基礎(chǔ)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(chǔ)作為一種特殊的建筑物，其載荷的不均勻性和基礎(chǔ)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(nèi)力發(fā)生變化、設(shè)備振動加劇，井口操作發(fā)生困難、影響井身質(zhì)量，甚至?xí)l(fā)生井架傾倒的惡性事故。通過對基礎(chǔ)不均勻下沉與天車、轉(zhuǎn)盤位置關(guān)系的計算分析和現(xiàn)場勘測，找出了基礎(chǔ)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(guān)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(shù)學(xué)模型，利用幾何關(guān)系分析計算了鉆機(jī)基礎(chǔ)產(chǎn)生的不均勻沉降量對天車、轉(zhuǎn)盤空間位置的變化關(guān)系；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了鉆井過程中鉆機(jī)基礎(chǔ)的不均勻沉降與天車位置偏移量的現(xiàn)場測量和對比分析；找到了基礎(chǔ)不均勻下沉后的一些處理方法，并提出了如何減少問題發(fā)生的建議，在以后施工時的注意事項。

1 基礎(chǔ)不均勻下沉不可避免

一般認(rèn)為地基在使用之前，在外力和自重壓力的作用下，已經(jīng)堅固，不易變形；之后，在載荷的作用下，產(chǎn)生新的變形，基礎(chǔ)隨之也產(chǎn)生下不均勻沉。由于土壤本身的不固定性，整個鉆井設(shè)備的不穩(wěn)定載荷的不均勻性和基礎(chǔ)的不完善，地基變形也是不均勻，也就是說基礎(chǔ)存在點(diǎn)或面的不均勻下沉。不均勻下沉是不可避免的，它對鉆機(jī)有很大的影響?；A(chǔ)產(chǎn)生一個點(diǎn)或一個面的不均勻下沉后，使用設(shè)備的位置發(fā)生微量變化，破壞了原有的位置關(guān)系。因而，造成使用設(shè)備內(nèi)力發(fā)生變化、設(shè)備在使用過程中振動加劇，井口操作發(fā)生困難，設(shè)備磨損加劇，后期影響完井質(zhì)量。倘若基礎(chǔ)產(chǎn)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?xí)l(fā)生井架倒塌的惡性事故。

2 基礎(chǔ)不均勻下沉?xí)r的位置關(guān)系

我們用與大慶Ⅰ、Ⅱ型鉆機(jī)配套的TJ2-41型井架為例進(jìn)行分析。

基礎(chǔ)在使用過程中，按施工標(biāo)準(zhǔn)要求，基礎(chǔ)必須嚴(yán)格找水平，使井架的天車中心、轉(zhuǎn)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(guān)系圖。找到了

（1）基礎(chǔ)在設(shè)備擺放前為水平面。那么底座、轉(zhuǎn)盤底面亦處于水平狀態(tài)。

（2）基礎(chǔ)在使用前，天車中心、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)盤的位置。是在通過天車中心或轉(zhuǎn)盤中心的鉛垂面內(nèi)，用天車（轉(zhuǎn)盤）中心C點(diǎn)，鉛垂面與底座（井架）底面處沿交點(diǎn)A和B組成的三角形代替井架和底座；實線是基礎(chǔ)未產(chǎn)生不均勻下沉?xí)r的位置，虛線是基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻下沉后的位置。圖1中，AB、OC為已知量；h是基礎(chǔ)不均勻下沉量，可用水準(zhǔn)儀測得。需計算DC和DC′，即天車（轉(zhuǎn)盤）中心的垂直位移和水平位移。

由圖1顯見：

當(dāng)h≤50mm時，DC誤差<3.33%，DC′誤差<0.03%；當(dāng)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(xiàn)場測量結(jié)果與分析

3.1 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在鉆機(jī)安裝施工過程中，按技術(shù)規(guī)程要求要達(dá)到下列標(biāo)準(zhǔn)。

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

標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ：轉(zhuǎn)盤找平每米水平誤差≤2.46mm[3]（換算值）。則相應(yīng)允許基礎(chǔ)的不均勻下沉量小于或等于下列數(shù)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(chǔ)不均勻下沉測量結(jié)果

在現(xiàn)場設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樁，以其為基準(zhǔn)，分別各點(diǎn)測量，得到下沉量。使用水準(zhǔn)儀測量，測量結(jié)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(xiàn)場測量，當(dāng)天車的水平位移越大，鉆機(jī)振動越大；當(dāng)位移越小，設(shè)備振動越小。

3.3 分析

（1）被測量各井的井架基礎(chǔ)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(yīng)的天車水平位移分別為21.5mm、86.9mm、103.1mm。已經(jīng)超過平均數(shù)值，振動加大，所以對鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有很大負(fù)面影響。部分設(shè)備位移相對較小，實際生產(chǎn)中可不予考慮；比如：轉(zhuǎn)盤水平差為2.26mm/m，滿足標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ的要求。

但是，值得注意的是轉(zhuǎn)盤找水平時就存在一定的水平差，也就是轉(zhuǎn)盤向某一方向傾斜。當(dāng)轉(zhuǎn)盤高端在基礎(chǔ)下沉大的一側(cè)時，基礎(chǔ)的下沉使轉(zhuǎn)盤水平差減小，對轉(zhuǎn)盤是有利的；反之基礎(chǔ)下沉將使轉(zhuǎn)盤水平差增大，容易超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）對角下沉量和之差平均值為1mm，數(shù)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(chǔ)的不均勻下沉對天車的位置影響很大。基礎(chǔ)的不均勻下沉是很難避免的，嚴(yán)格控制此數(shù)值是很不經(jīng)濟(jì)的。因此，對超標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)不均勻下沉的井，應(yīng)采取相應(yīng)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(dú)使用，也可組合使用，必要時重新校正轉(zhuǎn)盤和絞車；具體處理方法的選擇，應(yīng)根據(jù)測量和計算結(jié)果以及工具、裝備條件來確定。

4.1 校正井架天車

當(dāng)水平差不超標(biāo)準(zhǔn)可采用校正天車的方法來校正。值得注意的是，天車的調(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(jù)測量數(shù)據(jù)確定：按照標(biāo)準(zhǔn)左右方向應(yīng)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(dāng)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(diǎn)墊入。

5 結(jié)論

5.1 基礎(chǔ)不均勻下沉量越大，振動越大。天車水平位移越大。

5.2 基礎(chǔ)不均勻下沉量是可控量。提高前期施工質(zhì)量，地層軟硬分析。

5.3 正確使用基礎(chǔ)，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(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)允許值時應(yīng)及時處理。

（2）用千斤頂時，要按規(guī)定使用，地層比較軟時應(yīng)加設(shè)鋪墊物，增大接地面積，防止基礎(chǔ)下沉。

（3）墊井架時應(yīng)做好安全防護(hù)，以防發(fā)生事故。

（4）自升式井架的調(diào)節(jié)裝置使用前后進(jìn)行檢查，使用后按標(biāo)準(zhǔn)封好。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]西南石油學(xué)院，編.石油鉆井工人讀本[M].石油化學(xué)工業(yè)出版社，1975.

[4]華南工學(xué)院，等.地基及基礎(chǔ)[M].中國建筑工業(yè)出版社，1985.

[責(zé)任編輯：湯靜]