修井机和钻机井架焊接变形的控制方法研究

修井机和钻机井架焊接变形的控制方法研究

董建奎

中国石化中原石油工程有限公司工程服务管理中心钻采设备厂修理分厂 河南 濮阳 457000

摘要：车载修井机与钻机是当前一种车型，具有较强的技术优势，呈现出机动性强、便捷、灵活等优势，被广泛的应用在油田与钻井作业施工中，为施工有序开展奠定良好的基础，并提升其安全性。本文从钻机井架的类型入手，深入进行分析，明确其焊接方法，探索焊接工艺，提出修井机和钻机井架焊接变形的控制方法，以供参考。

关键词：修井机；钻机井架；焊接变形；控制方法

引言：受钻机井架自身的因素影响，焊接量较大，在焊接工序中容易产生明显的变形，进而影响其整体质量与寿命，同时影响产品的外观性。因此在进行焊接过程中，应明确焊接变形控制的重要性，选择合理的工艺方法进行焊接变形控制，提升钻机井架对钻井过程中产生的载荷承载能力，以满足发展需求。

一、现阶段常见的几种钻机井架类型

随着时代不断发展，我国现阶段的能源需求量逐渐提升，促使我国加强石油的开采，提升能源的开采量，以满足现阶段的发展需求。为满足石油开采的需求，积极对其技术进行创新，实现开采计划化发展，如石油开采中多数为深井开采，需要以钻机为基础，充分发挥出钻机的优势作用，提升开采效率。钻机可以说是石油开采的重点，应明确其重要性，对钻机的生产技术与开发技术进行创新，优化焊接环节，提升焊接质量。根据实际的钻井需求，促使井架的类型呈现出多样化，主要由于有以下几种：

（一）A型井架

A型井架具有较强的独特性，其横截面积可以看做是一个矩形，常见两种形式，一种是管子桁架，另一种为钢桁结构，属于焊接桁架结构。实际上，两种形式在应用过程中，均通过销子进行连接，促使其呈现出明显的便捷性，便于工作人员进行拆卸安装。A型井架具有较强的特点，可以为工作人员提供广阔的发展空间，为后续的施工奠定良好的基础^[1]。该井架的应用原理较为简单，以爬杆或者人字架通过钻机的本身动力完成整体起放，在小型的油田中较为常见。A型井架在我国的发展历史较短，上世纪开始应用，经过几十年的发展现阶段的A型架逐渐完善，其整体性能与稳定性逐渐提升，呈现出明显的特点。由于其应用时间较长，现阶段早期研发的部分A型井架已经说超过使用年限，需要进一步进行检测与维修，以保证其正常投入使用^[2]。

以实际的案例为例，上世纪的60年代，我国制造出一批最早的A型井架，其型号为AD-45，并在不断的发展过程中对其进行合理的改革创新，如后续出现更高质量的井架，我国自主研发的 JJ315/43-A型号，同时现阶段我国已经出现各型号的产品，如与当前的ZJ45钻机相适应的存在100多套。80年代我国研究出的低位装管式A型架具有明显的性能优势，其具有良好的稳定性，可以满足实际的施工需求。我国早期研究出的JJ315/43-A井架的使用年限逐渐超过15年，应根据实际情况对其进行情检测，以保证其安全性^[3]。

K型井架

K型井架是当前常见的一种井架类型，被广泛应用在油田中，其主体结构为前开口形的轻便井架，可以将当前的井架氛围四部分，利用锥销进行合理的连接，呈现出较强的技术优势，以保证其具有良好的稳定性。该类型的井架具有较大的开档空间，在应用过程中可以为系统提供充足的空间进行操作，以便于进行合理的应用^[4]。K型井架与A型井架的工作原理相似，选择人字架，我国1981年出现最早的 K型井架，在发展过程中其发展速度较快，经过不断地发展现阶段已经出现多个种类。例如，以实际的案例为例，BY-40钻机是我国1981年制作出的第一套仿制机，并在实践创新过程中，形成多种级别的钻机，常见1500米、2000米、3200米、4500米以及6000米，包含十几个种类^[5]。

塔形井架

塔形井架主要表现为塔状形态，类似于塔型，其横截面的截面常见于正方形，其立体结构则为梯形。实际上，塔形井架为封闭的桁架结构，由钢结构作为主体，选择螺栓进行连接，保证其具有良好的稳定性，便于进行安装与拆卸，满足其应用需求。在实践应用过程中，由于该井架的生产技术与工艺较为先进，促使其整体质量安全可靠，被广泛的应用在国内开采中，尤其是海洋钻井中较为可靠。但其类型的井架自身存在明显的局限性，如风险性较高，常见于高空作业，需要工作人员进行进一步的改进，以满足发展需求^[6]。

