提高JJ170／41－K型井架承載能力的方法及安全評(píng)定

王孟法，方太安，韓 興，周志雄，鄭文培，丁歡歡

（中國石油集團(tuán)康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京100120） ①

提高JJ170／41－K型井架承載能力的方法及安全評(píng)定

王孟法，方太安，韓 興，周志雄，鄭文培，丁歡歡

（中國石油集團(tuán)康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京100120）①

為了提高JJ170／41－K型井架的承載能力，在大腿翼板焊接鋼板來補(bǔ)強(qiáng)。通過應(yīng)力測試，結(jié)合有限元分析結(jié)果對(duì)該井架進(jìn)行安全評(píng)定。結(jié)果表明，技術(shù)改造后井架的承載能力可提高20%，滿足了鉆深井的要求。

井架；應(yīng)力分析；技術(shù)改造；安全評(píng)定

鉆機(jī)井架作為鉆井設(shè)備中的關(guān)鍵部分，其強(qiáng)度、穩(wěn)定性是否符合要求，關(guān)系到能否保證安全作業(yè)［1］。長慶油田某鉆井隊(duì)鉆機(jī)井架為JJ170／41－K型，承載能力為1 700kN。為提高其承載性能，達(dá)到深井鉆井作業(yè)要求，對(duì)井架進(jìn)行技術(shù)改造，即，在原井架每根大腿翼板兩側(cè)加焊了厚度為15mm，寬為250 mm的鋼板（鋼材為Q235，大腿截面如圖1），井架提升系統(tǒng)由原先的4×5輪系升級(jí)為5×6輪系。技術(shù)改造后井架的承載能力是否達(dá)到2 250kN，需進(jìn)行安全評(píng)定。

井架安全評(píng)定分為強(qiáng)度檢驗(yàn)和穩(wěn)定性檢驗(yàn)2部分。應(yīng)用ANSYS軟件建立改造后井架的有限元模型，對(duì)井架承載能力進(jìn)行理論分析。通過現(xiàn)場應(yīng)力、應(yīng)變測試，評(píng)定井架實(shí)際承載性能。綜合2種計(jì)算結(jié)果，檢驗(yàn)井架技術(shù)改造方案的可行性。

圖1 JJ170／41－K型井架大腿截面加強(qiáng)示意圖

1 現(xiàn)場測試及評(píng)定

1.1 測試儀器

1） 傳感器 電阻值為120，靈敏系數(shù)為2.15的箔式電阻應(yīng)變計(jì)。

2） 測試儀器 DH5920N動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，64通道，64位獨(dú)立通道A／D轉(zhuǎn)換器。

3） 計(jì)算機(jī) DELL筆記本電腦。

4） 計(jì)算軟件 井架評(píng)估計(jì)算軟件2.0（中石油鉆井工程技術(shù)研究院康布爾公司自編軟件）。

1.2 測試方法

分別在井架Ⅱ－1節(jié)中部和二層臺(tái)位置2處、原井架大腿及加強(qiáng)鋼板2處布點(diǎn)（如圖2），總共64個(gè)布點(diǎn)（如圖3）。各測點(diǎn)均采用半橋工作，每個(gè)層位布點(diǎn)保持在同一水平面，布點(diǎn)、打磨、清洗、貼片、保護(hù)、連線、調(diào)試、初始化測量，達(dá)到規(guī)定要求。起點(diǎn)測試載荷不小于井架設(shè)計(jì)最大鉤載的15%，最大試驗(yàn)載荷不小于井架設(shè)計(jì)最大鉤載的25%，不小于3個(gè)載荷級(jí)別。對(duì)井架進(jìn)行應(yīng)變、應(yīng)力測試，重復(fù)3次。

圖2 井架測試時(shí)傳感器布點(diǎn)位置

圖3 加強(qiáng)井架大腿應(yīng)力測試布點(diǎn)方法

1.3 測試數(shù)據(jù)

