基礎不均勻下沉對天車與方盤軸線的影響及校正

吳義江

【摘 要】在鉆井過程中，基礎作為一種特殊的建筑物，其載荷的不均勻性和基礎的不完善，如果不合理使用，其對鉆井有很大的影響。易造成井架內力發生變化、設備振動加劇，井口操作發生困難、影響井身質量，甚至會發生井架傾倒的惡性事故。通過對基礎不均勻下沉與天車、轉盤位置關系的計算分析和現場勘測，找出了基礎不均勻下沉的主要原因，有針對性的制定切實可行的措施，并付諸實施，取得了明顯的效果。

【關鍵詞】不均勻下沉；承載能力；井架整體變形；墊鋼板

0 引言

本文以TJ2-41塔型井架為例，建立了數學模型，利用幾何關系分析計算了鉆機基礎產生的不均勻沉降量對天車、轉盤空間位置的變化關系；并在此基礎上進行了鉆井過程中鉆機基礎的不均勻沉降與天車位置偏移量的現場測量和對比分析；找到了基礎不均勻下沉后的一些處理方法，并提出了如何減少問題發生的建議，在以后施工時的注意事項。

1 基礎不均勻下沉不可避免

一般認為地基在使用之前，在外力和自重壓力的作用下，已經堅固，不易變形；之后，在載荷的作用下，產生新的變形，基礎隨之也產生下不均勻沉。由于土壤本身的不固定性，整個鉆井設備的不穩定載荷的不均勻性和基礎的不完善，地基變形也是不均勻，也就是說基礎存在點或面的不均勻下沉。不均勻下沉是不可避免的，它對鉆機有很大的影響。基礎產生一個點或一個面的不均勻下沉后，使用設備的位置發生微量變化，破壞了原有的位置關系。因而，造成使用設備內力發生變化、設備在使用過程中振動加劇，井口操作發生困難，設備磨損加劇，后期影響完井質量。倘若基礎產生面的不均勻下沉則鉆井工作就會有被迫停止的可能，甚至會發生井架倒塌的惡性事故。

2 基礎不均勻下沉時的位置關系

我們用與大慶Ⅰ、Ⅱ型鉆機配套的TJ2-41型井架為例進行分析。

基礎在使用過程中，按施工標準要求，基礎必須嚴格找水平，使井架的天車中心、轉盤中心，井口中心必須在一條鉛垂線上。這時的井架承載能力、整體剛性都是最大的。為了方便計算，建立三角形位置關系圖。找到了

（1）基礎在設備擺放前為水平面。那么底座、轉盤底面亦處于水平狀態。

（2）基礎在使用前，天車中心、轉盤中心、井口中心在同一鉛垂線上。

（3）井架及底座按剛性整體結構處理，即其底面始終作為一平面對待。則對角不均勻下沉量之和相等。

圖1是計算示意圖，可用于計算天車的位置，也可用于計算轉盤的位置。是在通過天車中心或轉盤中心的鉛垂面內，用天車（轉盤）中心C點，鉛垂面與底座（井架）底面處沿交點A和B組成的三角形代替井架和底座；實線是基礎未產生不均勻下沉時的位置，虛線是基礎產生不均勻下沉后的位置。圖1中，AB、OC為已知量；h是基礎不均勻下沉量，可用水準儀測得。需計算DC和DC′，即天車（轉盤）中心的垂直位移和水平位移。

由圖1顯見：

當h≤50mm時，DC誤差<3.33%，DC′誤差<0.03%；當h≤100mm時，DC誤差<6.44%，DC′誤差<0.55%。在實際問題中，DC的大小對鉆井過程無影響，所以，上述近似計算公式完全滿足工程計算的精度要求。