栀型井架

栀型井架常见两种形式，一种为伸缩式，另一种为整体式，以伸缩式为例，其自身具有较强的便捷性，可以便于拆卸与安装，模块化水平与移动运输便捷，但其在整体稳定性上存在不足，存在不稳定性，需要借助其他技术进行固定来提升其稳定性。常见的井架主体结构为单柱式，由一节或者多节的柱结构组成，因此其承载力较小，需要合理进行应用^[7]。伸缩式井架在应用过程中更具有优势，其主要的原因在于自身的性质较为特殊，尤其是以上述去的三种井架相比，更具有优势，呈现出模块化发展趋势。实践应用中常见的固定技术主要选择绷绳技术，利用绷绳的优势进行处理，消除影响结构稳定性的因素，满足现阶段的施工需求。由于栀型井架的特殊性常见该形式应用于修井机与车装钻机中，例如我国上世纪六十年代生产的3000米拖挂，初次面世，生产的栀形修井井架，并在后续的发展过程中为适应当前时代发展的需求逐渐开始研究栀形钻井井架，适应时代发展

^[8]。

修井机和钻机井架焊接方法选择

受井架自身的性质因素影响，在实际应用过程中其主要的作用为承载负荷，因此必须保证其焊接质量符合其要求，提升其整体质量。合理控制其焊接变形，保证其在标准的范围内，以满足施工需求，提升井架的整体质量。对于井架来说，焊接完成后其自身的刚性较大，如果发生变形将难以进行矫正，因此应对其进行有效的焊接控制，选择合理的方法进行处理，从根本上减少生产过程中发生变形的几率，降低外界因素产生的干扰。在焊接施工过程中，应明确其焊接变形与受热面的大小存在一定的关系，当受热越多时，其体积越大，更容易发生变形，应积极进行处理，减少外界因素的干扰。焊接工序中，电弧焊接的速度较慢，造成受热面积较大，更容易出现受热不均匀情况，灵活应用二氧化碳气体进行保护，可以从整体上对焊接的电流进行高密度保护，保证电弧热量集中，避免出现焊接受热不均情况，保证其焊接质量。与此同时，二氧化碳自身还具有良好的冷却性，可以有效的减少热力影响范围，降低变形的发生几率，灵活应用该方式可以有效的提升生产质量，并提高生产效率，满足现阶段的需求^[9]。

三、修井机和钻机井架焊接工艺

（一）保证装配顺序合理

实际上，焊接变形与焊接装配之间存在明显的关联性，在焊接工序中，应保证其焊接顺序合理，将变形控制在标准的范围内，严格按照施工图纸进行组装与设计，完成最终的焊接工序。首先，工作人员应完成立柱与横撑的安装，并进行箱梁的固定，以此为基础完成后续的斜撑与立柱，完成整体的施工。该顺序为横撑、箱形梁、横撑、横撑、箱形梁以及横撑，完成后续的立柱与斜撑。在进行定位焊接过程中，应保证其对称点的稳定性，可以从整体上提升其强度，并将其控制在5-10毫米之间，从整体上保证其尺寸精度，满足设计需求。工作人员还应明确其误差产生的影响，分析组装过程中误差因素产生原因，在平台上完成其安装过程，进行合理的固定，保证其施工质量。如下图为安装顺序，如图1所示。

图 1 安装工艺顺序

按照顺序进行焊接

对立柱与横撑进行焊接，在该工序中，焊接的顺序不同，其主要的原因在于焊缝不同，同时由于零件自身的性质因素影响，在完成焊接工序后更容易发生形变情况。对于先焊接的焊缝来说，其更容易发生形变，即使对称焊缝也存在明显的形变，为保证有效的控制焊接变形，可以灵活应用对跳进行焊接，从中间开始，逐渐向两边进行延伸，以保证其稳定性，降低变形几率。经过分析发现，其主要的原因在于工件的刚性不足，造成其变形的几率增大，需要严格遵循现阶段的焊接顺序，严格进行施工，减少外界因素产生的影响，提升施工质量^[10]。

