lk大腿捆綁鉆桿塔型井架承載性能分析及評定

王孟法，張燕慶，楊秀英，韓 興，劉瑞華

（1.中國石油集團 康布爾石油技術發展有限公司，北京 100120；2.中石油集團 鉆井工程技術研究院海外所，北京 100000）

根據中石油集團公司制度和管理規范，需對在役鉆機井架進行定期評估檢測[1-3]，以確保鉆井作業安全。在現場鉆機井架檢測評定中，發現有大批塔型井架對大腿進行了捆綁鉆桿處理，以提高其承載性能。然而，對大腿捆綁鉆桿處理塔型井架如何評定，成為了一個難題。

通過對大腿捆綁鉆桿井架進行多次現場應力應變測試，及有限元模擬仿真分析對比，給出了合理評定此加強井架承載能力方法。

1 現場測試及分析

1.1 測試儀器

傳感器：電阻值為120 Ω，靈敏系數為2.15的箔式電阻就變計；測試儀器：DH5920N動態信號采集分析系統，64通道，64位獨立通道A/D轉換器；計算機：DELL筆記本電腦；計算軟件：井架評估計算軟件2.0（中石油鉆井工程技術研究院康布爾公司自編軟件）。

1.2 測試方法及測試數據

分別在井架II-1節中部和二層位置分兩層、原井架大腿及捆綁鉆桿兩處布點，總共48個布點（井架大腿捆綁鉆桿樣式見圖1，布點方式見圖2）。起點測試載荷不小于井架設計最大鉤載的15%，最大試驗載荷不小于設計最大鉤載的25%，不小于3個載荷級別，對井架進行應變應力測試。測試載荷由井下鉆具提供，載荷大小由司鉆控制，其計數以指重表為準。選取合理測試數據，整理的部分數據見表1。

1.3 測試數據分析

分析測試的大腿捆綁鉆桿應力應變測試數據，可知：井架鉤載的大小對捆綁鉆桿軸向應變基本沒有影響，說明井架大腿捆綁鉆桿對井架大腿強度不起作用。但捆綁鉆桿對井架大腿的剛度是否有影響，借助有限元仿真進行分析驗證。

2 有限元分析

2.1 井架有限無限建模

圖1 塔型井架大腿捆綁鉆桿示圖Fig.1 diagram of derrick which thigh bundled drill-pipe

圖2 大腿捆綁鉆桿井架布點方法Fig.2 Arrangement of measuring points of derrick which thigh bundled drill-pipe

表1 現場對加強后井架部分應變測試數據Tab.1 Measuring data of stress of derrick which thigh bundled drill-pipe

為保證建立的井架模型在滿足要求的同時，盡可能與實際結構接近，對井架做了簡化[4-6]處理。選擇井架各構件的連接點作為有限元[9]結構模型的節點，選取角鋼、圓鋼定義空間梁單元，并構建截面空間梁單元。加強井架有限元模型共劃分為214個結點，418個單元，各桿件均采用Q345鋼。建立的井架模型如圖3。

圖3 大腿捆綁鉆桿井架有限元模型圖Fig.3 Finite model of derrick which thigh tied drill-pipe

2.2 井架承載能力分析

2.2.1 靜態分析

對六種載荷工況：600，1 000，1 500，1 800，2 250 KN 進行計算，結果見表2。

表2 幾種工況下井架最大應力值Tab.2 The maximum stress of derrick on some conditions

結果表明，最大應力值與鉤載呈良好線性關系。鉤載為2 250 KN時，最大應力為211 MPa（見圖4），通過線性外推（345 MPa時）得到井架承載為：3 678，除去安全系數1.67，可得井架承載能力為2 202 KN。

2.2.2 穩定性分析

在2 250 KN載荷作用下，對大腿捆綁鉆前、后井架進行屈曲分析計算的前3階屈曲特征值如表3所示。

圖4 2250KN鉤載時井架應力分布云圖Fig.4 Stress contours of derrick on 2250KN

表3 JJ225/43-K型井架的屈曲分析特征值Tab.3 Eigenvalue of buckling analysis of mast of JJ225/43-5

由前述分析，根據公式[7-8]

可求得大腿捆綁鉆桿前井架大鉤臨界值為3 280 KN，井架承載能力評定為1 960 KN；大腿捆綁鉆桿后井架大鉤臨界值為3 671 KN，井架承載能力評定為2 198 KN。

2.2.3 井架承載性能分析

對比井架靜態分析、大腿捆綁鉆桿前后井架穩定分析結果，可各：大腿捆綁鉆桿井架屈曲臨界值（2 198 KN）僅比靜態分析結果（2 202 KN）低了4 KN（誤差僅0.18%），可認為此井架結構的剛度完全滿足要求，不會發生失穩倒塌；大腿捆綁鉆桿后井架承載臨界值比原井架臨界值提高12%，明顯提高了井架穩定性能。

3 結 論

通過對大腿捆綁鉆桿井架應力應變現場測試及仿真分析，可得如下結論：

1）大腿捆綁鉆桿對井架大腿強度基本無影響，但大大提高了井架的穩定性能；

2）對大腿捆綁鉆桿井架承載性能評定時，只需依據結構強度評定理論即可滿足；

3）參考《石油鉆機修井機設備評估工作規范》及《現代美國鋼結構設計冊》，依據1997版評定標準對大腿捆綁鉆桿井架承載評定比較合理；

4）大腿捆綁鉆桿提高了井架承載性能，但增加了井架安裝及拆卸工作量，增加了勞動強度及安全隱患。

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