井架起升计算方法比较与结果验证
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doi:10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.047井架起升计算方法比较与结果验证*
朱摇波1,2(1.西安石油大学机械工程学院,陕西西安摇710065;2.兰州兰石石油装备工程有限公司产研所,甘肃兰州摇730000)
摘摇要:井架起升力计算,是井架设计中一项最基本的设计任务。起升方式不同,所用的计算方法也有所区别。下面以兰石生产的一种人字架起升井架为例,分别采用手工建立力平衡方程、计算机辅助软件SAFI建模这两种方法进行计算。将得到最终的计算结果进行比较,并用实际起升时测得的真实数据进行验证。关键词:井架;起升计算;力平衡;SAFI;建模计算中图分类号:TE922摇摇摇摇摇摇文献标志码:A摇摇摇摇摇摇文章编号:1007-4414(2015)05-0136-02ComparisonoftheRaisingCalculationMethodsofDerrickandtheResultValidation
ZHU摇Bo1,2
(1.CollegeofMechanicalEngineering,Xi忆anShiyouUniversity,Xi忆anShaanxi摇710065,China;2.ProductDevelopment&ResearchInstitute,LanzhouLanshiPetroleumEquipmentEngineeringCo.,Ltd,LanzhouGansu摇730000,China)Abstract:Thecalculationofderrickraisingforceisthebasictaskindesigningthederrick.Thecalculationmethodswillcom鄄plywiththedifferenttypesofraising.TakingA-framederrickthatismanufacturedbyLSforexample,twocalculationmeth鄄odsofforcebalanceequationestablishedbymanualandmodule-establishedbycomputerauxiliarysoftwareSAFLareadoptedrespectively.Thetwocalculatingresultsarecomparedafterward,andtheactualdatathatismeasuredbasedonthepracticalraisingisthenverified.Keywords:derrick;raisingcalculation;forcebalance;SAFI;modelingcalculation
0摇引摇言目前国内外使用的陆地石油钻机中,其井架普遍采用旋升式井架。该井架低位安装,再利用绞车动力通过人字架和井架体上的滑轮,将井架整体起升至工作位置[1-2]。因此在设计该井架时,起升力的计算相
当重要。在实际工作中,一般采用传统手算和计算机辅助建模计算两种方法相互验证,保证井架结构的安全与稳定。以兰石生产的某井架为例,分别用两种方法进行计算。并将得到的结果与井架现场起升时的数据进行比较与验证。1摇建立静力平衡方程手算
1.1摇起升原理井架起升过程如图1为井架起升力分析图。
图1摇井架起升力分析(起升角为4毅)
摇摇井架在低位时安装,并安装天车和二层台。起升钢丝绳一段固定在井架III段起升耳座a上,经I段上两个导向滑轮b和人字架上一个导向滑轮c,另一端固定在游车平衡架d上,6伊7绳系的钻井钢丝绳e,连接在游车和主滑轮组之间,快绳f通过快绳轮和人字架上的快绳滑轮,连接在动力源绞车滚筒上。快绳f在绞车滚筒缠紧时,带动井架整体起升。
1.2摇力矩平衡方程并求解井架起升速度缓慢,可以看作一个准静态的过程。起升力随起升角度增大而不断减小,0义时最大。在现实环境中,由于高支架的存在,井架起升时有一定的初始角度(本例中为4毅)。从初始角度开始起升,那么初始角度的起升力也是最大的。对井架起升的初始状态,可以看作一个静平衡状态[3]。在此状
态下,可以对井架大腿销点建立力矩平衡方程,有:移M重=移M
拉
即:G游车伊Z游车+G井架伊Z井架+G钢丝绳伊Z钢丝绳+G天车
伊
Z天车=P起伊(L1+L2)+P快伊L
3
由图1可知2伊P起伊cos兹/2=12伊P快
式中:“P起冶为起升大绳的拉力;“P快
冶为快绳及钻井
绳的拉力;“Z冶为各部件重心至井架大腿销的力臂;“兹冶为初始状态下,两根起升大绳连接游车时的夹
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经验交流摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2015年第5期(第28卷,总第139期)
·机械研究与应用·
