連續(xù)油管作業(yè)車注入頭支架承載能力分析

但永軍，張麗梅，許山明，張建成，周漢鵬，趙簽

（1.新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；2.新疆克拉瑪依市三達(dá)有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834000；3.西部鉆探準(zhǔn)東鉆井公司，新疆阜康 831511）①

近年來，國內(nèi)各大油田相繼購置了連續(xù)油管作業(yè)車及其附屬設(shè)備，用于油氣井的帶壓修井、測試作業(yè)。施工時(shí)，注入頭與井口防噴器的對(duì)接安裝和起、下連續(xù)油管主要依靠吊車懸掛注入頭來完成，如圖1所示。這種作業(yè)方式在作業(yè)周期較短、井深較淺的修井、測試中被普遍采用，主要用于井深在4000m 以內(nèi)、壓力為15～40MPa的油氣井［1］。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，用吊車懸掛注入頭的做法雖然具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在可靠性低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。例如，曾經(jīng)發(fā)生過由于油管內(nèi)注液（或注氮）壓力的大幅波動(dòng)、風(fēng)載劇烈變化及其他因素綜合作用導(dǎo)致注入頭晃動(dòng)，使連續(xù)油管折斷的事故。究其原因，是吊車與注入頭之間為軟連接，缺乏穩(wěn)定可靠的支承所致。目前，我國陸上油田還沒有研制和使用專門用于支撐、連接、固定連續(xù)油管作業(yè)車注入頭的裝備。

塔里木油田大北、克深2個(gè)區(qū)塊的油氣井不僅超深（平均井深6200～6500m，最深達(dá)7406m），而且超高壓（平均壓力95MPa，最高達(dá)140 MPa），與前面提到的油氣井相比，油管內(nèi)注液（或注氮）產(chǎn)生的壓力更高，井內(nèi)管柱重力更大，提下油管的作業(yè)時(shí)間更長，因此對(duì)施工時(shí)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性要求更嚴(yán)。為了采用連續(xù)油管作業(yè)車對(duì)這2個(gè)區(qū)塊進(jìn)行修井、測試作業(yè)，并保障注入頭與井口防噴器的對(duì)接安裝以及連續(xù)油管起、下等作業(yè)的安全，研制了用于支撐、連接、固定連續(xù)油管作業(yè)車注入頭的塔式支架［2］（以下簡稱支架）。本文主要進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核。

圖1 吊車懸掛連續(xù)油管注入頭作業(yè)現(xiàn)場

1 總體結(jié)構(gòu)

支架整體結(jié)構(gòu)為單邊開口的π型框架（頂層平臺(tái)除外），采用積木搭接方式安裝，如圖2所示。部件以焊接結(jié)構(gòu)件為主，采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)?；螀^(qū)域6000mm×3800mm，框架內(nèi)工作區(qū)域3550mm×2500mm。

圖2 連續(xù)油管注入頭支架結(jié)構(gòu)

沿地面垂直向上、由低到高的安裝順序依次為基座、間隔架、頂層平臺(tái)、滑車。基座作為整個(gè)支架的底座安放于井口地面，用于安放和固定整個(gè)塔式支架并保持穩(wěn)定，通過4根導(dǎo)向柱與第1層間隔架定位、對(duì)接，用4只銷軸聯(lián)接、固定；自第1層間隔架起至頂層平臺(tái)，彼此之間均通過4根導(dǎo)向柱定位、對(duì)接，用6只U 型螺栓聯(lián)接、固定；滑車依靠自重坐落于頂層平臺(tái)，其上部的注入頭底座最終與連續(xù)油管注入頭定位、對(duì)接，用繃?yán)K與頂層平臺(tái)聯(lián)接、固定。間隔架有4種高度規(guī)格，共8件，可通過調(diào)整、變更其數(shù)量、規(guī)格，使支架形成3.83～13.73 m 范圍內(nèi)的不同高度組合。間隔架、頂層平臺(tái)都安裝有垂直爬梯和帶活門的護(hù)欄平臺(tái)，不僅可供施工人員在支架內(nèi)部上下，也方便其實(shí)施水平作業(yè)和休息。注入頭底座可上、下移動(dòng)300 mm，前后、左右移動(dòng)500 mm，在水平工作面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)。必要時(shí)，可在支架四角打繃?yán)K與地錨連接。

2 支架受力分析

2.1 總體受力

在連續(xù)油管下入和提起時(shí)，支架主要承受重力、垂直壓力、滾筒對(duì)連續(xù)油管拉力、背面橫風(fēng)等載荷的作用，如圖3。支架頂部及頂層平臺(tái)受力狀況最為惡劣。

