連續(xù)管鉆井用伸縮式門型井架研制及應用*

王 琦 雷宇奇 王 賀 張富強 閆天紅 張洪波 李卿卿

(1.勝利油田油氣井下作業(yè)中心 2.中石油江漢機械研究所有限公司 3.東北石油大學 4.北京東順博望石油設備有限公司)

0 引 言

連續(xù)管鉆井用井架是連續(xù)管復合鉆機的重要部件之一[1-2]，主要用于支撐注入頭起下連續(xù)管和安裝游吊系統(tǒng)或頂驅起下常規(guī)管柱，可以有效縮短設備的安裝時間，提高設備的可靠性和施工效率，減少租賃起重機的費用[3-4]?！笆濉逼陂g，針對國內(nèi)老井側鉆需求，中石油江漢機械研究所有限公司開展了連續(xù)管鉆井用井架的研制，并將其應用于LZ900/73-3500連續(xù)管復合鉆機。

連續(xù)管鉆井用井架為了安裝注入頭和便于運輸,基本采用門型結構[5]，目前已有的門型井架可分為常規(guī)門型井架和折疊式門型井架[6-8]。

常規(guī)門型井架采用一體式結構，將注入頭集成安裝于井架上，并在井架上設置導軌，注入頭的升降通過液壓絞車和滑輪組實現(xiàn)，同時進行液壓油缸控制注入頭的旋轉和井架寬度方向上的微調(diào)。這類井架主要應用于加拿大運輸條件較好的地區(qū)，多采用超長、超寬和超高的半掛車運輸形式，其運輸方式無法滿足我國道路運輸條件要求。折疊式門型井架由Foremost公司研制，其注入頭和井架采用一體化設計。運輸時井架可以折疊放置，通過液缸實現(xiàn)井架的折疊和展開，減小上裝后的高度和寬度。這類井架主要支撐注入頭進行修井作業(yè)[9]，井架一般額定載荷為180 kN，無法滿足國內(nèi)側鉆的承載力需求[10]。

本文基于前人研制門型井架的基本結構，根據(jù)LZ900/73-3500連續(xù)管復合鉆機的運輸條件和工況要求，創(chuàng)新結構設計，將常規(guī)鉆井系統(tǒng)和連續(xù)管鉆井系統(tǒng)有機結合，利用有限元分析并結合現(xiàn)場試驗，設計研制出滿足國內(nèi)道路運輸條件和側鉆承載能力要求的連續(xù)管鉆井用伸縮式門型井架。

1 井架設計

1.1 主要設計參數(shù)

連續(xù)管復合鉆機LZ900/73-3500具備?73 mm連續(xù)管側鉆深度3 500 m和?60.3 mm連續(xù)管側鉆深度4 500 m的作業(yè)能力，配套ZR9005輕量化注入頭，注入頭質量10 t，最大提升力900 kN。依據(jù)該復合鉆機性能參數(shù)進行井架匹配設計。

1.1.1 井架凈空高度

根據(jù)連續(xù)管鉆井和常規(guī)管柱起下要求，同時考慮大鉤起下時2.5 m的天車防碰安全距離，歸納總結起下油管、起下套管、起下鉆具和事故解卡4種作業(yè)形式所需井架凈空高度，如表1所示。其中在事故解卡時所需井架凈空高度最大為21.1 m，井架高度等于井架有效高度加鉆臺高度為25.6 m，為保證操作安全性，確定井架高度為26 m。

表1 4種作業(yè)形式下井架凈空高度 mTable 1 Headroom of derrick under 4 operation modes m

1.1.2 最大鉤載

連續(xù)管復合鉆機最大鉆井深度為4 500 m，根據(jù)處理鉆桿、油管或尾管3種類型的管柱進行鉤載計算。依據(jù)GB/T 23505—2017《石油鉆機和修井機》標準[11]，確定最大鉤載為1 125 kN。因此，井架、游車、天車、大鉤的設計參數(shù)均按最大承載能力1 125 kN進行研究設計。

1.2 結構設計

井架結構(收起狀態(tài))如圖1所示，它由井架上體、井架下體、注入頭托架、天車、楔形支座、起升液缸、伸縮液缸和梯子等部件組成。井架設計為兩級伸縮式門型結構，可同時安裝注入頭和游動系統(tǒng)，伸縮式結構可減小井架運輸時的高度。選用直立式結構可以滿足連續(xù)管鉆井和常規(guī)管柱起下轉換的便捷性，同時，天車、絞車及快繩采用偏置布置的方式，可避免連續(xù)管鉆井與常規(guī)管柱起下的相互干擾。井架下體上設置注入頭托架及導軌，實現(xiàn)注入頭和井架一體化運輸。作業(yè)時通過液缸推動完成注入頭前后、左右2個自由度的動作，確保作業(yè)時注入頭能準確快速對中井口。

井架主體由上、下體組成。上體以標準型H型鋼為主，在大腿處采用工字梁結構，以增強井架的抗扭性能，井架上體伸出后采用機械鎖死的方式鎖死，前后均設有繃繩。下體由優(yōu)質鋼板折彎、對拼、焊接而成，下體兩側大腿采用矩形結構，開襠空距2 m。井架上裝后整體結構緊湊，上裝后整車高4.5 m，寬3.0 m，滿足國內(nèi)大部分道路條件的運輸要求。