測試時(shí)，大鉤載荷由井下鉆具提供，載荷大小由司鉆控制，其計(jì)數(shù)以指重表為準(zhǔn)。測試3組，每次測試調(diào)整3次載荷點(diǎn)，測試相應(yīng)的載荷和應(yīng)變值，取其合適的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。部分測試數(shù)據(jù)曲線如圖4。圖中縱坐標(biāo)為應(yīng)變，單位με，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位s。選取合理測試數(shù)據(jù)，如表1。

圖4 部分井架大腿應(yīng)變測試曲線

表1 加強(qiáng)后井架部分應(yīng)變測試數(shù)據(jù) με

1.4 承載能力評(píng)定

根據(jù)中國石油集團(tuán)公司《鉆機(jī)、修井機(jī)設(shè)備評(píng)估工作規(guī)范》中井架強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)井架原大腿測試數(shù)據(jù)進(jìn)行井架強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)應(yīng)的鉤載為3 425kN，除以安全系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)值1.67［2］，最終評(píng)定加強(qiáng)后井架承載能力為2 050kN。對(duì)翼板加厚鋼板測試數(shù)據(jù)進(jìn)行井架強(qiáng)度計(jì)算，其載荷為3 376kN。綜合加強(qiáng)井架的原井架大腿及加強(qiáng)鋼板測試數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，可評(píng)定加強(qiáng)后井架承載能力為2 020kN。

2 有限元分析

2.1 技術(shù)改造后井架的基本參數(shù)

井架為K型結(jié)構(gòu)，工作高度41m，頂部跨距（正面?zhèn)让妫?.8m×2.0m，底部跨距7.0m；二層臺(tái)安裝高度25.5、24.5、23.5m；人字架高度6m。主大腿為H型鋼，材料為Q345B。在每根大腿翼板兩側(cè)焊接加強(qiáng)板，厚度為15mm，寬為250mm，材料為Q235。

2.2 模型簡化

為保證建立的井架模型在滿足要求的同時(shí)，盡可能符合實(shí)際結(jié)構(gòu)，對(duì)井架做了如下簡化［3－4］：

1） 工作梯、護(hù)攔等附件對(duì)井架的承載能力影響較小，忽略不計(jì)；二層臺(tái)、天車自重力視為集中載荷分配于相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)位置。

2） 將井架本體簡化為空間剛架結(jié)構(gòu)，并采用空間梁單元為基本單元。

3） 簡化后的四部分之間視為可靠連接，在強(qiáng)度上為一體結(jié)構(gòu)。

選擇井架各構(gòu)件的自然焊接點(diǎn)作為有限元結(jié)構(gòu)模型的節(jié)點(diǎn)，選取雙角鋼、圓鋼自定義截面梁定義空間梁單元，并構(gòu)建特殊型截面空間梁單元模擬改造后井架大腿。井架有限元模型共劃分為104個(gè)結(jié)點(diǎn)，21方向關(guān)鍵點(diǎn)，508個(gè)單元，各桿件均采用Q345鋼。

2.3 承載能力分析

2.3.1 靜態(tài)分析

在鉤載600、900、1 200、1 500、1 700、2 000kN 6種工況下計(jì)算井架的應(yīng)力，結(jié)果如表2。

表2 6種工況下井架應(yīng)力值

結(jié)果表明，應(yīng)力值與井架鉤載呈良好線性關(guān)系，可推算鉤載4 000kN時(shí)，即將達(dá)到井架材料的屈服極限（345MPa），并求得鉤載為4 000kN時(shí)，最大應(yīng)力為325MPa（如圖5），安全系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值1.67，可得井架承載能力為2 542kN。

圖5 4 000kN鉤載時(shí)井架應(yīng)力分布云圖

2.3.2 穩(wěn)定性分析

K型井架正面底部開檔尺寸與其高度比約為1∶6，其側(cè)向形狀尺寸最大值與其高度比僅為1∶16，是一種容易失穩(wěn)的高聳結(jié)構(gòu)。因此，穩(wěn)定性分析在井架承載能力分析中是必要的。對(duì)井架屈曲分析以確定它的失穩(wěn)條件及臨界載荷，在2 000kN鉤載作用下，計(jì)算的前6階屈曲特征值如表3。

