1、 通用型石油井架設計 e_mail ; 摘要 根據(jù)目前石油鉆井施工對鉆井井架作業(yè)效率，適應性和安全性的要求，結合當今鉆井井架技術領域的發(fā)展趨勢，提出了一種遞進式增加井架系統(tǒng)的設計方案，該系統(tǒng)由主架體，液壓缸，內支撐柱，二層臺，天車臺， 副架體，輔助左右雙支撐柱，底座，及輔助設備等組成。系統(tǒng)采用驅動精度高、驅動力大的液壓驅動方式，具有整體輕便，結構緊湊，作業(yè)效率及設備利用率高，現(xiàn)場施工安裝與拆卸方便快捷，整體搬運迅速，使用維護成本低，以及與現(xiàn)有鉆機絞車系統(tǒng)，游動系統(tǒng)相互配合適應性好的特點?？蓾M足當今及以后陸地鉆機系統(tǒng)的發(fā)展需要。 關鍵詞 桅型主架體 液壓缸

2、 內支撐柱 副架體 輔助左右雙支撐柱 底座 液壓驅動 大尺寸螺紋絲扣連接過盈配合 預緊力 0 引言石油和天然氣埋藏在地下幾百米，上千米甚至超過上萬米的巖層中。為了尋找油氣藏，開采石油和天然氣，需要鉆井，需要一套俗稱鉆機的鉆井機械設備。而石油井架又是鉆井機械的主要組成部分，用于安放絞車，天車，游車，大鉤，轉盤等起升設備和工具，承受起下鉆，下套管及其他作業(yè)所產(chǎn)生的載荷，提供起下鉆及擺放鉆柱的操作高度和空間。是一種大型復雜的金屬鋼架結構，其桿件多，受力復雜。近年來隨著更復雜的地貌和地質條件下的油氣藏的開發(fā)，以及鉆井深度的不斷增加，國內外正不斷地設計功能更強，自動化程度更高的新型鉆機，這對于與之相配套

3、井架的強度，剛度及穩(wěn)定性的要求越來越高，同時提高井架的可靠性，降低成本，對井架進行優(yōu)化設計變的越來越重要，因此本文針對這種現(xiàn)狀進行設計研究，設計了本通用型井架，達到承載能力由輕到重，鉆探深度由淺到深，滿足了一架多用的目的。 1 技術分析 1.1 系統(tǒng)技術要求（1）整體尺寸；各單件架體尺寸采用最大標準集裝箱的尺寸（13.58m 2.34m 2.71m），滿足頻繁搬遷的要求。結構盡量簡化，降低體積和質量。（2）提升載荷；單桅狀態(tài)2000米通用鉆機( 1800 kn )單桅狀態(tài)加輔助左右雙支柱塔式狀態(tài)4000米通用鉆機（4500 ），加副井架系統(tǒng)滿足9000米通用鉆機的提升能力（ 6750 k ）（

4、3）適應性；井架本體滿足20009000米絞車，天車，游車系統(tǒng)的提升要求，井架底座滿足20009000米轉盤尺寸，副架體內部尺寸符合最大9000米游動系統(tǒng)外形尺寸。底座高度12米適應各型防噴器的安裝要求。封閉的單桅主架體適合內部加熱系統(tǒng)，可在低溫環(huán)境下工作。（4）系統(tǒng)動態(tài)特性；其塔式架體的特性在強風，地震等極端環(huán)境中，具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應特性。（5）安全性；塔式架體和絲扣連接底座有效合成一體，具有完善的安全性能。并左右雙支柱內部可設計為快速下滑逃生通道，以利于二層平臺操作人員緊急情況下快速逃生。1.2 主要技術參數(shù) 系統(tǒng)質量； 100000kg ，主架體 40000kg, 副井架 300