1—天車；2—井架上體；3—注入頭托架；4—井架下體；5—楔形支座；6—伸縮液缸；7—井架梯子；8—走臺。圖1 井架(收起狀態(tài))結構示意圖Fig.1 Schematic structure of derrick (retracted state)

2 有限元分析

2.1 計算模型

利用非線性有限元法對井架結構進行分析，將井架整體結構簡化為空間鋼架模型。將焊接位置和銷軸連接處設為計算節(jié)點，去掉梯子、走臺等附屬部件[12-14]。井架上體及注入頭框架簡化為beam188梁單元，井架下體使用Solid185實體單元，繃繩使用Link180單元，井架下體加厚段使用Shell163單元，接觸處使用接觸單元Conta175和Targe170單元。建模過程中梁單元共設有9種截面，所用型鋼材料為Q345B，屈服強度是345 MPa。井架材料的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度為7 830 kg/m3；鋼絲繩的材料彈性模量為80 GPa，泊松比為0.3，密度為7 830 kg/m3。按井架結構劃分網(wǎng)格，共有19 324個節(jié)點及22 104個單元，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 井架網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model of derrick

2.2 載荷施加

井架承受的載荷主要包括恒定載荷、工作載荷和自然載荷[15]。恒定載荷包括井架自重，注入頭自重，天車、游車、大鉤等設備的靜載。本次分析中，井架自重根據(jù)其各層重力平均分配到井架相應各層的節(jié)點處，注入頭自重分配至井架下體的注入頭托架節(jié)點，設備靜載按其所在位置平均施加到頂部節(jié)點上。工作載荷包括最大鉤載、注入頭載荷和工作繩作用力等。自然載荷只考慮風載荷，根據(jù)井架工作和起升狀態(tài)下的最小設計風速要求[16]，有繃繩時，最小設計風速為12.7 m/s；無繃繩時，最小設計風速為16.5 m/s。井架按照高度分為10段，根據(jù)風載荷計算公式[17]，計算出每段截面在不同風速下的受力載荷，如表2和表3所示。

表2 設計風速為16.5 m/s時井架承受的風載荷 NTable 2 Wind load borne by the derrick at the designed wind speed of 16.5 m/s N

表3 設計風速為12.7 m/s時井架承受的風載荷 NTable 3 Wind load borne by the derrick at the designed wind speed of 12.7 m/s N

2.3 工況分析

連續(xù)管鉆井作業(yè)時，井架需要完成帶注入頭起升、支撐起下常規(guī)管柱(常規(guī)作業(yè))和支撐注入頭起下連續(xù)管(連續(xù)管作業(yè))3種主要工作。依據(jù)API Spec 4F規(guī)范[18]，按照有無繃繩、有無鉤載、有無注入頭載荷和不同井架起升角度進行細分,可以得到10種不同的工況，每種工況的載荷分布情況如表4所示。其中井架起升時不考慮環(huán)境載荷，起升角度按照0°、15°、20°和25°分別計算井架受力情況。

表4 不同工況下的載荷分布情況Table 4 Load distribution under different working conditions

2.4 有限元計算

2.4.1 常規(guī)作業(yè)

常規(guī)作業(yè)時井架直立，注入頭位于井架一側，分布載荷為井架自重、注入頭自重和風載。按照有、無鉤載和有、無繃繩4種工況進行計算，井架位移云圖和應力云圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 常規(guī)作業(yè)井架位移云圖Fig.3 Cloud chart of derrick displacement under conventional CT workover mode

圖4 常規(guī)作業(yè)井架應力云圖Fig.4 Cloud chart of derrick stress under conventional CT workover mode

由計算結果可知，常規(guī)作業(yè)時，工況2(無鉤載有繃繩)下井架上體立柱中段變形較大，最大位移約為7 mm，最大應力出現(xiàn)在井架立柱與注入頭框架梁斜撐連接處，最大值約為23 MPa。其余3種工況下，井架頂部變形較大，最大位移約為50 mm，最大等效應力出現(xiàn)在井架立柱上體立柱與下體立柱連接處，最大值約為141 MPa，所有單元強度滿足要求。

2.4.2 連續(xù)管作業(yè)

連續(xù)管作業(yè)時，不承受鉤載，承受注入頭工作載荷，考慮有、無繃繩2種情況，井架位移云圖和應力云圖分別如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，無繃繩時，井架頂部變形最大，最大位移約152 mm，以前傾為主。最大等效應力出現(xiàn)在注入頭框架斜撐與井架下體立柱連接靠下部位，應力最大值約為273 MPa，此處出現(xiàn)應力集中，其他部位應力均小于182 MPa。有繃繩時，井架上體立柱中段變形最大，最大位移約51 mm，最大等效應力出現(xiàn)在井架下體立柱與框架梁連接處，約為242 MPa，此處出現(xiàn)應力集中，其他部位應力均小于189 MPa，所有單元強度滿足要求。