圖3 支架總體受力分析

圖中：G0為頂層平臺(tái)與間隔架重力，最大值117.7kN；G1為滑車重力，20850N；G2為注入頭重力，最大值34470N；F1為垂直壓力，最大值360 kN，集中作用在支架頂部、與注入頭上提力大小相等、方向相反（垂直向下）；F2為滾筒對(duì)連續(xù)油管的拉力，最大值5000N，作用于鵝頸并與水平方向夾角成θ（簡稱鵝頸角），其水平分力Fx＝F2cosθ，最大值4330N，垂直分力Fz＝F2sinθ，最大值3536N；M為拉力F2對(duì)A 點(diǎn)彎矩，M1＝FxL1＋FzL2，最大值155761N·m；L1為Fx對(duì)A 點(diǎn)力臂，m；L2為Fz對(duì)A 點(diǎn)力臂，m；F3為第1風(fēng)向（對(duì)支架結(jié)構(gòu)最不利且與鵝頸反方向）風(fēng)載，最大值23054N，取12級(jí)風(fēng)力時(shí)的穩(wěn)定靜力風(fēng)壓值W0＝0.8kN／m2，該力視為沿水平方向集中作用于支架頂部；F為支架沿水平方向（x 向）所受合力，N；Pz為支架沿垂直方向（z向）所受合力，N；A為支架頂部水平力與垂直力正交點(diǎn)；B為力F2作用于鵝頸的點(diǎn)；鵝頸角θ為變量，變化范圍：30°～45°，表1列出了4組F2的分量隨θ變化的數(shù)值。

表1 滾筒通過連續(xù)油管對(duì)支架的作用力

構(gòu)成支架主體的基座、間隔架、頂層平臺(tái)彼此間為剛性連接，等效于一體受壓桿件。F 使支架沿水平方向（x 向）發(fā)生彎曲（位移），可能導(dǎo)致傾覆。Pz使支架整體和頂層平臺(tái)沿垂直方向（z向）發(fā)生彎曲（位移），可能導(dǎo)致失穩(wěn)。支架受力最惡劣的工況有2種：①Pz達(dá)到最大值，其載荷數(shù)值列在表2；②F達(dá)到最大值，其載荷數(shù)值列在表3。根據(jù)需要，用幾何法解算支架z向穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，用有限元法解算頂層平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支架沿x 向彎曲等數(shù)據(jù)［3］。

表2 支架在垂直方向的最大合力 N

表3 支架在水平方向的最大合力 N

2.2 Pz達(dá)到最大值時(shí)支架z 向穩(wěn)定性校核

將支架簡化為下端固定上端自由的壓桿，如圖4。材料為Q235鋼，Pz最大值419kN，穩(wěn)定安全系數(shù)［4］nst＝3。

圖4 支架受壓力學(xué)模型

2.2.1 柔度計(jì)算［5］

式中：λ為柔度；μ為長度系數(shù)，μ＝2；L為桿的等效長度，L＝13730 mm；I為慣性矩，cm4；A為截面積，A＝3850×2750＝1.059×107mm。

2.2.2 臨界載荷計(jì)算［5］

Q235鋼最大柔度λp＝102，最小柔度λ3＝61.6。而λ＜λ3，可知支架整體是短粗桿，所以其臨界應(yīng)力σα＝a（壓縮屈服應(yīng)力）＝304 MPa。

式中：Pα為臨界載荷，kN。

可見，支架z向是穩(wěn)定和安全的。

3 有限元分析［6］

3.1 建立模型

支架的三維實(shí)體模型如圖5。將頂層平臺(tái)、間隔架各桿件的自然焊點(diǎn)作為有限元分析模型的節(jié)點(diǎn)，共有67個(gè)?；?、滑車對(duì)支架的剛度影響較小，簡化時(shí)忽略［5］。支架屬于空間框架結(jié)構(gòu)，所有單元通過節(jié)點(diǎn)可靠連接，受力作用于各個(gè)節(jié)點(diǎn)。簡化模型如圖6。簡化后的支架在強(qiáng)度上為一體結(jié)構(gòu)。將簡化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，離散為3630個(gè)單元后，建立了支架的有限元模型，如圖7。

圖5 支架三維模型

圖6 支架簡化模型

圖7 支架有限元模型

3.2 定義單元類型、材料參數(shù)及截面形狀

桁架結(jié)構(gòu)單元類型定義為beam189［6］，Q235鋼的力學(xué)性能參數(shù)如表4。頂層平臺(tái)的主梁為結(jié)構(gòu)用冷彎矩形空心型鋼，截面尺寸：長w1＝0.3m，寬w2＝0.2m，壁厚t1＝t2＝t3＝t4＝0.008m。斜撐均為結(jié)構(gòu)用冷彎矩形空心型鋼，截面尺寸：長w1＝0.09 m，寬w2＝0.05m，壁厚t1＝t2＝t3＝t4＝0.005m。

