井架和底座承載能力測(cè)試及安全性評(píng)估方法研究

王紫陽，楊本靈，胡建啟，劉保余，郟伯瀚

（1.中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司，江蘇徐州221008；2.甘肅藍(lán)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(cè)試及安全性評(píng)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(chǔ)運(yùn)公司，江蘇徐州221008；2.甘肅藍(lán)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(yùn)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(cè)試的方法評(píng)估其承載能力，存在5個(gè)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(cè)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(chǎng)評(píng)估其承載能力和安全性。

井架；底座；安全；評(píng)估方法

隨著鉆機(jī)搬遷次數(shù)的增加，井架、底座的構(gòu)件會(huì)變形或損傷，承載能力下降。修井機(jī)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(huì)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(duì)井架、底座進(jìn)行檢測(cè)和安全評(píng)估，對(duì)達(dá)不到設(shè)計(jì)承載能力的，應(yīng)降級(jí)使用或報(bào)廢。目前采用的應(yīng)力測(cè)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(cè)距技術(shù)，并通過模型試驗(yàn)得到適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的井架、底座安全評(píng)估方法。

1 井架及底座安全評(píng)估的必要性

1.1 相關(guān)規(guī)定

中國石油天然氣集團(tuán)公司一直非常重視石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架、底座的承載能力評(píng)估工作，其在工程字［2005］34號(hào)文《關(guān)于對(duì)陳舊損傷鉆機(jī)修井機(jī)進(jìn)行定期檢測(cè)的通知》中，對(duì)使用時(shí)間＞10a的鉆機(jī)、修井機(jī)，要求每2a檢測(cè)1次；對(duì)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(jìn)行檢測(cè)。按照承載能力下降的程度，將鉆機(jī)、修井機(jī)分為維修后使用、降級(jí)使用和嚴(yán)禁使用3種類型。鉆機(jī)檢測(cè)要由第三方完成，檢測(cè)結(jié)果要存檔備案。該文件規(guī)范了鉆機(jī)、修井機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作，在中石油集團(tuán)初步建立了陳舊損傷鉆機(jī)、修井機(jī)退出機(jī)制。此后，中石化集團(tuán)也下發(fā)相關(guān)文件，對(duì)集團(tuán)內(nèi)部鉆機(jī)、修井機(jī)檢測(cè)工作進(jìn)行了規(guī)范。

2006年，中石油集團(tuán)下發(fā)了《中國石油天然氣集團(tuán)公司石油工程技術(shù)服務(wù)施工作業(yè)隊(duì)伍資質(zhì)評(píng)估管理辦法》。在該文件中，中石油集團(tuán)將鉆機(jī)、修井機(jī)的檢測(cè)評(píng)估工作跟工程技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍資質(zhì)管理相結(jié)合，實(shí)際上是在對(duì)工程技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍的資質(zhì)管理工作中加大了設(shè)備評(píng)估的權(quán)重。由于設(shè)備評(píng)估工作本身的需要，中石油集團(tuán)組織6家鉆機(jī)、修井機(jī)設(shè)備資質(zhì)評(píng)估機(jī)構(gòu)共同編寫了《鉆機(jī)修井機(jī)設(shè)備資質(zhì)評(píng)估規(guī)范》，該規(guī)范中規(guī)定了對(duì)于鉆機(jī)、修井機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)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(cè)、無損檢測(cè)、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(píng)定為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個(gè)級(jí)別。

1.2 近3a檢測(cè)評(píng)估結(jié)果

表1～2為中石油集團(tuán)近3a來對(duì)鉆機(jī)、修井機(jī)進(jìn)行設(shè)備資質(zhì)評(píng)估的結(jié)果匯總。由表1知：近3a來，中石油評(píng)估鉆機(jī)529部，占中石油集團(tuán)擁有鉆機(jī)總數(shù)的50%，由此可以說明，鉆井設(shè)備資質(zhì)評(píng)估工作已經(jīng)變?yōu)橐豁?xiàng)常態(tài)化工作。由表1～2可以看出：除了對(duì)鉆機(jī)、修井機(jī)進(jìn)行綜合評(píng)級(jí)外，還對(duì)井架進(jìn)行了分級(jí)，依據(jù)最新版本的鉆機(jī)修井機(jī)設(shè)備評(píng)估規(guī)范，對(duì)井架進(jìn)行檢測(cè)后分為4級(jí)，即：A、B、C、D級(jí)。按照中石油工程技術(shù)分公司的規(guī)定，鉆機(jī)、修井機(jī)設(shè)備報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)是綜合評(píng)級(jí)為IV級(jí)或者井架評(píng)級(jí)為D級(jí)，并且在設(shè)備綜合評(píng)估所涉及4項(xiàng)內(nèi)容中（井架底座承載能力檢測(cè)、無損檢測(cè)、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(cè)所占分值最大。

