王紫陽，楊本靈，胡建啟，劉保余，郟伯瀚

（1.中石化管道儲運公司，江蘇徐州221008；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司行業(yè)發(fā)展中心，蘭州730070；3.中國石油西北銷售分公司蘭州公司，蘭州730060）

井架和底座承載能力測試及安全性評估方法研究

王紫陽1，楊本靈2，胡建啟2，劉保余1，郟伯瀚3

（1.中石化管道儲運公司，江蘇徐州221008；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司行業(yè)發(fā)展中心，蘭州730070；3.中國石油西北銷售分公司蘭州公司，蘭州730060）

由于頻繁拆裝、搬運等，使井架及底座構(gòu)件易產(chǎn)生缺陷，降低其承載能力。目前采用應(yīng)力測試的方法評估其承載能力，存在5個方面的不足。有限元分析方法存在建模困難，邊界條件難確定等難題。提出采用相似模型、激光測距和有限元分析的方法獲取井架和底座力學(xué)數(shù)據(jù)，以便在現(xiàn)場評估其承載能力和安全性。

井架；底座；安全；評估方法

隨著鉆機搬遷次數(shù)的增加，井架、底座的構(gòu)件會變形或損傷，承載能力下降。修井機在行駛過程中，及在井架起升過程中可能整體變形或構(gòu)件損傷，同樣會使承載能力下降［1－3］。為了保障鉆修井作業(yè)的安全，有必要對井架、底座進行檢測和安全評估，對達不到設(shè)計承載能力的，應(yīng)降級使用或報廢。目前采用的應(yīng)力測試方法存在操作不便、精度差等問題。本文提出采用有限元方法［4－5］及激光測距技術(shù)，并通過模型試驗得到適合現(xiàn)場應(yīng)用的井架、底座安全評估方法。

1 井架及底座安全評估的必要性

1.1 相關(guān)規(guī)定

中國石油天然氣集團公司一直非常重視石油鉆機和修井機井架、底座的承載能力評估工作，其在工程字［2005］34號文《關(guān)于對陳舊損傷鉆機修井機進行定期檢測的通知》中，對使用時間＞10a的鉆機、修井機，要求每2a檢測1次；對在搬家或作業(yè)中損傷，存在安全隱患的關(guān)鍵部件，要定期進行檢測。按照承載能力下降的程度，將鉆機、修井機分為維修后使用、降級使用和嚴禁使用3種類型。鉆機檢測要由第三方完成，檢測結(jié)果要存檔備案。該文件規(guī)范了鉆機、修井機現(xiàn)場檢測工作，在中石油集團初步建立了陳舊損傷鉆機、修井機退出機制。此后，中石化集團也下發(fā)相關(guān)文件，對集團內(nèi)部鉆機、修井機檢測工作進行了規(guī)范。

2006年，中石油集團下發(fā)了《中國石油天然氣集團公司石油工程技術(shù)服務(wù)施工作業(yè)隊伍資質(zhì)評估管理辦法》。在該文件中，中石油集團將鉆機、修井機的檢測評估工作跟工程技術(shù)服務(wù)隊伍資質(zhì)管理相結(jié)合，實際上是在對工程技術(shù)服務(wù)隊伍的資質(zhì)管理工作中加大了設(shè)備評估的權(quán)重。由于設(shè)備評估工作本身的需要，中石油集團組織6家鉆機、修井機設(shè)備資質(zhì)評估機構(gòu)共同編寫了《鉆機修井機設(shè)備資質(zhì)評估規(guī)范》，該規(guī)范中規(guī)定了對于鉆機、修井機進行監(jiān)測評估的內(nèi)容和方法，其主要內(nèi)容包括井架及底座承載能力檢測、無損檢測、安全檢查表和設(shè)備配套情況檢查4部分。4部分內(nèi)容都設(shè)有不同的分值，滿分為1 000分，依據(jù)最后的得分將設(shè)備綜合評定為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個級別。

