應力監測技術在鉆井架調整中的應用

楊 智

(中原油田裝備監測總站，河南 濮陽 457001)

一、轉盤偏移問題的提出

在四川蒼溪縣元壩225H井，1臺9 000m鉆機鉆至4 000m時，由于鉆桿與轉盤方形卡瓦發生嚴重偏磨，導致無法正常鉆進。

初步分析問題原因：井架承受交變應力，發生嚴重變形；底座因腐蝕、過載發生嚴重變形；基礎發生沉陷。

根據初步分析結果，中原油田裝備監測總站擬采取如下監測方法：(1)對井架進行應力檢測。(2)對井架主弦桿進行變形檢測。(3)對井架與井口對中精度進行檢測。(4)對水泥基礎水平進行檢測。

二、井架的應力檢測

利用電阻應變片測定井架變形。井架各構件主要受拉力、壓力和彎矩共同作用，應力狀態呈一維性，故可直接用虎克定律來計算井架構件的應力值，其公式為：σ=E×ε。

井架截面自下而上依次分為：截面01～截面17；每個井架截面由四個主弦桿組成，順時針依次為：1號、2號、3號、4號。1號主弦桿測點為1～4，2號主弦桿測點編號為5～8，3號主弦桿測點編號為9～12，4號主弦桿測點編號為13～16。采用DH3816靜態應變測試系統，在井架上選擇主要受力部位截面03、截面07、截面13布置48個靜態檢測點應變片。該井架的實測應力曲線如圖1、2、3所示。

從應力曲線數據可以看出：(1)1號主弦桿和4號主弦桿應力值差異明顯，說明井架整體承受較大彎曲應力。(2)各主弦桿的4個測點應力值有明顯差異，4號主弦桿的13號測點受力最為突出，說明主弦桿承受附加彎曲應力。

三、井架變形檢測分析

圖1 13截面16個測點的應力曲線

圖2 07截面16個測點的應力曲線

采用TDJ2E型高精度光學經緯儀，分別從正面和側面檢測井架主弦桿的初始彎曲變形。

井架左側面檢測1號主弦桿的彎曲變形，其測點自下而上依次為100～117。井架右側面檢測4號主弦桿的彎曲變形，其測點自下而上依次為200～217。

圖3 03截面16個測點的應力曲線

根據井架變形數據分析看出：(1)從正面看，左大腿1號主弦桿向外彎曲，右大腿4號主弦桿向外彎曲。3種不同載荷狀態比較，0kN時，1號主弦桿和4號主弦桿最大變形量分別為10mm和6mm。500kN時，1號主弦桿和4號主弦桿最大變形量分別為11mm和8mm。1 000kN時，1號主弦桿和4號主弦桿最大變形量分別為12mm和11mm。(2)從側面看，左大腿1號主弦桿向前彎曲，右大腿4號主弦桿向前彎曲。3種不同載荷狀態比較，0kN時，1號主弦桿和4號主弦桿最大變形量分別為5mm和4mm。500kN時，1號主弦桿和4號主弦桿最大變形量分別為4mm和5mm。而在1 000kN時，左大腿1號主弦桿和右大腿4號主弦桿最大變形量分別為5mm和7mm。(3)0kN時，左大腿后仰126mm，右大腿后仰52mm；500kN時，左大腿后仰127mm，右大腿后仰54mm；1 000kN時，左大腿后仰129mm；右大腿后仰55mm。

四、井架與井口對中檢測分析

采用TDJ2E型高精度光學經緯儀，分別進行井架頂部中心與轉盤中心、井架頂部中心與井口中心兩項對中情況檢測。

1.井架頂部中心與轉盤中心對中情況

如圖4所示，以轉盤中心為基準，井架頂部中心右偏離轉盤中心123mm。

圖4 井架頂部中心與轉盤中心對中情況

2.井架頂部中心與井口中心對中情況

如圖5所示，井架頂部中心右偏井口中心127mm。

圖5 井架頂部中心與井口中心對中情況

五、水泥基礎和底座水平度檢測分析

1.水泥基礎的水平度檢測

在左右底座外側的水泥基礎上，選取一基準點作為零點，沿著左右底座邊沿布點，測點編號依次為1、2、3……41點；0～1和38～39點間隔為1 550mm，其余測點間隔均為1 000mm。單個測點與基準點的高度差值則為該測點的水平值，高于基準點為正值，低于基準點為負值。經檢測得知1～19號測點以0點為基準，20～41號測點以19點為基準，9號測點比基準0點水平值低88mm，20號測點比19號測點水平值高109mm。對檢測數據進行對比分析，左基礎各測點水平值低于右基礎測點水平值，呈現左低右高。

2.底座水平度的檢測

在井架底座前、中、后三部分，選取A、B、C、E、F五個測點，開展水平度檢測，具體布點位置見圖6。

圖6 底座水平度檢測

經檢測發現：(1)左底座后部C點比A、B兩點高25mm。(2)右底座后部E點比F點高62mm。(3)左底座前部比右底座前部高16mm。(4)左底座后部比右底座后部高13mm。

六、檢測數據綜合分析

從上述對井架應力水平、主弦桿彎曲變形、井架與井口對中以及水泥基礎和底座水平度檢測情況綜合分析，可以得出以下檢測診斷結論：水泥基礎的水平度不達標，在對底座的水平進行調整時，引起井架嚴重扭曲變形。井架隨著負載和變形量的加大，井口與井架中心的偏移也越大，最終導致鉆桿與轉盤方形卡瓦發生偏磨的嚴重后果。

七、現場整改及驗證

根據檢測數據和判定結論，在現場進行了如下整改措施：(1)撤掉底座左下方和井架左大腿下部的調整鋼板，重新調整左右底座的水平度。(2)在井架右大腿下部墊上30mm鋼板。(3)調整頂驅的滑道，使其下部向左斜100mm。(4)調整轉盤，使其中心與井口中心重合。(5)調整井架左右大腿前傾、后仰狀態，讓井架頂部中心與井口中心保持對中。

經過調整后，井架的安裝狀態得到明顯改善，井架、轉盤、井口的中心對中已調整到位，再次檢測發現，井架頂部中心井口中心偏差僅為2mm，井架承受的最大安全載荷也由之前的4 065kN提高到4 079kN。