王孟法，方太安，韓 興，周志雄，鄭文培，丁歡歡

（中國石油集團康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京100120） ①

提高JJ170／41－K型井架承載能力的方法及安全評定

王孟法，方太安，韓 興，周志雄，鄭文培，丁歡歡

（中國石油集團康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京100120）①

為了提高JJ170／41－K型井架的承載能力，在大腿翼板焊接鋼板來補強。通過應(yīng)力測試，結(jié)合有限元分析結(jié)果對該井架進行安全評定。結(jié)果表明，技術(shù)改造后井架的承載能力可提高20%，滿足了鉆深井的要求。

井架；應(yīng)力分析；技術(shù)改造；安全評定

鉆機井架作為鉆井設(shè)備中的關(guān)鍵部分，其強度、穩(wěn)定性是否符合要求，關(guān)系到能否保證安全作業(yè)［1］。長慶油田某鉆井隊鉆機井架為JJ170／41－K型，承載能力為1 700kN。為提高其承載性能，達到深井鉆井作業(yè)要求，對井架進行技術(shù)改造，即，在原井架每根大腿翼板兩側(cè)加焊了厚度為15mm，寬為250 mm的鋼板（鋼材為Q235，大腿截面如圖1），井架提升系統(tǒng)由原先的4×5輪系升級為5×6輪系。技術(shù)改造后井架的承載能力是否達到2 250kN，需進行安全評定。

井架安全評定分為強度檢驗和穩(wěn)定性檢驗2部分。應(yīng)用ANSYS軟件建立改造后井架的有限元模型，對井架承載能力進行理論分析。通過現(xiàn)場應(yīng)力、應(yīng)變測試，評定井架實際承載性能。綜合2種計算結(jié)果，檢驗井架技術(shù)改造方案的可行性。

圖1 JJ170／41－K型井架大腿截面加強示意圖

1 現(xiàn)場測試及評定

1.1 測試儀器

1） 傳感器 電阻值為120，靈敏系數(shù)為2.15的箔式電阻應(yīng)變計。

2） 測試儀器 DH5920N動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，64通道，64位獨立通道A／D轉(zhuǎn)換器。

3） 計算機 DELL筆記本電腦。

4） 計算軟件 井架評估計算軟件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 測試方法

分別在井架Ⅱ－1節(jié)中部和二層臺位置2處、原井架大腿及加強鋼板2處布點（如圖2），總共64個布點（如圖3）。各測點均采用半橋工作，每個層位布點保持在同一水平面，布點、打磨、清洗、貼片、保護、連線、調(diào)試、初始化測量，達到規(guī)定要求。起點測試載荷不小于井架設(shè)計最大鉤載的15%，最大試驗載荷不小于井架設(shè)計最大鉤載的25%，不小于3個載荷級別。對井架進行應(yīng)變、應(yīng)力測試，重復(fù)3次。

圖2 井架測試時傳感器布點位置

圖3 加強井架大腿應(yīng)力測試布點方法

1.3 測試數(shù)據(jù)

測試時，大鉤載荷由井下鉆具提供，載荷大小由司鉆控制，其計數(shù)以指重表為準(zhǔn)。測試3組，每次測試調(diào)整3次載荷點，測試相應(yīng)的載荷和應(yīng)變值，取其合適的數(shù)值進行計算。部分測試數(shù)據(jù)曲線如圖4。圖中縱坐標(biāo)為應(yīng)變，單位με，橫坐標(biāo)為時間，單位s。選取合理測試數(shù)據(jù)，如表1。

圖4 部分井架大腿應(yīng)變測試曲線

表1 加強后井架部分應(yīng)變測試數(shù)據(jù) με

1.4 承載能力評定

根據(jù)中國石油集團公司《鉆機、修井機設(shè)備評估工作規(guī)范》中井架強度校核標(biāo)準(zhǔn)，對井架原大腿測試數(shù)據(jù)進行井架強度計算，對應(yīng)的鉤載為3 425kN，除以安全系統(tǒng)經(jīng)驗值1.67［2］，最終評定加強后井架承載能力為2 050kN。對翼板加厚鋼板測試數(shù)據(jù)進行井架強度計算，其載荷為3 376kN。綜合加強井架的原井架大腿及加強鋼板測試數(shù)據(jù)計算結(jié)果，可評定加強后井架承載能力為2 020kN。

2 有限元分析

2.1 技術(shù)改造后井架的基本參數(shù)

井架為K型結(jié)構(gòu)，工作高度41m，頂部跨距（正面?zhèn)让妫?.8m×2.0m，底部跨距7.0m；二層臺安裝高度25.5、24.5、23.5m；人字架高度6m。主大腿為H型鋼，材料為Q345B。在每根大腿翼板兩側(cè)焊接加強板，厚度為15mm，寬為250mm，材料為Q235。

