液压举升装置侧钻作业安全稳定性分析

王莉，张胜宝，袁则名，陈鹏飞，倪益民，吴事难

1.中海油能源发展股份有限公司 边际油田开发项目组 （天津 300452）

2.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司 （天津 300452）

由于液压举升装置具有对海上平台适应性强、模块化设计、单件吊装重量小于10 t 且易于拆装等特点，在国外（美国墨西哥湾、英国北海、东南亚）海上平台已广泛应用于完修井作业[1]。目前，中海油已使用该设备成功实施修井作业。为拓展液压举升装置的使用范围，解决目前中海油海上低配修井机平台及无修井机平台的侧钻作业难题，考虑将液压举升装置应用于海上平台进行侧钻作业。结合海上平台井槽布置特点，为减少多井同时作业的安装时间，考虑采用简易移动底座对液压举升装置进行横纵滑移。

1 液压举升装置受力分析

针对340 K液压举升装置采用ANSYS软件中的solid187 实体单元进行网格划分，网格数180 万，节点数334 万，扭矩的施加采用刚性梁单元。计算条件主要参考GB/T 25428—2015《石油天然气工业钻井和采油设备 钻井和修井井架、底座》、SY/T 7089—2016《海洋平台钻机选型推荐作法》《API Spec 4F—2013标准[2-4]。最大设计风速按API Spec4F—2013规定3 s 阵风，工作状态最大风速为21.6 m/s；极端环境条件下考虑采用渤海油田某油矿100年期海况条件，风速为37.4 m/s。载荷情况主要考虑设备自重、作业载荷、风载、桅杆载荷、液压动力钳载荷、操作台和软管自重、BOP 远程控制柜，偏载荷主要考虑人载荷及操作台杂物。

依据标准，正常作业工况下，最大钻进作业中许用提升能力[5]

式中：Fgz为设备最大许用提升能力，kN；Qgz为钻机最大钩载，kN；Qyd为游动系统重量，kN，可忽略。

依据GB/T 29549.1—2013《海上石油固定平台模块钻机 第1 部分:设计》40/2250 及以下级别的钻机[6]，最大连续输出扭矩≥19 kN·m，最大间歇输出扭矩≥24 kN·m，最大连续输出功率≥350 kW。本次受力分析考虑最大正常作业工况为：提升载荷87 t，扭矩24 kN·m；极端作业工况为：提升载荷154 t，扭矩为0，用于钻井中的复杂情况[7-8]。

作业过程中的风载施加以桅杆为参考，如图1所示，根据其相对位置，风载施加面分为桅杆侧、桅杆对面侧、桅杆左侧、桅杆右侧，下面以正常钻井作业时的最大作业工况为例进行分析计算。

图1 风载施加示意图

图2 整体位移（单位：mm）

图3 Y方向位移（单位：mm）

提升载荷87 t，扭矩24 kN·m，风速21.6 m/s，风向：桅杆侧。经过计算，液压举升装置的整体最大位移量为12.856 7 mm，位于二级油缸顶部，如图2所示。液压举升装置Y 方向的最大位移量10.012 5 mm，位于二级油缸，如图3 所示。液压油缸的最大等效应力为115.732 MPa，位于二级油缸，如图4 所示。下基座、上工作篮的最大等效应力为73.66 MPa，位于下基座底板处，如图5所示。

提升载荷87 t，扭矩24 kN·m，风速37.4 m/s，风向：桅杆侧。液压举升装置的整体最大位移量为24.972 9 mm，位于桅杆顶部；Y 方向最大位移量24.199 2 mm，位于桅杆顶部。液压油缸最大等效应力为115.736 MPa，位于二级油缸；下基座、上工作篮最大等效应力为71.86 MPa，位于下基座底板。同样，利用ANSYS软件对钻井最大正常作业工况下，风向为桅杆对面侧、桅杆左侧、桅杆右侧等不同风向的有限元模型进行逐一分析，得到相应的最大等效应力和位移量，见表1；钻井极端作业工况条件下，340 K 液压举升装置的最大等效应力和位移量，见表2。

图4 液压油缸等效应力

图5 下基座、上工作篮等效应力

表1 最大正常作业工况下有限元分析结果

表2 极端作业工况下有限元分析结果

2 结果统计与分析

根据液压举升装置设备手册可知，液压油缸的屈服强度≥355 MPa，上工作篮、下基座钢材的屈服强度为250 MPa。依据API Spec 4F—2013，最小安全稳定性系数（最小安全稳定性系数=许用应力/材料屈服强度）要大于1.67，可知液压举升装置的油缸许用应力为212.6 MPa，上工作篮、下基座的许用应力为149.7 MPa。

1）最大正常作业工况下有限元分析（提升载荷87 t，扭矩24 kN·m）。根据作业状态，综合考虑各种工况条件后，当风载方向为桅杆右侧时液压举升装置的整体位移量最大，位移量为53.018 4 mm。此时，下基座、上工作篮最大等效应力最大为83.44 MPa，远小于最小安全稳定性系数为1.67 时根据API Spec 4F—2013 标准计算出的许用应力149.7 MPa；油缸最大等效应力对风载荷方向不敏感，均在115 MPa 左右，也同样小于根据API Spec 4F—2013标准计算出的许用应力212.6 MPa。

通过分析可知：最大正常钻井作业工况下，采用简易滑移底座承载液压举升装置的方式可满足钻井作业需求。

2）极端作业工况下有限元分析（提升载荷154 t，无扭矩）。综合考虑各种工况条件，当风速为37.4 m/s且方向为桅杆右侧时液压举升装置的整体位移量最大，为47.33 mm。此时，下基座、上工作篮最大等效应力为146.47 MPa，略小于最小安全稳定性系数为1.67 时根据API Spec 4F—2013 标准计算出的许用应力149.7 MPa；油缸最大等效应力对风载荷方向不敏感，均在136 MPa 左右，远小于根据API Spec 4F—2013标准计算出的许用应力212.6 MPa。

通过上面的分析可知：极端作业工况下，采用简易滑移底座承载液压举升装置的方式可满足钻井作业需求。

3 结论与建议

1）对340 K液压举升装置在钻井最大正常作业工况（提升载荷87 t，扭矩24 kN·m）及极端作业工况下（提升载荷154 t，无扭矩）设备的稳定性进行了计算。结果表明，采用简易移动底座方式承载液压举升装置时最小安全系数大于1.67，满足设备安全稳定性要求。

2）为减少多井同时作业的安装时间，结合海上平台井槽布置特点，推荐海上平台采用简易移动底座对液压举升装置进行横纵滑移以实现侧钻作业。