5、00kg 底座 30000kg最大靜載荷；6750kn最大鉆柱重量；3250kn井架頂部跨距（正面 側面）；3m 3m井架底部跨距 ； 10m主架體（長度 寬度 高度）；13m 5m 5m主架體伸展高度；60m主架體節(jié)數(shù)；6節(jié)主架體內液壓缸（長度 根數(shù)）；12米 4根副架體高度；48m 副架體節(jié)數(shù)；4節(jié)天車臺（長度 寬度 高度）；6m 3m 2.5m二層臺容量(5鉆桿)；9000m二層臺高度；26.5m底座(長度 高度)；13m 12m作業(yè)環(huán)境下，滿鉤載，無轉盤載荷，滿立根載荷組合工況。符合api spec 4f標準（2008 第3版），結構設計計算符合美國鋼結構協(xié)會aisc 規(guī)范，焊接符合美

6、國焊接學會 ansi/aws規(guī)范。2 系統(tǒng)方案設計2.1 主要結構與功能本型井架系統(tǒng)由主架體，液壓缸，內支撐柱，二層臺，天車臺， 副架體，輔助左右雙支撐柱，底座等組成，結構如圖1所示。 圖1 通用型井架系統(tǒng)1-絞車 2-主架體 3-天車臺 4-副架體 5-二層臺6-左右支撐柱 7-底座圖2 無左右支撐柱狀態(tài)1-底座支撐柱 2-主架體 3-副架體 4-天車臺 5-主架體支撐柱入口 主架體采用新式設計的桅型井架作為基礎，必須先吊裝并固定桅型主架體于底座上，然后利用主架體內部的液壓缸液壓起升各分段主架體并吊裝內部支撐柱。當主架體起豎完成后，用鉆機游動系統(tǒng)吊裝上下底座，副架體及二層臺，最后形成整個井架

7、系統(tǒng)。把整體噸位重的架體與底座分解為小噸位小體積單件，分開組裝，減小整體提升力。副架體為前開口型，并與二層臺及左右支撐柱共同形成塔式結構。本型目的在于提供一種適用于通用型的石油鉆井井架及安裝方法，其結構緊湊，占用場地小，更換副架體和與之相適應的絞車，天車，游車大鉤，轉盤等后，適用于從小到大的各種井深及懸重。除井架本體需重新設計外，其絞車，天車，游車大鉤，轉盤等配套系統(tǒng)可采用現(xiàn)有廠家產(chǎn)品。井架系統(tǒng)為其擺放平臺并與之匹配。其各種井架狀態(tài)圖3-6如下。圖3 2000米井架狀態(tài) 圖4 4000米井架狀態(tài) 圖5 6000米井架狀態(tài)。 圖6 9000米井架狀態(tài) 圖7 主架體內部簡圖1-底座 2-主架體第1

8、節(jié) 3-主架體第2節(jié) 4-主架體第3節(jié)5-主架體第4節(jié) 6-主架體第5節(jié) 7-架體上部固定8-與天車臺連接 9-液壓缸 10-底板固定 11-底板 12-主架體第1節(jié)與第2節(jié)固定 13-人員進出口2.2 工作原理主架體采用液壓缸起升，液壓缸套裝在架體內部，其動力來源使用鉆機配置通用的液壓大鉗和液壓貓頭動力工作站。人員進入架體內部操作，每液壓起升一節(jié)架體后，使用鉆機配置的氣動或液動小絞車輔助懸吊系統(tǒng)吊裝主支撐柱并固定牢靠。當主架體全部升起后，需人工穿游動系統(tǒng)的鋼絲繩，然后利用游動系統(tǒng)組裝起吊底座，副架體，二層臺及左右支撐柱，二層臺與左右支撐柱安裝完成后和架體融合為一體，形成塔式結構。底座分為上下

9、底座和支撐柱，其與現(xiàn)有井架底座不同之處在于，上下底座是通過支撐柱的大尺寸螺紋絲扣連接的。支撐柱的螺紋絲扣在大力上緊連接后，所形成的配合為過盈配合，并有預緊力封閉在螺紋絲扣內部?？煽咕芫艽罅μ嵘龝r的動載，使得底座以較小的質量就可承受較大的負荷。隨著副架體的安裝，相應地增加支撐柱數(shù)量就能滿足總體承載力。2.3 技術特點 (1) 系統(tǒng)結構緊湊，機械結構簡化，體積和質量較現(xiàn)有同噸位井架系統(tǒng)大大減小，在設備頻繁搬遷和安裝過程中速度更快。 （2）適應性好，作業(yè)效率高，可配置不同井深的絞車，轉盤及游動系統(tǒng)。充分利用和搭配設備，一架多用。 （3）安全性好，主架體與二層體，左右支撐柱安裝好后形成塔式結構，具有