*收稿日期:2015-08-29作者简介:朱摇波(1980-),男,山东成武人,工程师,主要从事石油矿场设备的设计和计算机仿真方面的工作。角。由表1代入各数据,联结方程组解得:P起抑933kN;P快抑135kN;起升钩载Q抑1616kN表1摇井架各部件自重及力臂井架主体游车二层台钢丝绳天车自重(T)63.58.28.2211.5力臂(mm)22144164892506236000468492摇SAFI建模计算2.1摇SAFI软件实体建模SAFI是加拿大SAFI公司开发的结构分析软件。其中的PSE模块,即石油结构工程分析软件是针对钻机结构件的专业分析软件[4]。SAFI的实体建模仅用来进行力学分析,故在建模中,需要对模型进行必要的简化。图2即为本例中井架的实体模型。图2摇SAFI起升实体模型SAFI建模比较简单。先在3D坐标系中建立关键点,如各部件间的连接点;再按照有限元划分单元的一般规则,建立各个节点,如多梁的相交点,集中载荷作用点等;然后连接各点成线,并按实际情况对各线赋予截面及材料的属性。2.2摇起升载荷分析
井架在起升过程中承受的载荷有结构自重力、设备重力、钩载、环境载荷等。按API4F的规定,在起升作业中,需要考虑100%的环境载荷。在本例中,环境载荷仅需考虑风载,即16.5m/s的最小设计风速。手算中,忽略了此项载荷。而在SAFI中,需添加此项载荷,并按照0毅、45、90毅、135毅、180毅、225毅、270毅、315毅分别计算八个方向的风载荷。
SAFI实体建模中,进行了简化模型的操作。故SAFI中的实体模型自重要比实际中小,要根据实际
添加一定的自重系数,在本例中,根据计算,该自重系数取1.91[5]。
设备重量即为模型中没有添加的部分,如游车、钻井钢丝绳、起升大绳的重量,需要按实际添加。2.3摇载荷施加并求解
表2所列为井架起升的组合载荷,SAFI计算起升拉力有很多方法。本例中,笔者在井架与高支架接触处,增加一处弹簧支撑。然后通过增大起升大绳的拉力值,此处弹簧支撑处的支反应力逐渐归0。如表3,在风载的各个方向,当弹簧支撑支反力归0后,所
得起升力如表3。即:P起
忆=924kN
可推出:P快忆=P起
伊cos30毅/6=133(kN)
钩载Q忆=1600kN
表2摇井架起升的组合载荷(表格中数字均为调整系数)BASICLOADCASELOADPERCENTAGECOMBINATION
CASENo.DESCRIPTION123456781井架自重1.911.911.911.911.911.911.911.912设备重量111111113立根靠力000000004起升大绳拉力P起P起P起P起P起P起P起P起5转盘载荷00000000
6wind16.5m/s017wind16.5m/s4518wind16.5m/s9019wind16.5m/s135110wind16.5m/s180111wind16.5m/s225112wind16.5m/s270113wind16.5m/s3151
表3摇不同风载方向的起升力风载方向0毅45毅90毅135毅180毅225毅270毅315毅起升力(kN)924.4924.3924.4924.3924.4924.3924.4924.3(下转第141页)
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·机械研究与应用·2015年第5期(第28卷,总第139期)摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇经验交流钻杆14柱391m,膨胀膨胀螺纹43对,正常膨胀压力18~22MPa,上提悬重107~118T,最大膨胀压力24MPa,最大上提悬重120T。每柱膨胀完成后敞压正常。探顶,膨胀管上点深度5575m,膨胀管缩短率2.86%。(4)后续配套施工摇5月27日22:00,探到膨胀套管内水泥塞面5953m。23:00试压20MPa稳压30min合格。5月28日测井,电测固井质量优质,测井显示膨胀管无异常,内径最大为准135mm,最小为准133mm。5月29日开始下钻钻穿浮箍和水泥塞,钻柱结构为:准130mm高效磨鞋+准95mm直螺杆钻具+变扣+准88.9mm特殊钻杆+准88.9mm加重钻杆+准88.9mm钻杆+变扣+准127mm钻杆(G105,非标)。二开采用准130mmPDC钻头钻进,膨胀管固井后,通径只有131mm,下部钻进时与准130mm的钻头配合的常规钻具只能选用准60.32mm或准73.02mm钻杆(常规准88.9mm斜坡钻杆接箍外径为120mm,与膨胀管间隙只有5.5mm,风险较大),本井采用了特制接箍外径为108mm的非常规准88.9mm钻杆,减缓小井眼深井中水力参数矛盾,优化水力参数。准130mm井眼内常规350型MWD仪器配套的无磁钻铤外径达到准120mm,单边间隙过小,泵压太高,无法满足仪器正常使用要求,施工采用的是美国Bor鄄eview公司4-1/8义MWD(175毅)系统。6月16日11:10钻至井深6027.42m,钻遇裂缝产层,18:30接甲方通知提前完钻,进行试油作业,满足地质避水要求前提下,实现开采老井剩余油目的。4摇结论及建议
(1)应用膨胀管封隔泥岩地层的侧钻井应进行成本分析,总费用小于直井成本的70%。(2)应用膨胀管封隔泥岩地层的侧钻井随钻扩
孔井段地层须不含石英砂岩或砾岩,一开随钻扩孔井段小于400m,侧钻总进尺小于700m。(3)TH12115CH井的成功实施,膨胀管作为深
层侧钻水平井中技术套管使用,创造了国产准140mm膨胀套管单次作业最深5965.86m和井斜最大
63.10毅两项纪录。(4)TH12115CH井的成功实施,为深井钻井过
程中封堵易漏及易塌地层提供了新的技术手段,为解决复杂钻井工程难题提供有效技术保障,成本优化后的膨胀管封堵技术方案具有广阔的应用前景。
参考文献:[1]摇郝和伢,周摇伟,雷新超.塔河油田准177.8mm套管开窗侧钻井技术难题与对策探讨[J].海洋石油,2012,32(2):90-94.[2]摇周摇伟,耿云鹏,石媛媛.塔河油田超深井侧钻工艺探讨[J].钻