3 現場測量結果與分析

3.1 有關標準

在鉆機安裝施工過程中，按技術規程要求要達到下列標準。

標準Ⅰ：校正天車中心和轉盤中心在一鉛垂線上，允許偏差≤10mm[2]。通過公式（10）計算相應允許基礎的不均勻下沉量≤1.8mm。

標準Ⅱ：轉盤找平每米水平誤差≤2.46mm[3]（換算值）。則相應允許基礎的不均勻下沉量小于或等于下列數值：

縱橫方向：8.144×2.46≈20（mm）。

對角方向：11.517×2.46≈28.3（mm）。

式中，8.144m是底座縱橫方向外形尺寸，11.517m是底座對角方向的外形尺寸。

3.2 基礎不均勻下沉測量結果

在現場設置標準樁，以其為基準，分別各點測量，得到下沉量。使用水準儀測量，測量結果見表2（略）。

表中下沉量已扣除均勻下沉部分，即最高的角下沉量為0。對角下沉量和之差為絕對值。

通過現場測量，當天車的水平位移越大，鉆機振動越大；當位移越小，設備振動越小。

3.3 分析

（1）被測量各井的井架基礎都存在不同程度的不均勻下沉，一般井深越大不均勻下沉量也越大。5口井的最小不均勻下沉平均值3.83mm，最大不均勻下沉平均值15.5mm，最大不均勻下沉26mm；計算相應的天車水平位移分別為21.5mm、86.9mm、103.1mm。已經超過平均數值，振動加大，所以對鉆機運轉有很大負面影響。部分設備位移相對較小，實際生產中可不予考慮；比如：轉盤水平差為2.26mm/m，滿足標準Ⅱ的要求。

但是，值得注意的是轉盤找水平時就存在一定的水平差，也就是轉盤向某一方向傾斜。當轉盤高端在基礎下沉大的一側時，基礎的下沉使轉盤水平差減小，對轉盤是有利的；反之基礎下沉將使轉盤水平差增大，容易超出標準要求。

（2）對角下沉量和之差平均值為1mm，數值很小，說明底座、井架整體變形很小，即模型3與實際情況很相符。

4 處理方法

由上述分析計算可知，基礎的不均勻下沉對天車的位置影響很大。基礎的不均勻下沉是很難避免的，嚴格控制此數值是很不經濟的。因此，對超標準的基礎不均勻下沉的井，應采取相應的方法處理，以期減少危害，保證正常打井。下述幾種處理方法，可單獨使用，也可組合使用，必要時重新校正轉盤和絞車；具體處理方法的選擇，應根據測量和計算結果以及工具、裝備條件來確定。

4.1 校正井架天車

當水平差不超標準可采用校正天車的方法來校正。值得注意的是，天車的調整范圍不能過大，以免使受力狀況惡化，造成事故。校正天車按標準操作（在此不多講述）。

4.2 墊井架底柱

就是在有效位置，加入一定厚度的加墊物，以減少天車和轉盤位移的。通常用墊鋼板的方法來解決。

（墊鋼板的方法在這里不再描述）所墊物品厚度可根據測量數據確定：按照標準左右方向應小于或等于20mm，對角方向小于或等于28.3mm，鋼板的厚度可以增大，但不宜超過40mm，以免使底座受力狀況惡化。

4.3 墊井架底座

用千斤頂將井架底座頂起，然后墊入適當厚度的鋼板，取掉千斤頂，測量天車位置符合要求即可。（墊底座方法不再描述）注意的是，底座下方所墊鋼板要多點墊入。

5 結論

5.1 基礎不均勻下沉量越大，振動越大。天車水平位移越大。

5.2 基礎不均勻下沉量是可控量。提高前期施工質量，地層軟硬分析。

5.3 正確使用基礎，合理分配，多觀察，及時整改。

5.4 建議及注意事項

（1）定期測量天車位置，發現超出標準允許值時應及時處理。

（2）用千斤頂時，要按規定使用，地層比較軟時應加設鋪墊物，增大接地面積，防止基礎下沉。

（3）墊井架時應做好安全防護，以防發生事故。

（4）自升式井架的調節裝置使用前后進行檢查，使用后按標準封好。

【參考文獻】

[1]彭高華，等.底腳支座不均勻沉陷下井架的內力、強度和局部穩定性[J].石油機械，1988.

[2]侯廣平.怎樣校正自升式井架[J].石油機械，1989.

[3]西南石油學院，編.石油鉆井工人讀本[M].石油化學工業出版社，1975.

[4]華南工學院，等.地基及基礎[M].中國建筑工業出版社，1985.

[責任編輯：湯靜]