1.2 近3a檢測評估結(jié)果

表1～2為中石油集團近3a來對鉆機、修井機進行設(shè)備資質(zhì)評估的結(jié)果匯總。由表1知：近3a來，中石油評估鉆機529部，占中石油集團擁有鉆機總數(shù)的50%，由此可以說明，鉆井設(shè)備資質(zhì)評估工作已經(jīng)變?yōu)橐豁棾B(tài)化工作。由表1～2可以看出：除了對鉆機、修井機進行綜合評級外，還對井架進行了分級，依據(jù)最新版本的鉆機修井機設(shè)備評估規(guī)范，對井架進行檢測后分為4級，即：A、B、C、D級。按照中石油工程技術(shù)分公司的規(guī)定，鉆機、修井機設(shè)備報廢標準是綜合評級為IV級或者井架評級為D級，并且在設(shè)備綜合評估所涉及4項內(nèi)容中（井架底座承載能力檢測、無損檢測、安全檢查表和設(shè)備配套情況檢查），井架底座承載能力檢測所占分值最大。

綜合以上分析，鉆機、修井機井架底座承載能力檢測在保證鉆修井安全作業(yè)和設(shè)備資質(zhì)評估工作中均起到重要作用，應(yīng)引起足夠重視。

表1 鉆機評估結(jié)果部

表2 修井機評估結(jié)果部

2 應(yīng)力測試

目前，國內(nèi)外研究人員對鉆機、修井機井架底座的檢測評定主要有外觀檢查、無損檢測、有限元分析和應(yīng)力測試4種方法。國內(nèi)對井架底座的檢測評定主要依據(jù)SY／T6326—2008《石油鉆機和修井機井架、底座承載能力檢測評定方法》，采取應(yīng)力測試的方法進行現(xiàn)場檢測：①選擇井架底座的危險界面和危險點，進行布片，應(yīng)不少于3個測試層面，每層不少于16點；②進行靜態(tài)應(yīng)力測試和動態(tài)應(yīng)力測試，測試中要求最大測試載荷不小于最大鉤載的25%，動態(tài)測試中要求提升和下放鉆具進行配合；③通過計算求得井架底座當前最大承載能力。

存在5個方面的問題：

1） 在進行應(yīng)力測試時，只在規(guī)定位置進行有限點測試，難以全面反映井架的應(yīng)力分布情況，尤其是損傷和缺陷部位的應(yīng)力狀況。損傷和缺陷部位有可能成為井架潛在的危險源［1］。

2） 由于需要現(xiàn)場粘貼應(yīng)變片，耗時較長，通常需要1d的時間才能完成1部井架的測試，很多井隊不愿配合。

3） 很多井架由于其當時鉆具產(chǎn)生的載荷太小，不能滿足測試要求，長期無法進行測試。還有的井位由于鉆修井工藝的需要，不允許對鉆具進行提升和下放作業(yè)，從而無法進行動態(tài)測試。還有北方冬天太冷，無法進行測試。

4） 現(xiàn)場依據(jù)經(jīng)驗確定危險點，還存在測試精度不足的問題。

5） 由于鉆機井架底座安裝不到位，會產(chǎn)生安裝質(zhì)量缺陷，從而降低井架的承載能力。這種原因引起的承載能力下降是一種井架承載能力的非真實反映，在下一口井安裝時如果提高安裝質(zhì)量，井架的承載能力就恢復(fù)了。應(yīng)力測試方法不能判別是由于設(shè)備安裝原因所引起的承載能力下降，還是設(shè)備本身缺陷所引起的承載能力下降。例如，2006年在陜北烏審旗做過1部鉆機井架的測試，測試完成后初步計算該鉆機承載能力有明顯下降，因此對該井架進行了變形測量，發(fā)現(xiàn)該井架頂部在承受1 000kN載荷時向左前方偏移約300mm，判斷該井架安裝超差。此后對該井隊的進一步調(diào)查中證實了該部鉆機井架即為典型的由于安裝原因所引起的承載能力偽下降，如何解決鉆機井架底座承載能力偽下降的問題是今后研究的重點。

3 有限元計算

作為一種成熟的計算方法，有限元計算很早就應(yīng)用于井架底座的設(shè)計計算中，然而將其應(yīng)用于井架承載能力的安全評估卻存在諸多限制。

1） 建模的工作量很大。建立一種型號井架的計算模型或許容易，然而要將所有型號待評估井架建立有限元計算模型顯然有很大的工作量。

2） 由于存在不同程度制造誤差，以及使用過程中對桿件造成的變形、折彎等，即使同種型號的井架也會產(chǎn)生很大的尺寸偏離，完全依靠人工力量將1部鉆井井架的結(jié)構(gòu)參數(shù)在現(xiàn)場測繪出來顯然是不現(xiàn)實的。因此，有限元計算方法是否能成功應(yīng)用于井架承載能力計算，取決于如何便捷地獲取1部待評估井架的邊界條件。

