羅 敏 趙婷婷 劉巨保 劉占先 趙文欣

1.東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院 （黑龍江 大慶 163318）

2.大慶油田裝備制造集團 容器制造分公司 (黑龍江 大慶 163411）

不壓井作業(yè)技術(shù)的最大優(yōu)點在于可以保護和維持地層的原始產(chǎn)能，憑借其良好的安全性、可靠性、環(huán)保性和經(jīng)濟性在油田的應(yīng)用越來越廣泛[1]。目前,國外不壓井裝備已較成熟,其中全液不壓井裝置占主導(dǎo)地位，國外液壓不壓井設(shè)備發(fā)展到今天,提升載荷達2666kN,起下管柱直徑達244.5mm，北美地區(qū)80%以上的油氣井采用不壓井作業(yè)[2]。國內(nèi)液壓不壓井作業(yè)仍然處于試驗和小規(guī)模推廣應(yīng)用階段。不壓井裝置關(guān)鍵部件的安全與否直接關(guān)系到不壓井作業(yè)裝置能否正常工作。這里對不壓井裝置關(guān)鍵部件進行了力學(xué)分析，引入壓力容器分析設(shè)計方法對關(guān)鍵部件進行安全性評價。

1 不壓井關(guān)鍵部件安全評定方法

采用應(yīng)力分類法并引入壓力容器分析設(shè)計標準對不壓井裝置關(guān)鍵部件進行安全評價。壓力容器分析設(shè)計與常規(guī)設(shè)計的一大區(qū)別是將壓力容器中的應(yīng)力進行分類，應(yīng)力可從不同角度進行分類:就其范圍可以分為總體的﹑局部的或集中的；若按沿厚度分布情況又可分為均布分布﹑線性分布和非線性分布的應(yīng)力；就其性質(zhì)可分為一次應(yīng)力﹑二次應(yīng)力Q和峰值應(yīng)力，一次應(yīng)力又可細分為一次總體薄膜應(yīng)力Pm﹑一次彎曲應(yīng)力Pb和一次局部薄膜應(yīng)力PL[3]。各種應(yīng)力的特點見表1[4]。

應(yīng)力強度評定就是要對考察部件高應(yīng)力區(qū)和典型的膜應(yīng)力區(qū)的若干截面及幾個特殊點，按分析設(shè)計規(guī)范對其進行評價。各類應(yīng)力強度的限制見表2。

這里應(yīng)力強度的評價標準是:SⅠ≤Sm，SⅡ≤1.5Sm，SⅢ≤1.5Sm，SⅣ≤3Sm（表 2）。

2 不壓井作業(yè)裝置關(guān)鍵部件力學(xué)分析模型

液壓缸連接盤是液壓缸連接的重點，其作用是連接升降液缸和游動卡瓦，并傳遞和承受升降液缸和卡瓦的作用力。三角架是固定卡瓦組的支撐系統(tǒng)，三角架可簡化為上固定卡瓦座、下固定卡瓦座、支撐立柱以及環(huán)形防噴器法蘭盤及其附屬結(jié)構(gòu)四大部件。承載結(jié)構(gòu)是重要的承壓結(jié)構(gòu)，承載結(jié)構(gòu)簡化為一層平臺結(jié)構(gòu)、二層平臺結(jié)構(gòu)和支撐柱三大部件。其中一層平臺結(jié)構(gòu)包括一層平臺板、一層平臺法蘭盤和支腿筋板，二層平臺結(jié)構(gòu)包括二層平臺板和液壓缸法蘭盤。

表1 各種應(yīng)力的特點

表2 各種應(yīng)力強度的限制

液壓缸連接盤選取材料為Q235-B,三角架和承載結(jié)構(gòu)各部件材料均初步擬定為Q235，經(jīng)強度分析后再合理選用各部件材料。其屈服強度為235MPa,安全系數(shù)為n=1.5時許用強度Sm為156.7MPa。材料的彈性模量均210GPa,泊松比為0.3。