表4 Q235鋼的力學(xué)性能參數(shù)

3.3 約束邊界條件

支架的實(shí)際約束邊界條件是底座與地面為全約束；第1層間隔架與基座用4只銷軸固定；間隔架、頂層平臺(tái)彼此之間由柱銷定位，6只U 形螺栓（每邊有2只）固定，U 形螺栓與立柱中心的距離為220 mm?？蓪⒅Ъ苡邢拊Ｐ偷撞颗c底座相連接的4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移全約束，基座、間隔架、頂層平臺(tái)之間作剛性連接處理［7］。

3.4 計(jì)算結(jié)果及強(qiáng)度校核

1）Pz達(dá)到最大值時(shí)，頂層平臺(tái)計(jì)算結(jié)果如圖8。由圖8a知：矩形鋼承受的最大應(yīng)力為98 MPa，低于鋼材的屈服強(qiáng)度σs＝235 MPa。由圖8b知：沿z向最大位移為5.16mm，小于允許位移［δ］＝10.4 mm。因此，頂層平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖8 頂層平臺(tái)計(jì)算結(jié)果

2）F 達(dá)到最大值時(shí)［8］，支架沿x 向最大位移（撓度）約為17.8mm，小于允許位移［δ］＝45mm。從支架頂部往基座位方向的位移量逐漸減小，其位移云圖如圖9。與支架的高度13730 mm 相比，17.8mm的位移量較小，支架剛度能夠滿足使用要求。

圖9 支架x 向位移云圖

4 基本風(fēng)速條件下鵝頸角優(yōu)選

在其他條件不變、風(fēng)載變?yōu)樗锬镜貐^(qū)基本風(fēng)速時(shí)，分析隨鵝頸角θ改變的Fx＝F2cosθ對(duì)支架變形（主要指x 方向位移）的影響，為實(shí)際作業(yè)優(yōu)選鵝頸角提供指導(dǎo)。表5為塔里木地區(qū)基本風(fēng)速數(shù)據(jù)［8］（1971—2000年資料統(tǒng)計(jì)）。

圖10分別為θ＝30°、35°、40°、45°時(shí)支架在x 方向上的位移云圖。經(jīng)計(jì)算，在塔里木地區(qū)基本風(fēng)速下，隨著鵝頸角θ從30°逐漸變大至45°，支架在x 向的最大位移值不斷減小，分別為6.42、6.31、6.18、6.05mm，變化幅度不明顯，也都遠(yuǎn)小于12級(jí)風(fēng)力時(shí)的最大位移（17.8mm）和允許位移［δ］。

表5 塔里木地區(qū)基本風(fēng)速數(shù)據(jù)

圖10 基本風(fēng)速下不同鵝頸角時(shí)支架x 向位移云圖

5 結(jié)論

1）本文介紹的塔式支架是用于支撐、連接、固定連續(xù)油管作業(yè)車注入頭。支架整體結(jié)構(gòu)采用獨(dú)特的單邊開口π型框架，安裝形式采用積木搭接方式，簡便快捷。既可將各部件吊運(yùn)至井口上方后逐層安裝，也可從水平方向?qū)⒔M裝好的支架整體拖拽至井口。塔式支架能從根本上解決了連續(xù)油管作業(yè)車修井、測試時(shí)存在的安全問題，同時(shí)將吊車解放出來去從事其他工作，降低了成本。

2）有限元分析結(jié)果表明：支架的強(qiáng)度和剛度能滿足塔里木油田大北、克深區(qū)塊油氣井在最惡劣工況下的帶壓修井、測試作業(yè)要求。

3）在塔里木地區(qū)基本風(fēng)速下，鵝頸角在范圍內(nèi)變化，對(duì)支架的變形影響可以忽略。

4）存在的問題：沒有設(shè)計(jì)、安裝逃生通道和安全帶專用掛鉤，存在一定安全隱患；主要部件尺寸超寬，拆裝、搬運(yùn)比較慢，工作效率較低。

5）為了能從事更多、更為復(fù)雜的油田作業(yè)，應(yīng)在支架的人機(jī)界面（安全舒適性、友好性、易操作性）、小型化（結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模塊化）、智能化（壓力傳感、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集與處理、遠(yuǎn)程控制）、多功能化（完井、應(yīng)急搶險(xiǎn)）等方面作更深入的研究。

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