10、較強的穩(wěn)定性，可抗強風，地震等惡劣條件。主架體為封閉桅型利于蒸汽或電加熱系統(tǒng)放置，可在低溫環(huán)境下工作。左右支撐柱內部使二層臺作業(yè)人員在緊急情況下十幾秒內可快速下滑逃生。 （4）系統(tǒng)動態(tài)特性好，由于底座采用螺紋絲扣連接，主架體居于中間位置，對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應特性有充分保證。（5）綜合了桅型井架，前開口式，塔式的各個優(yōu)點。井架整體高，相應的底座較高，下部空間大，適合多組合防噴器的布放安裝。（6）利用液壓驅動系統(tǒng)，一級級的將各主井架體向上逐級安裝；采用驅動精度高、驅動力大的液壓驅動，使主井架能快速的進行安裝，提高了安裝效率；由于采用縱向逐級向上安裝的方式，其安裝時占地面積小，降低了對場地面的安裝

11、要求，提高了其安裝的便捷性。3 結束語從這種鉆井井架的設計思路，總體技術方案，技術性能和結構特點分析可知，總和了塔式，前開口式，桅型的各個優(yōu)點，適用范圍廣，摒棄了傳統(tǒng)井架單一使用，不能升級的缺點。如果各鉆井公司統(tǒng)一采購多部就可混搭使用，互相更換方便，經(jīng)濟效果好。能夠滿足常規(guī)鉆井工藝的需要，適應性強，市場潛力大。與目前各鉆井隊單一使用的井架相比有無法比擬的優(yōu)點，大大提高我國石油鉆井的整體性能水平，在對外鉆井承包時可降低整體費用，為我國石油鉆井走向國際市場，提供了強有力的技術支持和物質保障。附； 安裝方法主架體為長方形單桅結構，多層套裝在一起，可單獨拆卸，方便運輸。 1至6節(jié)井架體按尺寸大小順序套

12、裝，最外為第1層，依次為2，3，4，5，6節(jié)，第6節(jié)內部有液壓缸，上部承托天車臺。 將1到6節(jié)井架體吊裝于底座上，固定牢固。人員進入天車臺上，啟動鉆機液壓站工作，為液壓缸提供動力。液壓站為鉆機必備設備，平時為液壓大鉗和液壓貓頭提供動力。松開1節(jié)與2至6節(jié)井架固定，操作液壓缸工作伸出，將2至6節(jié)井架體及天車臺一起頂升（2至6井架體節(jié)螺栓固定為一體），到位后，將1節(jié)井架體頂部與2及6節(jié)井架體螺栓固定，使2及6節(jié)井架體處于1節(jié)井架體上部。操作液壓缸工作收回，將1至5號底板及液壓缸收回到第2節(jié)井架體底部，空出1節(jié)井架體下部空間，為安裝主承力柱預留空間。通過天車臺滑輪系統(tǒng)使用鉆機必備的氣動或液動馬達由第

13、一節(jié)井架體承力柱入口門吊裝入4根主承力柱并固定。操作液壓缸工作伸出，將1號底板坐于4根主承力柱上，卸開1節(jié)井架體頂部與2至6節(jié)井架體的螺栓固定，操作液壓缸工作，2至6節(jié)井架體下行，坐于1號底板座上，螺栓固定1節(jié)井架體與2節(jié)井架體，使之連接為一個整體。松開1號底板座與2號底板座連接螺栓。操作液壓缸工作伸出，將3至6節(jié)井架體及天車臺一起頂升（3至6井架體節(jié)螺栓固定為一體），到位后，將2節(jié)井架體與3及6節(jié)井架體螺栓固定。操作液壓缸工作收回，將2至5號底板收回到第3節(jié)井架體底部通過天車臺滑輪系統(tǒng)由第一節(jié)井架體入口吊裝入4根主承力柱，經(jīng)第2節(jié)下部入口插到第2節(jié)井架體內，固定。操作液壓缸工作伸出，2號底板

