王孟法，張燕慶，楊秀英，韓 興，劉瑞華

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

根據(jù)中石油集團(tuán)公司制度和管理規(guī)范，需對(duì)在役鉆機(jī)井架進(jìn)行定期評(píng)估檢測(cè)[1-3]，以確保鉆井作業(yè)安全。在現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)井架檢測(cè)評(píng)定中，發(fā)現(xiàn)有大批塔型井架對(duì)大腿進(jìn)行了捆綁鉆桿處理，以提高其承載性能。然而，對(duì)大腿捆綁鉆桿處理塔型井架如何評(píng)定，成為了一個(gè)難題。

通過對(duì)大腿捆綁鉆桿井架進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，及有限元模擬仿真分析對(duì)比，給出了合理評(píng)定此加強(qiáng)井架承載能力方法。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

1.1 測(cè)試儀器

傳感器：電阻值為120 Ω，靈敏系數(shù)為2.15的箔式電阻就變計(jì)；測(cè)試儀器：DH5920N動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，64通道，64位獨(dú)立通道A/D轉(zhuǎn)換器；計(jì)算機(jī)：DELL筆記本電腦；計(jì)算軟件：井架評(píng)估計(jì)算軟件2.0（中石油鉆井工程技術(shù)研究院康布爾公司自編軟件）。

1.2 測(cè)試方法及測(cè)試數(shù)據(jù)

分別在井架II-1節(jié)中部和二層位置分兩層、原井架大腿及捆綁鉆桿兩處布點(diǎn)，總共48個(gè)布點(diǎn)（井架大腿捆綁鉆桿樣式見圖1，布點(diǎn)方式見圖2）。起點(diǎn)測(cè)試載荷不小于井架設(shè)計(jì)最大鉤載的15%，最大試驗(yàn)載荷不小于設(shè)計(jì)最大鉤載的25%，不小于3個(gè)載荷級(jí)別，對(duì)井架進(jìn)行應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試載荷由井下鉆具提供，載荷大小由司鉆控制，其計(jì)數(shù)以指重表為準(zhǔn)。選取合理測(cè)試數(shù)據(jù)，整理的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

分析測(cè)試的大腿捆綁鉆桿應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)，可知：井架鉤載的大小對(duì)捆綁鉆桿軸向應(yīng)變基本沒有影響，說明井架大腿捆綁鉆桿對(duì)井架大腿強(qiáng)度不起作用。但捆綁鉆桿對(duì)井架大腿的剛度是否有影響，借助有限元仿真進(jìn)行分析驗(yàn)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(diǎn)方法Fig.2 Arrangement of measuring points of derrick which thigh bundled drill-pipe

表1 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)加強(qiáng)后井架部分應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)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(shí)，盡可能與實(shí)際結(jié)構(gòu)接近，對(duì)井架做了簡(jiǎn)化[4-6]處理。選擇井架各構(gòu)件的連接點(diǎn)作為有限元[9]結(jié)構(gòu)模型的節(jié)點(diǎn)，選取角鋼、圓鋼定義空間梁?jiǎn)卧?，并?gòu)建截面空間梁?jiǎn)卧＜訌?qiáng)井架有限元模型共劃分為214個(gè)結(jié)點(diǎn)，418個(gè)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(tài)分析

對(duì)六種載荷工況：600，1 000，1 500，1 800，2 250 KN 進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

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

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

2.2.2 穩(wěn)定性分析

在2 250 KN載荷作用下，對(duì)大腿捆綁鉆前、后井架進(jìn)行屈曲分析計(jì)算的前3階屈曲特征值如表3所示。

圖4 2250KN鉤載時(shí)井架應(yīng)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(jù)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(píng)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(píng)定為2 198 KN。

2.2.3 井架承載性能分析

對(duì)比井架靜態(tài)分析、大腿捆綁鉆桿前后井架穩(wěn)定分析結(jié)果，可各：大腿捆綁鉆桿井架屈曲臨界值（2 198 KN）僅比靜態(tài)分析結(jié)果（2 202 KN）低了4 KN（誤差僅0.18%），可認(rèn)為此井架結(jié)構(gòu)的剛度完全滿足要求，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)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(wěn)定性能。

3 結(jié) 論

通過對(duì)大腿捆綁鉆桿井架應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及仿真分析，可得如下結(jié)論：

1）大腿捆綁鉆桿對(duì)井架大腿強(qiáng)度基本無影響，但大大提高了井架的穩(wěn)定性能；

2）對(duì)大腿捆綁鉆桿井架承載性能評(píng)定時(shí)，只需依據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定理論即可滿足；

3）參考《石油鉆機(jī)修井機(jī)設(shè)備評(píng)估工作規(guī)范》及《現(xiàn)代美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冊(cè)》，依據(jù)1997版評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大腿捆綁鉆桿井架承載評(píng)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(dòng)強(qiáng)度及安全隱患。

[1]郭清.鉆井井架力學(xué)性能分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（5）：57-60.GUO Qing.Mechanical behavior analysis of drilling mast[J].Oil Field Equipment，2006，35（5）：57-60.

[2]中國石油天然氣集團(tuán)公司.SY/64426石油鉆機(jī)、修井機(jī)設(shè)備評(píng)估工作規(guī)范[S].2010：6-27.

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