基于理論分析的錨定技術(shù)安全改進(jìn)

劉野（大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)一公司）

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基于理論分析的錨定技術(shù)安全改進(jìn)

劉野（大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)一公司）

摘要：修井機(jī)是油田井下作業(yè)裝備，其主要承受載荷的部分是作業(yè)井架，由于作業(yè)井架為空間鋼架結(jié)構(gòu)，所以需要用地錨樁及繃?yán)K作為井架的輔助支撐。固定井架所用地錨樁為?76 mm的油管樁，通過繃?yán)K來固定井架。針對(duì)地錨樁的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型的地錨及繩套固定裝置。通過理論分析以及現(xiàn)場應(yīng)用證明，該新型地錨可以有效地節(jié)約作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，并且可以保證作業(yè)安全。

關(guān)鍵詞：地錨樁；固定裝置；理論分析；作業(yè)安全

隨著井下生產(chǎn)的不斷發(fā)展，在井下作業(yè)中，需要地錨樁進(jìn)行固定的設(shè)備越來越多。除通常的18 m固定井架外，新增了車載井架（通井機(jī)、修井機(jī)）、帶壓作業(yè)設(shè)備等[1]。由于始終沒有1套針對(duì)地錨工作時(shí)的理論分析和地錨樁繩套的安全固定裝置，給井下作業(yè)生產(chǎn)帶來了一些不安全隱患和阻礙。通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析以及作業(yè)施工中井架繃?yán)K的受力分析，對(duì)錨定技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

1　技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)與特性

傳統(tǒng)的地錨樁和滑蘭螺絲要用鋼絲繩和繩卡子固定，即用鋼絲繩穿入地錨樁的孔中。當(dāng)作業(yè)隊(duì)搬家準(zhǔn)備時(shí)將繩套進(jìn)行安裝固定，但傳統(tǒng)的地錨由于與地面接觸面積小，存在施工過程中被拔出來的危險(xiǎn)；并且使用時(shí)鋼絲繩與地錨樁的孔會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，鋼絲繩使用幾次后就會(huì)變形產(chǎn)生死彎，這樣在打繩套時(shí)鋼絲繩就不會(huì)均勻受力，增加了安全隱患[1]，見圖1。繩卡子和繩套經(jīng)常拆裝容易損壞，從而要多次更換繩卡子和繩套，增加了施工成本；而每口井都要裝拆一次，也增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。

改進(jìn)的新型地錨采用加大葉片的地錨，其繩套固定裝置（圖2）由大、小2套固定環(huán)套裝置組成。大固定環(huán)套由大固定環(huán)、固定銷和安全銷3部分組成，其在螺旋地錨使用時(shí)起安全保險(xiǎn)的輔助作用。小固定環(huán)套由小固定環(huán)、固定銷和安全銷3部分組成，其用于螺旋地錨的鋼絲繩套固定。在施工過程中可以節(jié)省準(zhǔn)備、收尾的時(shí)間，同時(shí)還避免了因點(diǎn)蝕的疲勞強(qiáng)度造成繩套斷裂，以及繩卡子拆卸過程中造成的丟失。

圖1　地錨樁直接與繩套配合使用

圖2　地錨繩套固定裝置

2　理論分析

2.1地錨繩套固定裝置受力

大鉤載荷500 kN，井架規(guī)定的傾斜度應(yīng)不大于3.5°，作業(yè)深度小于3500 m。表1給出了井架型號(hào)與地錨樁之間的距離。

表1　井架型號(hào)與地錨樁之間的距離

在井下作業(yè)施工時(shí)，井架繃?yán)K主要是后繃?yán)K受力，地錨與繩套的接觸方式為線接觸（圖3）。

圖3　改變前地錨受力

大鉤載荷500 kN時(shí)，繃?yán)K對(duì)繩套的剪切力經(jīng)計(jì)算為N1= 1.88 t = 18.43 kN，繩套與地錨的2側(cè)桿體接觸受力，1側(cè)的剪切力N1'= 9.22 kN。根據(jù)地錨繩套的特性及接觸方式，地錨繩套容易斷裂，造成施工危險(xiǎn)。

將繩套與地錨的接觸方式由線接觸改為面接觸，如圖4所示。在相同的受力情況下，面接觸可以改善線接觸的局部受力、應(yīng)力集中等缺陷，設(shè)計(jì)的地錨繩套固定裝置改變了傳統(tǒng)的拆卸繩卡子、重新打繩套等易造成繩套斷裂的操作。

圖4　改變后地錨受力

改變地錨繩套的接觸方式可以增大地錨繩套與地錨的摩擦力，因此要考慮面接觸的情況下，地錨繩套固定裝置強(qiáng)度，地錨與地的接觸力是否滿足要求。

對(duì)地錨繩套固定裝置進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，材料強(qiáng)度的計(jì)算主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

◇剪切強(qiáng)度

εφ28= Q/A = 14.98 MPa；δφ22= Q/A = 24.27 MPa

◇屈服強(qiáng)度

δφ28= Q/A = 32.27 MPa；δφ22= Q/A = 41.08 MPa

根據(jù)公式計(jì)算出來的剪切強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均不超出常規(guī)抽油桿產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)表中給出的數(shù)值，因此，所設(shè)計(jì)的地錨繩套固定裝置是安全可靠的（圖5）。