14、坐于4根主承力柱上，卸開2節(jié)井架體與3及6節(jié)井架體螺栓固定，操作液壓缸工作，3及6節(jié)井架體下行，坐于2號底板座上，螺栓固定2節(jié)井架體與3節(jié)井架體。松開2號底板座與3號底板座連接螺栓。同理將3至6節(jié)井架體安裝到位。第6節(jié)井架體下部最后直接插入第5節(jié)井架體4根主承力柱上。安裝好主架體后，其主受力為每層內部的4根主承力柱。每層內部的4根主承力柱從下到上相互插接形成塔型結構。拆卸工作原理相反。桅型主井架體安裝到位，吊裝絞車，穿大繩，吊裝游車系統(tǒng)，用游車系統(tǒng)吊裝鉆臺面，吊裝副井架體，最后形成整個井架系統(tǒng)。也可在安裝好第1節(jié)井架體后，吊裝絞車，穿大繩，吊裝游車系統(tǒng)，并將游車系統(tǒng)固定后繼續(xù)將2至6節(jié)井架體安

15、裝好，要同時操作絞車松大繩，使之與井架體一起起升。絞車上下底座組成及安裝方法；上下底座組成；下底座，支撐柱，上底座安裝方法；絞車與鉆臺安裝使用上下底座螺紋絲扣連接原理。先安裝下底座到位。用吊車將絞車吊裝到井架體后邊上底座上。通過上底座四角孔洞將四立柱依次與下底座絲扣連接并上緊。用吊車吊絞車到四立柱上部，也可絞車通過自己動力爬升到四立柱上部，穿上固定銷，使絞車與四立柱連為一整體。通過絞車主支承柱上的孔洞吊裝主支承柱并與底座絲扣連接固定。再次抬起絞車松開固定銷下放到位與主支承柱連接并固定。鉆臺上下底座組成及安裝方法；上下底座組成；左右下底座，支撐柱，上底座安裝使用上下底座螺紋絲扣連接原理安裝方法；

16、下底座在井架體安裝之前安裝，下底座為多塊長方體，上部有絲扣孔，用于與支承柱絲扣連接，其多塊長方體互相由銷子連接，吊車吊裝到位。上底座即鉆臺面，其為承載鉆盤，人員活動及擺放儀器的工作平臺。其鉆臺面為多塊長方體由銷子連接。將鉆臺面吊裝到底坐位置，將4根輔支柱由鉆臺面上4孔與底座絲扣連接。用游車系統(tǒng)將將鉆臺面吊裝于4根輔支柱上，銷子連接。將4根主支柱由鉆臺面下部吊裝到位，下部絲扣連接并拉緊，松開輔支柱與鉆臺面銷子，下放鉆臺面坐于4根主支柱上，上部絲扣拉緊，組裝到位。 副架體組成及安裝方法；以8000米架體為例副架體組成；1，2，3，4，節(jié)架體，2層平臺，支撐柱。安裝方法； 副架體為前開口形4節(jié)結構，從上到下利用銷子連接為一整體。 絞車與上下底座安裝好后，并將游車系統(tǒng)安裝就位。 先液壓起升第6節(jié)井架上升，升高主架體高度，為提升副架體讓出空間。 用天車輔助起升系統(tǒng)吊起副架體第1節(jié)到鉆臺面，換用游車系統(tǒng)提起副架體第1節(jié)。用游車系統(tǒng)提起副架體第1節(jié)到一定高度，用天車輔助起升系統(tǒng)吊起副架體第2節(jié)到鉆臺面，并座于鉆臺面上，下放副架體第1節(jié)與第2節(jié)銷子連接。再用游車系統(tǒng)提起副架體第1節(jié)與第2節(jié)上升到一定