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

表1 鉆機(jī)評(píng)估結(jié)果部

表2 修井機(jī)評(píng)估結(jié)果部

2 應(yīng)力測(cè)試

目前，國內(nèi)外研究人員對(duì)鉆機(jī)、修井機(jī)井架底座的檢測(cè)評(píng)定主要有外觀檢查、無損檢測(cè)、有限元分析和應(yīng)力測(cè)試4種方法。國內(nèi)對(duì)井架底座的檢測(cè)評(píng)定主要依據(jù)SY／T6326—2008《石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架、底座承載能力檢測(cè)評(píng)定方法》，采取應(yīng)力測(cè)試的方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)：①選擇井架底座的危險(xiǎn)界面和危險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)行布片，應(yīng)不少于3個(gè)測(cè)試層面，每層不少于16點(diǎn)；②進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試和動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試中要求最大測(cè)試載荷不小于最大鉤載的25%，動(dòng)態(tài)測(cè)試中要求提升和下放鉆具進(jìn)行配合；③通過計(jì)算求得井架底座當(dāng)前最大承載能力。

存在5個(gè)方面的問題：

1） 在進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試時(shí)，只在規(guī)定位置進(jìn)行有限點(diǎn)測(cè)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(xiǎn)源［1］。

2） 由于需要現(xiàn)場(chǎng)粘貼應(yīng)變片，耗時(shí)較長，通常需要1d的時(shí)間才能完成1部井架的測(cè)試，很多井隊(duì)不愿配合。

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

4） 現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定危險(xiǎn)點(diǎn)，還存在測(cè)試精度不足的問題。

5） 由于鉆機(jī)井架底座安裝不到位，會(huì)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(shí)反映，在下一口井安裝時(shí)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(cè)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(jī)井架的測(cè)試，測(cè)試完成后初步計(jì)算該鉆機(jī)承載能力有明顯下降，因此對(duì)該井架進(jìn)行了變形測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該井架頂部在承受1 000kN載荷時(shí)向左前方偏移約300mm，判斷該井架安裝超差。此后對(duì)該井隊(duì)的進(jìn)一步調(diào)查中證實(shí)了該部鉆機(jī)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(jī)井架底座承載能力偽下降的問題是今后研究的重點(diǎn)。

3 有限元計(jì)算

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

1） 建模的工作量很大。建立一種型號(hào)井架的計(jì)算模型或許容易，然而要將所有型號(hào)待評(píng)估井架建立有限元計(jì)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(duì)桿件造成的變形、折彎等，即使同種型號(hào)的井架也會(huì)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(chǎng)測(cè)繪出來顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，有限元計(jì)算方法是否能成功應(yīng)用于井架承載能力計(jì)算，取決于如何便捷地獲取1部待評(píng)估井架的邊界條件。

如果通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可取得待評(píng)估井架邊界條件，將其帶入井架計(jì)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(cè)試的方法對(duì)這些模型進(jìn)行校核。如果發(fā)現(xiàn)計(jì)算模型出現(xiàn)偏差，可進(jìn)行修正，如此反復(fù)計(jì)算、修正、校核，最終建立符合各種型號(hào)井架的有限元計(jì)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(gè)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(jì)算模型中，求得其對(duì)井架承載能力的影響，從而對(duì)其未來安裝起到指導(dǎo)作用。

筆者建議在鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用激光測(cè)量技術(shù)和數(shù)值擬合技術(shù)獲取待評(píng)估井架的邊界條件和承載后井架的實(shí)際變形情況。具體說，就是在對(duì)井架主體構(gòu)件進(jìn)行精確測(cè)量的基礎(chǔ)上輔以計(jì)算機(jī)數(shù)值擬合的方法來精確獲取1部待評(píng)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(jì)算模型，可以實(shí)現(xiàn)井架承載能力的精確評(píng)估。由于該方法可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)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(jìn)而建立井架整體變形與大鉤載荷之間的關(guān)系，從而對(duì)井架底座進(jìn)行變形趨勢(shì)分析，也可建立對(duì)重點(diǎn)關(guān)注桿件動(dòng)力參數(shù)的長期在線監(jiān)測(cè)。

4 相似模型的測(cè)試及有限元驗(yàn)證

為了便于對(duì)井架底座進(jìn)行系統(tǒng)研究和室內(nèi)試驗(yàn)，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(chǎng)測(cè)試和評(píng)估提供理論依據(jù)。

1） 用有限元方法分別計(jì)算模型井架和實(shí)際井架各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布，并進(jìn)行對(duì)比分析。

2） 給模型井架加載，利用應(yīng)力測(cè)試的方法測(cè)取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的受力情況，并與有限元計(jì)算的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。

3） 給模型井架加載，測(cè)取各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(cè)距和數(shù)值擬合的方法得到該模型井架的邊界條件，進(jìn)行有限元計(jì)算，并與應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

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

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

5 結(jié)論

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

2） 由于現(xiàn)場(chǎng)的井架、底座種類多，型號(hào)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(chǎng)對(duì)井架、底座的安全評(píng)估要求。

3） 通過建立相似模型及室內(nèi)試驗(yàn)，采用應(yīng)力測(cè)試、激光測(cè)距、有限元分析，研究構(gòu)件損傷、變形對(duì)井架承載能力的影響，為現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估提供依據(jù)。

4） 安裝誤差會(huì)降低井架底座的承載能力，并影響評(píng)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(jì)算方法［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（8）：10－13.

［2］ 任國友.油田在役石油井架安全檢測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，3（5）：144－148.

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

［4］ 鄒龍慶，付海龍，王玥.ZJ15D型石油鉆機(jī)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。