工作人员在施工时应选择合理的设备型号，保证其型号、参数、规格等符合现阶段的发展需求，促使焊缝的热量平衡，通过均匀分布的热量保证其变形相互抵消，提升焊接质量。选择两名工人同时进行施工，一名工人在焊接时，另一名工人应在相对应的斜角进行焊接，实现交互施工。多层焊接方式更具有优势，相比于单层焊接其变形更小，尤其是进行立柱与箱型梁焊接时稳定性较高，更符合多层焊接。通常情况下，在完成第一层焊接时，进行下一层焊接，但应保证其温度降低至室温后再进行第二次焊接。例如下表为实际的焊接参数，如表1所示。

表 1 实际焊接参数

对斜撑进行合理的焊接，实际上，该部分焊接归属于不对称焊接，工作人员在进行施工过程中，需要根据实际情况对其进行分析，选择焊缝数量较少的一边进行焊接，完成该部分工序后对焊缝数量较多的一边进行有效的焊接，尽可能减少其发生变形的几率，以提升其焊接质量。

在进行横梁焊接过程中，应合理选择符合要求的焊接方式，如在进行钢筋焊接过程中，灵活选择平焊的方式进行，以保证其焊接的质量与效率，其主要的原因在于该种方式可以保证其焊接速度，通过较高的速度提升其质量，减少形变的发生量。实际上，工作人员应重点对焊接多层中的第一层焊道进行分析，由于其纵向截面面积较小，会受其影响在横向产生明显的收缩力，因此容易产生明显的胡坑裂纹，当该裂纹出现后应根据实际情况采取合理的措施进行补救处理，如常见的风动砂轮或者电动砂轮通过打磨进行处理，以消除其产生的裂纹。在该方法中，还应保证在清除背面出现的裂纹时利用碳弧气刨将正面的焊道清除，并对其进行检验，确定其未存在裂纹缺陷后再进行背面的封底焊接，以保证其焊接质量。

在当前的时代背景下，人们生活水平的逐渐提升增大能源的消耗量，尤其是石油能源，已经成为现阶段的必须能源，促使其需求量逐渐增加，只有提升其资源的开采力度，才能促使其满足现阶段的发展需求。我国现阶段加大石油的开采力度，并不断对现有的技术进行创新，以先进的技术为基础，实现石油开采的自动化发展，提升开采质量与效率。钻机在石油开采过程中发挥着重要的作用，呈现出较高的价值，尤其是现阶段我国大部分石油开采均为深井开采，促使钻机的经济效益提升，井架的焊接工序直接影响钻机的工作效率，因此必须保证井架的质量，优化其焊接工序，在焊接中选择合理的工艺降低其发生裂缝的几率，以保证其质量。

结论：综上所述，在当前的时代背景下，我国钻机井架逐渐向低位安装、重量减轻、质量较高、移动性良好、拆卸便捷以及车装化方向发展，从整体上提升其施工的安全性，充分发挥出其质量作用，以此来提升施工质量。在进行井架设计过程中，应遵循现阶段的设计原则，在焊接过程中灵活选择先进的焊接工艺进行，保证其参数与方法合理，将焊接变形控制在标准范围内，以满足当前的施工要求。

参考文献：

[1]任化斌,何军国.水井钻机井架及其焊接接头设计计算和验证[J].机械设计与研究,2017,33(02):101-103.

[2]任得勇,向小荣,王春晖.快装钻机井架PJP坡口焊缝设计计算[J].机械研究与应用,2017,30(01):90-92+98.

[3]唐梦佳,胡勇.关于钻机井架焊接变形控制技术的几点思考[J].化学工程与装备,2018,14(09):87-89.

[4]孙宏景,汤小东,梁成波.关于钻机井架焊接变形的控制技术的研究[J].中国石油和化工标准与质量,2018,34(05):181.

[5]周萍.钻机井架焊接变形的控制技术[J].中国高新技术企业,2019,14(06):30-31.

[6]蔡广宇,李坤,吴昌林.石油钻机井架弧焊机器人运动学分析与仿真研究[J].制造业自动化,2018,14(01):35-38.

[7]丁颖,张克胜.修井机和钻机井架焊接变形的控制方法[J].焊接,2018,15(03):44-45.

[8]常建强.轮式通井机井架焊接变形分析与控制[J].内江科技,2018,32(05):126.

[9]孙延辉.CO_2气体保护焊在钻机井架生产中的应用[J].内蒙古石油化工,2019,36(19):18-19.

[10]蔡金萍,张宇光,刘存祺.利用振动时效技术消除石油钻机井架的焊接残余应力[J].河南科技,2019,14(12):34.