表3 井架的屈曲分析特征值

根據(jù)公式［5－7］

可求得井架臨界承載為3 715kN，考慮井架安全系統(tǒng)，可評(píng)定井架承載能力為2 224kN。

2.3.4 起升性能分析

對(duì)改造前、后井架起升瞬間進(jìn)行了模擬分析，其應(yīng)力分布如圖6～7。

圖6 整改前井架起升瞬間應(yīng)力云圖

圖7 整改后井架起升瞬間應(yīng)力云圖

對(duì)比分析，整改前、后井架起升應(yīng)力分布，可知整改后井架起升安全性能降低。

3 結(jié)論

1） 根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)力、應(yīng)變測試結(jié)果，可評(píng)定加強(qiáng)后井架的承載能力為2 020kN。

2） 根據(jù)有限元軟件分析結(jié)果，可評(píng)定加強(qiáng)后井架承載強(qiáng)度為2 542kN，考慮井架穩(wěn)定性，綜合評(píng)定井架承載能力為2 224kN。

3） 根據(jù)現(xiàn)場井架承載能力評(píng)定及理論分析，評(píng)定加強(qiáng)后井架承載能力為2 020kN。

4） 井架承載能力理論分析值大于實(shí)際測試評(píng)定結(jié)果，其誤差約為10%。是由于理論分析建模計(jì)算時(shí)，對(duì)井架附件的簡化及現(xiàn)場工況的理想處理造成，但屬于工程誤差范圍內(nèi)，認(rèn)為可接受。

5） 分析結(jié)果表明，在井架大腿焊接加強(qiáng)鋼板提高了其承載能力。但由于加強(qiáng)鋼板的重力，降低了井架的起升安全性能。

6） 通過焊接加強(qiáng)鋼板的方法提升井架承載能力，為降級(jí)或損傷報(bào)廢井架的二次利用提供了參考。

［1］ 趙煥娟，齊明俠，趙 娜.鉆機(jī)井架的可靠性分析［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（3）：22－27.

［2］ Roger L，Brockenbrough Frenerick S Merritt.Structrual steel designer’s handbook［K］.2006：367－378.

［3］ 薛繼軍，許愛榮.鉆機(jī)井架有限元模態(tài)分析［J］.石油礦場機(jī)械，2001，30（6）：44－46.

［4］ 王孟法.含結(jié)構(gòu)損傷K型井架承載能力研究［D］.長江大學(xué)，2010.5：34－35.

［5］ 范祖堯，郁永熙.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980：177－193.

［6］ 鐘萬勰，丁殿明.計(jì)算桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：水利電力出版社，1982：113－121.

［7］ 王國強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐［M］.西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社，1998：133－138.

Carrying Capacity Analysis for JJ170／41－K Drilling Derrick

WANG Meng－fa，F(xiàn)ANG Tai－an，HAN Xing，ZHOU Zhi－xiong，ZHENG Wen－pei，DING Huan－h(huán)uan
（CNPC KEMBL Petroleum Technology Co.，Ltd.，Beijing100120，China）

In order to increase the bearing capacity of derrick JJ170／41－K，some drilling crews weld steel plates to thigh wings.Based on derrick stress test at drilling site and finite element method，the carrying capacity of rectified derrick is evaluated.The result shows that the bearing capacity of the rectified derrick is 20%increased and meeting the requirement of drilling depth well.

derrick；stress analysis；technical reform；safety evaluation

1001－3482（2012）04－0053－04

TE923

A

2011－10－12

中國石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“在役鉆機(jī)安全評(píng)定方法研究”（03B209000）

王孟法（1984－），男，山東菏澤人，碩士，2010年畢業(yè)于長江大學(xué)，現(xiàn)主要從事石油鉆井設(shè)備的安全評(píng)估等工作，E－mail：kembl＿wmf＠126.com。