具上下移动，以便达到合适的高度。

鼠洞的液压油缸是动力鼠洞的关键设备，通过控制液压油缸的伸出长度，调节鼠洞中的移动缓冲装置的位置，从而调整鼠洞中钻杆的位置。当鼠洞处于闲置状态时，一般油缸处于完全收缩状态；当需要存储钻杆时，液压油缸完全缩回，移动缓冲装置处于最高位置；当钻杆、钻铤或套管已经放置在鼠洞中时，液压油缸伸出到指定位置。当鼠洞中放置钻杆时，由接近开关或限位开关检测位置；当鼠洞中放置套管时，液压油缸完全伸出。

3 鼠洞安全性设计

在接单根或者卸立根时，放入鼠洞的钻杆或立根有掉入鼠洞的风险，自由落体的钻杆或立根会对鼠洞底部形成冲击，如果鼠洞强度不够，甚至会击穿鼠洞。钻杆坠落作为一项主要的突发事件，被越来越多用户所关注，并提出坠落安全分析需求[4]。通常鼠洞底部会有缓冲装置，能够缓解部分冲击，计算钻杆立根坠落情况下的冲击力，对于鼠洞结构设计以及缓冲装置选型具有指导性意义。

为了方便钻井包移动，鼠洞做成可折弯的结构，折弯部分通过锁定销与上部结构相连，冲击力过大可能导致锁定销失效，这种情况下冲击力的计算尤为重要。本文讨论的鼠洞结构如图2所示，由导向结构、折弯结构、缓冲装置等部件组成。

图2 折弯鼠洞结构

该鼠洞管全长17.748 m，鼠洞管外径为0.500 m，内径为0.472 m。折弯结构和导向结构通过两个直径为0.05 m的锁定销相连。鼠洞底部为蝶形弹簧缓冲装置，计算5-1/2″钻杆立根(3根)从距蝶形弹簧顶部1 m处坠落产生的冲击力。

3.1 冲击力计算

每根5-1/2″钻杆长度为30′，质量为3 037 kg，一个立根(3根)的质量为9 111 kg，故设计载荷设定为10 t，坠落高度为1 m。

缓冲装置选取schnorr 蝶形弹簧，共18片，弹簧规格为023900，数据来源为schnorr弹簧样本。

为简化计算作如下假设：

1)钻杆下落过程中不与鼠洞发生接触，即钻杆垂直下落，不考虑钻杆与鼠洞摩擦损失。

2)忽略蝶形弹簧在变形过程中与鼠洞的摩擦损失。

3)弹簧受冲击载荷时变形为线性变形，鼠洞管产生的变形为线弹性变形。

4)钻杆下落不考虑回弹，即只计算下落过程产生的冲击力。

根据能量守恒定律[5]，钻杆下落过程中产生的冲击力做功转化为弹簧、钻杆立根、底部连接螺栓、鼠洞结构等的变形能。计算结果见表2。

表2 冲击力计算结果

3.2 鼠洞结构校核

根据表2计算得出的冲击力校核鼠洞管连接处结构强度，该冲击力也可用于鼠洞与钻台面连接处结构强度的校核，对于折弯鼠洞，折弯锁定销处更为薄弱，故主要校核此处强度。

1)建模。

利用ANSYS软件建立鼠洞有限元模型，鼠洞管采用8节点的Solid45单元，该单元适用于分析计算塑性、大变形以及大应变[5]。

2)材料特性。

根据结构的设计图纸，鼠洞主结构材料为Q345D，连接耳板材料为E550，材料性能见表3，材料许用应力见表4。

表3 材料性能表

表4 材料许用应力表

3)加载。

对鼠洞上表面与钻台面接触位置施加固定载荷，并对连接耳板处施加载荷。如图3所示。

图3 加载

4)应力计算。

鼠洞结构应力云图如图4所示，其中耳板处应力最大，为351 MPa。该处材料为E550，材料屈服强度为550 MPa，由于坠落工况为破坏工况，设计安全系数为1。故鼠洞结构安全。

图4 结构应力

3.3 试验校核

鼠洞作为独立设备，应用户要求，需对鼠洞进行破坏性试验，由于钻杆掉落试验对鼠洞固定支撑面强度有较高要求且鼠洞管比较长，征得用户同意，制作框架支撑模拟钻台面，使用等同于计算的冲击载荷大小的配重作用在鼠洞下方，由于应力最大点无法贴应变片，故在应力较大处贴应变片(数据参考ANSYS软件模拟结果)，比较有限元结果和实际应力误差，推算最大应力处应力是否符合许用应力，应变片位置如图5所示。用吊机将鼠洞管吊起，维持5 min，检查鼠洞变形及折弯处插销变形情况。

图5 应变位置

利用无损检测手段检查各处焊缝，均未出现裂纹。通过应变片测得各个耳板应力，并与有限元仿真计算的应力进行比较，各处应力值及比较结果见表5，由表可知，各点应力误差范围均在8%以内，有限元结果和实际情况较为吻合，可作参考。目前该鼠洞已投入使用，使用状况良好。

表5 应力测试结果与有限元仿真结果对比

4 结束语

本文设计了一个结构简单、具有对心和扶正功能的动力鼠洞，能将钻杆提升到固定高度，配合铁钻工接钻杆工作，并在一个钻杆立根垂直坠落工况下对鼠洞结构的冲击力进行理论计算，校核鼠洞结构，计算结果对鼠洞结构设计、缓冲装置选型具有指导意义。对实际产品进行了载荷试验，结果证明结构安全可靠，可给类似结构鼠洞设计提供参考。