ZJ30钻机升举式底座的研究与设计

论文摘要

底座是钻机的重要组成部分,是钻机的基础结构支撑物(substructure)。钻机的主要部件,如井架(以及其上的天车、游车大钩、水龙头等)、转盘、绞车、动力传动设备,以及井口作业机械化工具和有关的辅助钻井设备等,都需要安装在底座之上,并依靠底座保持它们的相对位置和安装尺寸。底座还提供立根的排放空间和钻井工人的操作场所。钻井工艺要求底座有足够的强度、刚度和稳定性,满足安全钻井的需要。底座提供的钻台高度(转盘高度)必须满足钻井工艺要求的安装防喷器和泥浆循环的高度空间。底座的结构型式在满足上述要求的前提下,必须保证整套钻机的拆装、移运方便,缩短非钻进时间,节省钻井作业成本。本文在分析常见的钻机底座类型及其优缺点、影响底座类型的因素、底座发展趋势的基础上,提出一种适宜大庆油田特定的使用条件的底座类型——升举式底座。该底座可以实现两种不同的钻台高度,高度调节靠液压缸来实现。针对这种具体的底座类型,本文依据钻机的总体布置情况和井架、底座的结构特点,研究设计了整体起放井架和垂直调节底座钻台高度的液压系统。井架的起放采用两个三级伸缩式双作用液压缸来完成,其基本回路采用手动换向,具有节流调速、平衡限速等功能,保证井架起升、下放过程的平稳性。底座钻台高度的调节采用四个双作用单级液压缸来实现,其基本回路采用四个联组手动换向阀与三个分流集流阀配合,实现了四个液压缸的同步功能和出现不同步时的单独微动功能,保证在升举和下放钻台过程中整个钻台面总是处于水平状态,并具有节流调速和单向液压锁紧功能。根据井架、底座的实际结构和受力状况,建立了井架有限元分析的空间梁单元模型和底座有限元分析的空间实体模型。考虑井架起升、最大钩载和下套管等三种最为危险的工况,用ANSYS有限元分析软件计算出了井架对底座的作用载荷,分析了底座各部分的受力和变形。在此基础上针对底座中受力和变形过大的薄弱部位,进行了结构重新设计计算,保证了整个底座结构的使用安全性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 概述
• 1.1 钻机底座的功用及钻井工艺对底座的要求
• 1.1.1 钻机底座的功用
• 1.1.2 钻井工艺对底座的要求
• 1.2 钻机底座的类型及发展趋势
• 1.2.1 钻机底座的类型
• 1.2.2 钻机底座的发展及发展趋势
• 1.3 本文所做的工作
• 第二章 ZJ30/1700DB钻机及其井架底座
• 2.1 ZJ30/1700DB钻机总体介绍
• 2.1.1 用途及特点
• 2.1.2 钻机技术参数
• 2.1.3 钻机总体布置
• 2.2 JJ170/33-KS1井架
• 2.2.1 主要技术参数
• 2.2.2 井架的结构
• 2.2.3 井架的起放和伸缩
• 2.3 DZ170/5-SJ底座
• 2.3.1 主要技术参数
• 2.3.2 底座的结构
• 2.3.3 底座实现的两种钻台高度
• 第三章 起放井架和升降底座的液压系统设计计算
• 3.1 ZJ30/1700DB钻机液压系统的功能及组成
• 3.2 起放井架和升降底座的液压系统构成和工作原理
• 3.3 液压系统总体方案确定
• 3.3.1 开闭、闭式系统的选择
• 3.3.2 调速系统方案的选择
• 3.3.3 液压泵的选择
• 3.3.4 液压缸结构型式的确定
• 3.4 液压元件主要参数的计算及选择
• 3.4.1 系统工作压力的确定
• 3.4.2 井架起升液缸的设计计算
• 3.4.3 升降底座液缸的设计计算
• 3.4.4 液压泵相关参数计算及其选择
• 3.4.5 驱动液压泵电机的选择
• 3.4.6 阀类元件的选择
• 3.4.7 油箱容量的确定
• 第四章 钻机井架底座有限元分析理论和底座载荷分析
• 4.1 钻机井架底座有限元分析的理论与方法
• 4.1.1 梁单元理论分析
• 4.1.2 空间实体单元理论分析
• 4.2 钻机底座有限元计算的载荷分析
• 4.3 井架有限元模型建立和井架对底座的作用力计算
• 4.3.1 有限元模型建立
• 4.3.2 井架起升工况井架对底座的作用力计算
• 4.3.3 最大钩载工况井架对底座的作用力计算
• 4.3.4 下套管工况井架对底座的作用力计算
• 第五章 钻机底座结构的有限元静力分析
• 5.1 底座有限元模型的建立
• 5.2 三种工况下底座的受力变形分析
• 5.2.1 井架起升工况
• 5.2.2 最大钩载工况
• 5.2.3 下套管工况
• 5.3 底座受力变形综合分析
• 5.4 基于有限元结果的结构改进设计计算
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 详细摘要