如果通過現(xiàn)場測量可取得待評估井架邊界條件，將其帶入井架計算模型中，可求出這些井架某些部位受力情況，然后利用應(yīng)力測試的方法對這些模型進行校核。如果發(fā)現(xiàn)計算模型出現(xiàn)偏差，可進行修正，如此反復(fù)計算、修正、校核，最終建立符合各種型號井架的有限元計算模型庫。在以上大量工作的基礎(chǔ)上，可以有選擇地挑選幾個安裝質(zhì)量問題，例如井架整體傾斜、受力主體構(gòu)件折彎等，代入有限元計算模型中，求得其對井架承載能力的影響，從而對其未來安裝起到指導(dǎo)作用。

筆者建議在鉆井現(xiàn)場應(yīng)用激光測量技術(shù)和數(shù)值擬合技術(shù)獲取待評估井架的邊界條件和承載后井架的實際變形情況。具體說，就是在對井架主體構(gòu)件進行精確測量的基礎(chǔ)上輔以計算機數(shù)值擬合的方法來精確獲取1部待評估井架的邊界條件。

在邊界條件已知的情況下，代入已經(jīng)建立的有限元計算模型，可以實現(xiàn)井架承載能力的精確評估。由于該方法可應(yīng)用于現(xiàn)場在線測量，利用數(shù)值模擬技術(shù)建立桿件變形量與大鉤載荷之間的關(guān)系，進而建立井架整體變形與大鉤載荷之間的關(guān)系，從而對井架底座進行變形趨勢分析，也可建立對重點關(guān)注桿件動力參數(shù)的長期在線監(jiān)測。

4 相似模型的測試及有限元驗證

為了便于對井架底座進行系統(tǒng)研究和室內(nèi)試驗，制做了1∶8的JJ225／43－K型井架相似模型，可以做6方面的研究。為現(xiàn)場測試和評估提供理論依據(jù)。

1） 用有限元方法分別計算模型井架和實際井架各個節(jié)點的應(yīng)力分布，并進行對比分析。

2） 給模型井架加載，利用應(yīng)力測試的方法測取各個節(jié)點的受力情況，并與有限元計算的數(shù)值進行對比。

3） 給模型井架加載，測取各個節(jié)點的變形情況，建立井架變形與載荷變化關(guān)系。

4） 給模型井架加載，利用激光測距和數(shù)值擬合的方法得到該模型井架的邊界條件，進行有限元計算，并與應(yīng)力測試的結(jié)果進行對比。

5） 對模型井架不同部位的桿件進行人為損傷，利用激光測距和數(shù)值擬合的方法進行承載能力測試，從而得到桿件損傷后對井架底座承載能力的影響。

6） 對該模型井架設(shè)置安裝缺陷，利用激光測距和數(shù)值擬合的方法進行承載能力測試，從而得到井架安裝缺陷對承載能力的影響。

5 結(jié)論

1） 目前普遍采用的以應(yīng)力測試為主的井架、底座承載能力評估方法尚有不足，不能完全滿足現(xiàn)場需要。

2） 由于現(xiàn)場的井架、底座種類多，型號復(fù)雜，很難建立有限元模型及邊界條件，因此有限元方法也不能滿足現(xiàn)場對井架、底座的安全評估要求。

3） 通過建立相似模型及室內(nèi)試驗，采用應(yīng)力測試、激光測距、有限元分析，研究構(gòu)件損傷、變形對井架承載能力的影響，為現(xiàn)場評估提供依據(jù)。

4） 安裝誤差會降低井架底座的承載能力，并影響評估結(jié)論。

［1］ 白嘉偉，楊本靈.基于有限元的JJ40／225－K型井架承載能力計算方法［J］.石油礦場機械，2011，40（8）：10－13.

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［3］ 苗同臣，張艷艷，王義翠，等.非線性對井架承載能力的影響［J］.石油礦場機械，2008，37（5）：50－52.

［4］ 鄒龍慶，付海龍，王玥.ZJ15D型石油鉆機井架的瞬態(tài)響應(yīng)研究［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（6）：81－83.

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1001－3482（2012）06－0088－03

TE923.07

A

2012－03－20

王紫陽（1967－），女，浙江寧波人，工程師，主要從事技術(shù)管理工作。