井口工具轉場和安裝用撬架優化分析

劉莎莎 李春光 白朝陽

大連益利亞工程機械有限公司 遼寧大連 116086

石油化工產業的高速發展帶動了油氣勘探、采集等行業的迅猛發展[1]，而從美國加利福尼亞石油公司和波溫石油工具公司共同研發出第一臺連續管輕便修井裝置開始，人們逐漸認識到連續管的價值，目前已被廣泛應用于油氣田勘探及開發的各領域[2]。我國起步較晚，正處在從連續管的引進和應用試驗向技術引進與自主研發相結合的階段過渡[3]。而在應用連續管技術作業的過程中，無論是連續管壓裂后的轉場，還是井口工具的安裝過程，都需要撬架的支撐。將注入頭、防噴系統和防噴管吊裝在撬架上，會大大提高轉場的方便性，并且工作人員在撬架內操作，大大提高了安全性。目前，國內對專用于支撐、固定井口工具的裝置的研究較少[4-5]，以下通過靜力有限元分析對此類撬架進行優化改進，確定一種可用的起支撐、固定井口工具作用的撬架。

1 問題描述

某撬架工作環境溫度為- 30～45℃，最大作業風速為6m/ s，所能承受最大載荷為147kN。該撬架主要作用為：連續管壓裂后的轉場，防噴盒和防噴器帶防噴管吊裝在橇架上，便于下個井口的壓裂；井口工具的安裝，吊車吊著注入頭、防噴系統和防噴管，安裝在撬架由壬上，然后慢慢下管，操作人員在撬架內進行安裝，大大提高了安全性。

撬架的型材采用Q345B，其許用應力為172.5MPa；板材采用Q235B，其許用應力為117.5MPa。

2 有限元分析

應用有限元分析軟件對撬架進行極限工況的應力和變形分析，優化改進該撬架的結構，得到強度合格的撬架，以保障連續管壓裂轉場和井口工具安裝的可靠性。

2.1 模型

撬架的三維模型如圖1 所示。為提高有限元分析的效率和準確性，對該撬架的有限元模型進行簡化處理[6]，忽略一些對撬架整體分析影響不大的附件的建模（例如注入頭安裝座、護欄等），簡化后的有限元模型如圖2 所示。

圖1 撬架三維模型

圖2 撬架有限元模型

撬架有限元模型中的桁架結構單元類型采用beam188，依照Q345B 的參數賦予材料屬性；板材結構單元類型采用shell181，依照Q235B 的參數賦予材料屬性；在撬架頂端注入頭安裝接口處設置mass21 點，與其周圍承力橫梁剛性連接，此點為加載位置。

2.2 工況及受力分析

撬架除了自重載荷外，主要承受垂直載荷、風載及斜拉力的作用。圖3 為撬架受力分析示意圖，由圖可見，總體坐標系的水平向右為X 正方向，豎直向上為Y 正方向，垂直紙面向外為Z 正方向。

圖3 撬架受力分析示意圖

撬架垂直方向受力（F垂）計算見式（1）。

式中：F垂——垂直載荷，滿載117600N，充分考慮沖擊、工具重量、雪載、地震等因素后按147000N 計算；

F斜——斜45°拉力，49000N。

斜拉力的水平分力計算見式（2）。

斜拉力對O 點彎矩（M斜）計算見式（3）。

注入頭處所受風載對O 點彎矩（M風注）計算見式（4）。

式中：F風注——注入頭處所受風載荷，N；

L風注——注入頭處風載對O 點的力臂，mm。風載荷（F）計算見式（5）。

式中：C——風力系數，1.70；

A——迎風面積，m2。

P——計算風壓，N/ m2（P=0.625v2s，vs為計算風速，工作狀態下取6m/ s, 非工作狀態下選取30.8m/ s）。

根據斜拉力方向及風載大小、方向的不同[7]，選出最危險工況（在YZ 平面內受斜45°拉力，垂直載荷，撬架和注入頭均受Z 向的水平風載）下的具體受力情況：Fy=- 181648N，Fz=- 34648N，M斜=- 3118.34×105N·mm，撬架所受風載為- 145N，注入頭所受風載為- 119N，M風注=- 136986N·mm。

2.3 約束條件

撬架底部約束支腿位置如圖4 所示，約束條件為撬架下方支腿A 約束三個移動自由度，即UX、UY、UZ；支腿B 約束兩個移動自由度，即UX、UY；支腿D 約束兩個移動自由度，即UY、UZ；支腿C、E、F 約束一個移動自由度，即UY。

圖4 約束支腿示意圖

2.4 有限元分析結果

根據受力情況進行加載計算，危險工況的應力云圖見圖5。撬架最大應力為292MPa，大于Q345B 型材的許用應力172.5MPa，位于頂端注入頭安裝橫梁處，具體超出許用應力部分的位置和面積見圖5(b)。表明該撬架結構強度不足，需優化頂端支撐結構，來加強結構強度。

圖5 危險工況應力云圖

危險工況的整體位移云圖見圖6，由圖可見，整體最大位移為16mm，位于頂部注入頭安裝橫梁附近；下部走臺板中間位置有位移較大處，為12mm，表明此處屬于突然變形處，缺少橫梁結構的支撐，目前結構不利于人員的行走。

圖6 危險工況整體位移云圖

2.5 優化方案及結果

針對撬架結構的缺陷，在頂端注入頭安裝橫梁下方增加一層桁架支撐結構，使頂端的載荷傳遞到下部支撐結構上。頂部撬架最大應力為114MPa，底層撬架最大應力為151MPa，位于底部右側橫梁上，均小于Q345B 型材的許用應力172.5MPa，撬架整體結構強度滿足要求。由于撬架的最大應力與材料許用應力相差不大，未留下過多的強度儲備，表明該優化結構不僅滿足設計要求，還具有足夠節約材料的特征，可為后續合理地優化結構提供優化的思路與方向：將支撐型材增加到承力最大的頂層結構附近，并通過載荷的傳遞作用，充分利用下部支撐結構的強度，盡量提高材料本身強度的利用效率。

在下部走臺板中間位置增加支撐橫梁，以優化模型的變形缺陷，整體位移云圖見圖7。由圖可見，最大位移為13mm，整體變形趨勢由上至下均勻變化，無突變區域，整體位移分布合理。

圖7 優化模型整體位移云圖

3 結語

（1）通過靜力有限元計算，對一種井口工具轉場和安裝用的撬架結構進行應力和變形分析，得到該結構的缺陷及問題。并采用在頂端主承力橫梁下方增加一層桁架支撐結構和在走臺板增加中間支撐橫梁的方式，優化該撬架，以保證連續管作業過程中的安全性與可靠性。

（2）除確定了一種可用的起支撐、固定井口工具作用的撬架，其中采用的分析方法也可為后續連續管作業用支架的研究和應用提供一定的理論支撐。

（3）通過優化過程得到的優化結構的設計思路與方法，可為后續連續管技術中的專用于支撐、固定井口工具的裝置設計提供一定的思路與保障。