劉莎莎 李春光 白朝陽

大連益利亞工程機(jī)械有限公司 遼寧大連 116086

石油化工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展帶動(dòng)了油氣勘探、采集等行業(yè)的迅猛發(fā)展[1]，而從美國(guó)加利福尼亞石油公司和波溫石油工具公司共同研發(fā)出第一臺(tái)連續(xù)管輕便修井裝置開始，人們逐漸認(rèn)識(shí)到連續(xù)管的價(jià)值，目前已被廣泛應(yīng)用于油氣田勘探及開發(fā)的各領(lǐng)域[2]。我國(guó)起步較晚，正處在從連續(xù)管的引進(jìn)和應(yīng)用試驗(yàn)向技術(shù)引進(jìn)與自主研發(fā)相結(jié)合的階段過渡[3]。而在應(yīng)用連續(xù)管技術(shù)作業(yè)的過程中，無論是連續(xù)管壓裂后的轉(zhuǎn)場(chǎng)，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(tǒng)和防噴管吊裝在撬架上，會(huì)大大提高轉(zhuǎn)場(chǎng)的方便性，并且工作人員在撬架內(nèi)操作，大大提高了安全性。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)此類撬架進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，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(huán)境溫度為- 30～45℃，最大作業(yè)風(fēng)速為6m/ s，所能承受最大載荷為147kN。該撬架主要作用為：連續(xù)管壓裂后的轉(zhuǎn)場(chǎng)，防噴盒和防噴器帶防噴管吊裝在橇架上，便于下個(gè)井口的壓裂；井口工具的安裝，吊車吊著注入頭、防噴系統(tǒng)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(nèi)進(jìn)行安裝，大大提高了安全性。

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

2 有限元分析

應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)撬架進(jìn)行極限工況的應(yīng)力和變形分析，優(yōu)化改進(jìn)該撬架的結(jié)構(gòu)，得到強(qiáng)度合格的撬架，以保障連續(xù)管壓裂轉(zhuǎn)場(chǎng)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(zhǔn)確性，對(duì)該撬架的有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[6]，忽略一些對(duì)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(hù)欄等），簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)單元類型采用beam188，依照Q345B 的參數(shù)賦予材料屬性；板材結(jié)構(gòu)單元類型采用shell181，依照Q235B 的參數(shù)賦予材料屬性；在撬架頂端注入頭安裝接口處設(shè)置mass21 點(diǎn)，與其周圍承力橫梁剛性連接，此點(diǎn)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(fēng)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(biāo)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(jì)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(jì)算；

F斜——斜45°拉力，49000N。

斜拉力的水平分力計(jì)算見式（2）。

斜拉力對(duì)O 點(diǎn)彎矩（M斜）計(jì)算見式（3）。

注入頭處所受風(fēng)載對(duì)O 點(diǎn)彎矩（M風(fēng)注）計(jì)算見式（4）。

式中：F風(fēng)注——注入頭處所受風(fēng)載荷，N；

L風(fēng)注——注入頭處風(fēng)載對(duì)O 點(diǎn)的力臂，mm。風(fēng)載荷（F）計(jì)算見式（5）。

式中：C——風(fēng)力系數(shù)，1.70；

A——迎風(fēng)面積，m2。

P——計(jì)算風(fēng)壓，N/ m2（P=0.625v2s，vs為計(jì)算風(fēng)速，工作狀態(tài)下取6m/ s, 非工作狀態(tài)下選取30.8m/ s）。

根據(jù)斜拉力方向及風(fēng)載大小、方向的不同[7]，選出最危險(xiǎn)工況（在YZ 平面內(nèi)受斜45°拉力，垂直載荷，撬架和注入頭均受Z 向的水平風(fēng)載）下的具體受力情況：Fy=- 181648N，F(xiàn)z=- 34648N，M斜=- 3118.34×105N·mm，撬架所受風(fēng)載為- 145N，注入頭所受風(fēng)載為- 119N，M風(fēng)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(gè)移動(dòng)自由度，即UX、UY、UZ；支腿B 約束兩個(gè)移動(dòng)自由度，即UX、UY；支腿D 約束兩個(gè)移動(dòng)自由度，即UY、UZ；支腿C、E、F 約束一個(gè)移動(dòng)自由度，即UY。

圖4 約束支腿示意圖

2.4 有限元分析結(jié)果

根據(jù)受力情況進(jìn)行加載計(jì)算，危險(xiǎn)工況的應(yīng)力云圖見圖5。撬架最大應(yīng)力為292MPa，大于Q345B 型材的許用應(yīng)力172.5MPa，位于頂端注入頭安裝橫梁處，具體超出許用應(yīng)力部分的位置和面積見圖5(b)。表明該撬架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，需優(yōu)化頂端支撐結(jié)構(gòu)，來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖5 危險(xiǎn)工況應(yīng)力云圖

危險(xiǎn)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(tái)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(jié)構(gòu)的支撐，目前結(jié)構(gòu)不利于人員的行走。

圖6 危險(xiǎn)工況整體位移云圖

2.5 優(yōu)化方案及結(jié)果

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

在下部走臺(tái)板中間位置增加支撐橫梁，以優(yōu)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(shì)由上至下均勻變化，無突變區(qū)域，整體位移分布合理。

圖7 優(yōu)化模型整體位移云圖

3 結(jié)語

（1）通過靜力有限元計(jì)算，對(duì)一種井口工具轉(zhuǎn)場(chǎng)和安裝用的撬架結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，得到該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和在走臺(tái)板增加中間支撐橫梁的方式，優(yōu)化該撬架，以保證連續(xù)管作業(yè)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(xù)連續(xù)管作業(yè)用支架的研究和應(yīng)用提供一定的理論支撐。

（3）通過優(yōu)化過程得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路與方法，可為后續(xù)連續(xù)管技術(shù)中的專用于支撐、固定井口工具的裝置設(shè)計(jì)提供一定的思路與保障。