王孟法，張燕慶，楊秀英，韓 興，劉瑞華

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

根據(jù)中石油集團公司制度和管理規(guī)范，需對在役鉆機井架進行定期評估檢測[1-3]，以確保鉆井作業(yè)安全。在現(xiàn)場鉆機井架檢測評定中，發(fā)現(xiàn)有大批塔型井架對大腿進行了捆綁鉆桿處理，以提高其承載性能。然而，對大腿捆綁鉆桿處理塔型井架如何評定，成為了一個難題。

通過對大腿捆綁鉆桿井架進行多次現(xiàn)場應(yīng)力應(yīng)變測試，及有限元模擬仿真分析對比，給出了合理評定此加強井架承載能力方法。

1 現(xiàn)場測試及分析

1.1 測試儀器

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；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；計算機：DELL筆記本電腦；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 測試方法及測試數(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，總共48個布點（井架大腿捆綁鉆桿樣式見圖1，布點方式見圖2）。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。測試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)。選取合理測試數(shù)據(jù)，整理的部分數(shù)據(jù)見表1。

1.3 測試數(shù)據(jù)分析

分析測試的大腿捆綁鉆桿應(yīng)力應(yīng)變測試數(shù)據(jù)，可知：井架鉤載的大小對捆綁鉆桿軸向應(yīng)變基本沒有影響，說明井架大腿捆綁鉆桿對井架大腿強度不起作用。但捆綁鉆桿對井架大腿的剛度是否有影響，借助有限元仿真進行分析驗證。

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方法Fig.2 Arrangement of measuring points of derrick which thigh bundled drill-pipe

表1 現(xiàn)場對加強后井架部分應(yīng)變測試數(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，盡可能與實際結(jié)構(gòu)接近，對井架做了簡化[4-6]處理。選擇井架各構(gòu)件的連接點作為有限元[9]結(jié)構(gòu)模型的節(jié)點，選取角鋼、圓鋼定義空間梁單元，并構(gòu)建截面空間梁單元。加強井架有限元模型共劃分為214個結(jié)點，418個單元，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

對六種載荷工況：600，1 000，1 500，1 800，2 250 KN 進行計算，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，最大應(yīng)力為211 MPa（見圖4），通過線性外推（345 MPa時）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，對大腿捆綁鉆前、后井架進行屈曲分析計算的前3階屈曲特征值如表3所示。

圖4 2250KN鉤載時井架應(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，井架承載能力評定為2 198 KN。

2.2.3 井架承載性能分析

對比井架靜態(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%），可認為此井架結(jié)構(gòu)的剛度完全滿足要求，不會發(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

通過對大腿捆綁鉆桿井架應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)場測試及仿真分析，可得如下結(jié)論：

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

2）對大腿捆綁鉆桿井架承載性能評定時，只需依據(jù)結(jié)構(gòu)強度評定理論即可滿足；

3）參考《石油鉆機修井機設(shè)備評估工作規(guī)范》及《現(xiàn)代美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計冊》，依據(jù)1997版評定標(biāo)準(zhǔn)對大腿捆綁鉆桿井架承載評定比較合理；

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，增加了勞動強度及安全隱患。

[1]郭清.鉆井井架力學(xué)性能分析[J].石油礦場機械，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公司.SY/64426石油鉆機、修井機設(shè)備評估工作規(guī)范[S].2010：6-27.

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