3個關(guān)鍵部件載荷均為自重和660kN的最大上提力。液壓缸連接盤邊界條件為:在液壓缸連接盤與液壓缸活塞桿連接處的下端面上施加全位移約束，在液壓缸連接盤與卡瓦的接觸面上施加最大上提力；三角架的邊界條件為:在環(huán)形防噴器法蘭盤下端面上施加全位移約束，在上、下固定卡瓦座與卡瓦的接觸面上施加最大上提力載荷；承載結(jié)構(gòu)的邊界條件為:在一層平臺法蘭盤下端面上施加全位移約束，在4個支腿平板上施加Z方向的約束，在液壓缸的截面上，施加最大上提力載荷。分別以液壓缸連接盤﹑三角架和承載結(jié)構(gòu)為研究對象，采用空間實體單元，建立液壓缸連接盤﹑三角架和承載結(jié)構(gòu)有限元模型分別如圖1～圖3所示。

3 不壓井作業(yè)裝置關(guān)鍵部件力學(xué)分析

在最大上提力作用下，采用有限元方法，分別對液壓缸、三角架和承載結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，得到液壓缸連接盤、三角架和承載結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布分別如圖4～圖6所示。3個關(guān)鍵部件計算結(jié)果見表3。

由圖4～圖6和表3可見，液壓缸連接盤的最大等效應(yīng)力為482.0MPa，位于液壓缸連接盤與液壓缸活塞桿的連接處，此應(yīng)力超出屈服強度。三角架的最大等效應(yīng)力為206.5 MPa，位于環(huán)形防噴器法蘭盤的附屬結(jié)構(gòu)處，三角架的上固定卡瓦座、下固定卡瓦座和支撐立柱的最大等效應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足強度要求。承載結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力238.2 MPa，位于二層平臺板螺栓孔處，承載結(jié)構(gòu)的部件支撐柱最大等效應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足強度要求。承載結(jié)構(gòu)的部件一層平臺結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力也較大，為228.8 MPa，小于屈服極限。

液壓缸連接盤與液壓缸活塞桿的連接處最大等效應(yīng)力大于屈服強度，采用應(yīng)力分類方法對液壓缸連接盤進行強度分析，在液壓缸連接盤最大等效應(yīng)力處沿平板厚度方向定義應(yīng)力線性化路徑A（圖7）。三角架各部件最大應(yīng)力都小于屈服強度，故不需要應(yīng)力線性化處理。承載結(jié)構(gòu)，除二層平臺結(jié)構(gòu)外，其他部件最大應(yīng)力都小于屈服強度，故采用應(yīng)力分類方法來對二層平臺板進行強度分析，在二層平臺板螺栓孔最大等效應(yīng)力處沿平板厚度方向定義應(yīng)力線性化路徑B（圖8）。關(guān)鍵部件應(yīng)力強度評定結(jié)果見表4。

圖6 承載結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布

表3 關(guān)鍵部件計算結(jié)果表

根據(jù)所選路徑位置和應(yīng)力線性化處理結(jié)果可得，各路徑應(yīng)力都是由于結(jié)構(gòu)總體幾何不連續(xù)產(chǎn)生的，而且應(yīng)力具有明顯的局部性和自限性。局部性表明這部分應(yīng)力僅存在于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的局部區(qū)域。自限性表明應(yīng)力主要是因為在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處要使得變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的，當應(yīng)力達到屈服極限使局部發(fā)生流動而使變形協(xié)調(diào)后，該局部的應(yīng)力值也將不再升高。由表4知，一次局部薄膜應(yīng)力強度和一次加二次彎曲應(yīng)力強度均滿足強度要求，故不壓井裝置關(guān)鍵部件在最大上提力作用下均滿足強度要求，因此其關(guān)鍵部件安全可靠。

4 結(jié)論

（1）考慮了不壓井關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)，分別建立了液壓缸連接盤﹑三角架和承載結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，通過有限元計算，得到了關(guān)鍵部件液壓缸﹑三角架和承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，并確定了危險截面。

（2）將壓力容器分析設(shè)計標準中的應(yīng)力分類方法引入到不壓井裝置關(guān)鍵部件強度評價中，并對危險截面上的應(yīng)力做線性化處理，得出在上提力作用下，不壓井關(guān)鍵部件均滿足強度要求。為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強度評定提供了理論分析方法。

表4 關(guān)鍵部件應(yīng)力強度評定結(jié)果表

[1]劉偉,李麗,木合塔爾,等.川東北超深水平井壓井工藝技術(shù)[J].石油礦場機械,2010,39(10):89-92.

[2]謝永金,曹立明.新型不壓井作業(yè)設(shè)備的研究[J].石油機械，2007,35（9）:161-164.

[3]李建國.壓力容器設(shè)計的力學(xué)基礎(chǔ)及其標準應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[4]丁伯民.壓力容器規(guī)范分析與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.