2.2 模型簡化

為保證建立的井架模型在滿足要求的同時，盡可能符合實際結(jié)構(gòu)，對井架做了如下簡化［3－4］：

1） 工作梯、護攔等附件對井架的承載能力影響較小，忽略不計；二層臺、天車自重力視為集中載荷分配于相應(yīng)的結(jié)點位置。

2） 將井架本體簡化為空間剛架結(jié)構(gòu)，并采用空間梁單元為基本單元。

3） 簡化后的四部分之間視為可靠連接，在強度上為一體結(jié)構(gòu)。

選擇井架各構(gòu)件的自然焊接點作為有限元結(jié)構(gòu)模型的節(jié)點，選取雙角鋼、圓鋼自定義截面梁定義空間梁單元，并構(gòu)建特殊型截面空間梁單元模擬改造后井架大腿。井架有限元模型共劃分為104個結(jié)點，21方向關(guān)鍵點，508個單元，各桿件均采用Q345鋼。

2.3 承載能力分析

2.3.1 靜態(tài)分析

在鉤載600、900、1 200、1 500、1 700、2 000kN 6種工況下計算井架的應(yīng)力，結(jié)果如表2。

表2 6種工況下井架應(yīng)力值

結(jié)果表明，應(yīng)力值與井架鉤載呈良好線性關(guān)系，可推算鉤載4 000kN時，即將達到井架材料的屈服極限（345MPa），并求得鉤載為4 000kN時，最大應(yīng)力為325MPa（如圖5），安全系數(shù)取經(jīng)驗值1.67，可得井架承載能力為2 542kN。

圖5 4 000kN鉤載時井架應(yīng)力分布云圖

2.3.2 穩(wěn)定性分析

K型井架正面底部開檔尺寸與其高度比約為1∶6，其側(cè)向形狀尺寸最大值與其高度比僅為1∶16，是一種容易失穩(wěn)的高聳結(jié)構(gòu)。因此，穩(wěn)定性分析在井架承載能力分析中是必要的。對井架屈曲分析以確定它的失穩(wěn)條件及臨界載荷，在2 000kN鉤載作用下，計算的前6階屈曲特征值如表3。

表3 井架的屈曲分析特征值

根據(jù)公式［5－7］

可求得井架臨界承載為3 715kN，考慮井架安全系統(tǒng)，可評定井架承載能力為2 224kN。

2.3.4 起升性能分析

對改造前、后井架起升瞬間進行了模擬分析，其應(yīng)力分布如圖6～7。

圖6 整改前井架起升瞬間應(yīng)力云圖

圖7 整改后井架起升瞬間應(yīng)力云圖

對比分析，整改前、后井架起升應(yīng)力分布，可知整改后井架起升安全性能降低。

3 結(jié)論

1） 根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)力、應(yīng)變測試結(jié)果，可評定加強后井架的承載能力為2 020kN。

2） 根據(jù)有限元軟件分析結(jié)果，可評定加強后井架承載強度為2 542kN，考慮井架穩(wěn)定性，綜合評定井架承載能力為2 224kN。

3） 根據(jù)現(xiàn)場井架承載能力評定及理論分析，評定加強后井架承載能力為2 020kN。

4） 井架承載能力理論分析值大于實際測試評定結(jié)果，其誤差約為10%。是由于理論分析建模計算時，對井架附件的簡化及現(xiàn)場工況的理想處理造成，但屬于工程誤差范圍內(nèi)，認(rèn)為可接受。

5） 分析結(jié)果表明，在井架大腿焊接加強鋼板提高了其承載能力。但由于加強鋼板的重力，降低了井架的起升安全性能。

6） 通過焊接加強鋼板的方法提升井架承載能力，為降級或損傷報廢井架的二次利用提供了參考。

［1］ 趙煥娟，齊明俠，趙 娜.鉆機井架的可靠性分析［J］.石油礦場機械，2010，39（3）：22－27.

［2］ Roger L，Brockenbrough Frenerick S Merritt.Structrual steel designer’s handbook［K］.2006：367－378.

［3］ 薛繼軍，許愛榮.鉆機井架有限元模態(tài)分析［J］.石油礦場機械，2001，30（6）：44－46.

［4］ 王孟法.含結(jié)構(gòu)損傷K型井架承載能力研究［D］.長江大學(xué)，2010.5：34－35.

［5］ 范祖堯，郁永熙.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1980：177－193.

［6］ 鐘萬勰，丁殿明.計算桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：水利電力出版社，1982：113－121.

［7］ 王國強.實用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實踐［M］.西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社，1998：133－138.

Carrying Capacity Analysis for JJ170／41－K Drilling Derrick

WANG Meng－fa，F(xiàn)ANG Tai－an，HAN Xing，ZHOU Zhi－xiong，ZHENG Wen－pei，DING Huan－h(huán)uan
（CNPC KEMBL Petroleum Technology Co.，Ltd.，Beijing100120，China）

In order to increase the bearing capacity of derrick JJ170／41－K，some drilling crews weld steel plates to thigh wings.Based on derrick stress test at drilling site and finite element method，the carrying capacity of rectified derrick is evaluated.The result shows that the bearing capacity of the rectified derrick is 20%increased and meeting the requirement of drilling depth well.

derrick；stress analysis；technical reform；safety evaluation

1001－3482（2012）04－0053－04

TE923

A

2011－10－12

中國石油天然氣集團公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目“在役鉆機安全評定方法研究”（03B209000）

王孟法（1984－），男，山東菏澤人，碩士，2010年畢業(yè)于長江大學(xué)，現(xiàn)主要從事石油鉆井設(shè)備的安全評估等工作，E－mail：kembl＿wmf＠126.com。