圖5 連續(xù)管作業(yè)井架位移云圖Fig.5 Cloud chart of derrick displacement under CTD mode

圖6 連續(xù)管作業(yè)井架應力云圖Fig.6 Cloud chart of derrick stress under CTD mode

2.4.3 井架起升

井架起升狀態(tài)下，無注入頭載荷和鉤載，且不考慮環(huán)境載荷，依據(jù)0°、15°、20°和25°角起升情況進行計算。根據(jù)結果可知，不同起升角度下，最大位移均發(fā)生在井架頂部，最大等效應力位于井架立柱與液壓缸連接區(qū)域。當起升角度為15°時，最大變形位移約為19 mm，最大等效應力為76 MPa，此時位移云圖和應力云圖如圖7所示，所有單元強度滿足要求。

圖7 井架起升角為15°時井架的位移和應力云圖Fig.7 Cloud chart of derrick displacement and stress at the lifting angle of 15°

3 試驗及應用

3.1 試驗

為進一步驗證井架的質量和可靠性，井架組裝完成后于2018年6月24日在北京某公司試驗場地進行了井架起升、伸縮、鎖死動作測試和最大載荷測試兩項試驗。

3.1.1 動作測試

動作測試在空載和帶載(安裝注入頭)2種狀態(tài)下分別進行，測試過程如下：緩慢起升井架，當井架從水平狀態(tài)舉升至豎直狀態(tài)后，控制升降液缸緩慢伸出上體，當上體伸出至上頂板后進行鎖死，保持一段時間后再解鎖，緩慢縮回上體，最后，控制液缸使井架恢復至水平運輸狀態(tài)。不同狀態(tài)下所有動作重復3次，測試過程如圖8所示。測試結果顯示，井架各項動作均可流暢完成，各部件間無干涉現(xiàn)象。

圖8 井架動作測試現(xiàn)場Fig.8 Derrick action test

3.1.2 最大載荷測試

依據(jù)前文仿真結果，在井架上體立柱和下體立柱的最大應力處分別布置應變計，通過吊環(huán)將大鉤連接于200 t地錨，確認繃繩情況完好后慢提升游車大鉤，緩慢加力至1 125 kN后卸掉鉤載。利用電子經(jīng)緯儀和超聲波測厚儀等儀器檢查井架構件、構件間連接、井架整體、井架基礎變形、損傷及缺陷情況并觀察應力變化。結果顯示，最大鉤載下井架無變形和損傷情況；當最大鉤載為1 125 kN時，最大應力值為178.97 MPa，遠低于井架所用材料Q345B高強度結構鋼的設計強度345 MPa。因此，井架滿足最大鉤載1 125 kN的工作要求。

3.2 應用

2019—2021年間，本文研制的井架用于LZ900/73-3500連續(xù)管復合鉆機共開展了6井次、7個井眼的連續(xù)管側鉆和常規(guī)管柱側鉆，應用情況如表5所示。作業(yè)區(qū)域包括位于內(nèi)蒙古、陜西、甘肅和湖北境內(nèi)的4個區(qū)域，井架運移滿足普通道路與山區(qū)小路的行駛要求。在連續(xù)管鉆井作業(yè)過程中，開展了連續(xù)管通洗井、連續(xù)管注水泥塞、連續(xù)管鉆塞、存儲式測井、完井等作業(yè)工藝，完成了起下?139.7 mm套管并固井作業(yè)、起下?88.9 mm套管并固井作業(yè)、下常規(guī)生產(chǎn)管柱完井。連續(xù)管鉆井與常規(guī)管柱起下切換時間短于5 min，實現(xiàn)了兩套系統(tǒng)的快速切換，滿足我國油田大部分老井側鉆作業(yè)對井架的承載要求。該井架的成功研制與應用為我國連續(xù)管鉆井工藝的發(fā)展與推廣應用提供了裝備支撐。

表5 井架應用情況Table 5 Application of derrick

4 結論及認識

(1)創(chuàng)新研制了連續(xù)管鉆井用兩級伸縮式門型井架，最大鉤載1 125 kN，搭載注入頭移動平臺，可以實現(xiàn)井架和注入頭的一體化輸運及連續(xù)管鉆井和常規(guī)管柱鉆井起升系統(tǒng)之間的快速轉化。井架整體尺寸緊湊，上裝后整車高4.5 m，寬3.0 m，滿足國內(nèi)大部分道路運輸條件要求。

(2)2019—2021年間，該井架用于LZ900/73-3500連續(xù)管復合鉆機在位于內(nèi)蒙古、陜西、甘肅和湖北境內(nèi)的4個區(qū)域開展了6井次、共7個井眼的連續(xù)管側鉆和常規(guī)管柱側鉆，運移性和承載能力滿足現(xiàn)場作業(yè)需求，該井架的研制成功為我國連續(xù)管鉆井工藝的發(fā)展與推廣應用提供了裝備支撐。

(3)井架整體結構尺寸依舊較大，上裝完成后整體質量超過70 t，后續(xù)將繼續(xù)開展小型化和輕量化的研究。