2.2地錨樁與土體之間的有限元

地錨樁：?104 mm，打入地下2.1 m，彈性模量2.2×1011Pa，泊松比0.3。

土體：選擇黏土，摩擦角φ= 14°，膨脹角φf= 0°，黏聚力3.2×104，泊松比0.15，彈性模量3.56×104Pa，土的密度1800 kg/m3。

圖5　常規(guī)錨定樁示意圖

軟件采用ansys13.0。在目前的通用與專用有限元分析軟件中，ansys軟件是最為通用有效的商業(yè)有限元軟件之一，可以直接利用此模型進(jìn)行樁土受力模擬。

地錨樁樁土模型建立方法：

1）土體、樁體均采用三維實(shí)體PLANE42單元，按照實(shí)際尺寸進(jìn)行繪圖建模，并采用手動(dòng)完成網(wǎng)格劃分。

2）土體采用Drucker- Prager模型及準(zhǔn)則。Drucker-Prager材料模型是適用于巖土類材料的彈塑性本構(gòu)模型，其參數(shù)主要包括黏聚力、內(nèi)摩擦、膨脹角，但模型參數(shù)較少。它的最大特點(diǎn)是考慮靜水壓力對(duì)屈服強(qiáng)度的影響，在計(jì)算機(jī)上比較容易實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)積累了許多數(shù)值計(jì)算經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)也考慮了巖土材料特有的剪脹性。

根據(jù)以上條件建立模型。土體是1個(gè)半徑為2500 mm的半圓平面，地錨樁取中心剖面長2500 mm、寬73 mm的長方體，采用手動(dòng)劃分網(wǎng)格，共劃分1837個(gè)單元，在樁的頂部施加50 kN的向上拉力。

計(jì)算結(jié)果：

1）受力之后變形。虛線為地錨樁上拔前的狀態(tài)，實(shí)線是地錨樁上拔后的狀態(tài)。從圖6可以看出，地錨樁樁體有1個(gè)明顯的拔出狀態(tài)。

圖6　地錨與土受力變形

2）查看在樁體上節(jié)點(diǎn)的位移。表2中的節(jié)點(diǎn)219和節(jié)點(diǎn)143均是地錨樁樁體上的節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)219是地錨樁上部的點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)143是地錨樁地面以下的點(diǎn)。由于地錨樁的樁體強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土的強(qiáng)度，所以樁上節(jié)點(diǎn)位移相差不大。當(dāng)時(shí)間在1 s時(shí)，地錨樁此時(shí)的位移已經(jīng)達(dá)到105 mm，大大超過了允許的位移量，此時(shí)地錨樁是不安全的。

傳統(tǒng)地錨與土接觸面小，導(dǎo)致地錨受力會(huì)隨著時(shí)間的增加而被拔出。對(duì)地錨樁體進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)地錨直徑由?104加大到?120可以有效緩解地錨被拔出的危險(xiǎn)。為了改進(jìn)地錨與土的接觸面積，制作了加大葉片地錨，將地錨的葉片直徑由?104加大到?120，地錨本體從鋼筋改為厚5 mm的葉片（圖7），這樣既有利于地錨的旋入，也加大了地錨與土的接觸面積。利用上述條件，對(duì)改進(jìn)后的地錨進(jìn)行分析，劃分的方法與上述方法一致，改進(jìn)后的地錨受力變形如圖7所示。

表2　模型受力時(shí)間-位移對(duì)應(yīng)值

圖7　改進(jìn)后的加大葉片地錨

圖8　改進(jìn)后地錨與土受力變形

由圖8可以看出，在50 kN力的作用下，0.8 s以后節(jié)點(diǎn)位移的變化量幾乎不變，多次施加向上的力均無變化，此時(shí)地錨樁是安全的。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

新型地錨樁的使用情況如表3、表4所示。

表3　繩套固定裝置使用前后效果

表4　加大葉片地錨使用前后效果

新型地錨及繩套固定裝置的使用不僅提高了安全性，而且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4　結(jié)論

利用力學(xué)分析和有限元分析軟件，對(duì)地錨進(jìn)行了安全改進(jìn)，并研制了新型地錨繩套固定裝置。該裝置現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，節(jié)省了施工準(zhǔn)備和收尾的時(shí)間，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了因點(diǎn)蝕的疲勞強(qiáng)度造成的繩套斷裂、繩卡子丟失等經(jīng)濟(jì)損失，提高了修井作業(yè)的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡黎明，濮家騮.土與結(jié)構(gòu)物接觸面物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（4）：431-435.

（編輯李珊梅）

收稿日期2015-04-21

作者簡介：劉野，2008年畢業(yè)于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，現(xiàn)從事鉆井現(xiàn)場施工監(jiān)督工作，E-mail：sxy4998688@vip.sina.com，地址：黑龍江省大慶市紅崗區(qū)鉆技公司固井二隊(duì)，163358。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.015