基于理論分析的錨定技術安全改進

2016-03-17 08:04:18劉野大慶鉆探工程公司鉆井生產技術服務一公司

石油石化節能 2016年2期

劉野（大慶鉆探工程公司鉆井生產技術服務一公司）

基于理論分析的錨定技術安全改進

劉野（大慶鉆探工程公司鉆井生產技術服務一公司）

摘要：修井機是油田井下作業裝備，其主要承受載荷的部分是作業井架，由于作業井架為空間鋼架結構，所以需要用地錨樁及繃繩作為井架的輔助支撐。固定井架所用地錨樁為?76 mm的油管樁，通過繃繩來固定井架。針對地錨樁的受力特點設計了一種新型的地錨及繩套固定裝置。通過理論分析以及現場應用證明，該新型地錨可以有效地節約作業準備時間，降低勞動強度，并且可以保證作業安全。

關鍵詞：地錨樁；固定裝置；理論分析；作業安全

隨著井下生產的不斷發展，在井下作業中，需要地錨樁進行固定的設備越來越多。除通常的18 m固定井架外，新增了車載井架（通井機、修井機）、帶壓作業設備等[1]。由于始終沒有1套針對地錨工作時的理論分析和地錨樁繩套的安全固定裝置，給井下作業生產帶來了一些不安全隱患和阻礙。通過ANSYS軟件進行有限元分析以及作業施工中井架繃繩的受力分析，對錨定技術進行改進。

1　技術創新點與特性

傳統的地錨樁和滑蘭螺絲要用鋼絲繩和繩卡子固定，即用鋼絲繩穿入地錨樁的孔中。當作業隊搬家準備時將繩套進行安裝固定，但傳統的地錨由于與地面接觸面積小，存在施工過程中被拔出來的危險；并且使用時鋼絲繩與地錨樁的孔會發生應力集中的現象，鋼絲繩使用幾次后就會變形產生死彎，這樣在打繩套時鋼絲繩就不會均勻受力，增加了安全隱患[1]，見圖1。繩卡子和繩套經常拆裝容易損壞，從而要多次更換繩卡子和繩套，增加了施工成本；而每口井都要裝拆一次，也增加了勞動強度。

改進的新型地錨采用加大葉片的地錨，其繩套固定裝置（圖2）由大、小2套固定環套裝置組成。大固定環套由大固定環、固定銷和安全銷3部分組成，其在螺旋地錨使用時起安全保險的輔助作用。小固定環套由小固定環、固定銷和安全銷3部分組成，其用于螺旋地錨的鋼絲繩套固定。在施工過程中可以節省準備、收尾的時間，同時還避免了因點蝕的疲勞強度造成繩套斷裂，以及繩卡子拆卸過程中造成的丟失。

圖1　地錨樁直接與繩套配合使用

圖2　地錨繩套固定裝置

2　理論分析

2.1地錨繩套固定裝置受力

大鉤載荷500 kN，井架規定的傾斜度應不大于3.5°，作業深度小于3500 m。表1給出了井架型號與地錨樁之間的距離。

表1　井架型號與地錨樁之間的距離

在井下作業施工時，井架繃繩主要是后繃繩受力，地錨與繩套的接觸方式為線接觸（圖3）。

圖3　改變前地錨受力

大鉤載荷500 kN時，繃繩對繩套的剪切力經計算為N1= 1.88 t = 18.43 kN，繩套與地錨的2側桿體接觸受力，1側的剪切力N1'= 9.22 kN。根據地錨繩套的特性及接觸方式，地錨繩套容易斷裂，造成施工危險。

將繩套與地錨的接觸方式由線接觸改為面接觸，如圖4所示。在相同的受力情況下，面接觸可以改善線接觸的局部受力、應力集中等缺陷，設計的地錨繩套固定裝置改變了傳統的拆卸繩卡子、重新打繩套等易造成繩套斷裂的操作。

圖4　改變后地錨受力

改變地錨繩套的接觸方式可以增大地錨繩套與地錨的摩擦力，因此要考慮面接觸的情況下，地錨繩套固定裝置強度，地錨與地的接觸力是否滿足要求。

對地錨繩套固定裝置進行強度計算，材料強度的計算主要表現在以下2個方面：

◇剪切強度

εφ28= Q/A = 14.98 MPa；δφ22= Q/A = 24.27 MPa

◇屈服強度

δφ28= Q/A = 32.27 MPa；δφ22= Q/A = 41.08 MPa

根據公式計算出來的剪切強度和屈服強度均不超出常規抽油桿產品技術參數表中給出的數值，因此，所設計的地錨繩套固定裝置是安全可靠的（圖5）。

2.2地錨樁與土體之間的有限元

地錨樁：?104 mm，打入地下2.1 m，彈性模量2.2×1011Pa，泊松比0.3。

土體：選擇黏土，摩擦角φ= 14°，膨脹角φf= 0°，黏聚力3.2×104，泊松比0.15，彈性模量3.56×104Pa，土的密度1800 kg/m3。

圖5　常規錨定樁示意圖

軟件采用ansys13.0。在目前的通用與專用有限元分析軟件中，ansys軟件是最為通用有效的商業有限元軟件之一，可以直接利用此模型進行樁土受力模擬。

地錨樁樁土模型建立方法：

1）土體、樁體均采用三維實體PLANE42單元，按照實際尺寸進行繪圖建模，并采用手動完成網格劃分。

2）土體采用Drucker- Prager模型及準則。Drucker-Prager材料模型是適用于巖土類材料的彈塑性本構模型，其參數主要包括黏聚力、內摩擦、膨脹角，但模型參數較少。它的最大特點是考慮靜水壓力對屈服強度的影響，在計算機上比較容易實現，已經積累了許多數值計算經驗；同時也考慮了巖土材料特有的剪脹性。

根據以上條件建立模型。土體是1個半徑為2500 mm的半圓平面，地錨樁取中心剖面長2500 mm、寬73 mm的長方體，采用手動劃分網格，共劃分1837個單元，在樁的頂部施加50 kN的向上拉力。

計算結果：

1）受力之后變形。虛線為地錨樁上拔前的狀態，實線是地錨樁上拔后的狀態。從圖6可以看出，地錨樁樁體有1個明顯的拔出狀態。

圖6　地錨與土受力變形

2）查看在樁體上節點的位移。表2中的節點219和節點143均是地錨樁樁體上的節點，其中節點219是地錨樁上部的點，節點143是地錨樁地面以下的點。由于地錨樁的樁體強度遠大于土的強度，所以樁上節點位移相差不大。當時間在1 s時，地錨樁此時的位移已經達到105 mm，大大超過了允許的位移量，此時地錨樁是不安全的。

傳統地錨與土接觸面小，導致地錨受力會隨著時間的增加而被拔出。對地錨樁體進行有限元分析，發現地錨直徑由?104加大到?120可以有效緩解地錨被拔出的危險。為了改進地錨與土的接觸面積，制作了加大葉片地錨，將地錨的葉片直徑由?104加大到?120，地錨本體從鋼筋改為厚5 mm的葉片（圖7），這樣既有利于地錨的旋入，也加大了地錨與土的接觸面積。利用上述條件，對改進后的地錨進行分析，劃分的方法與上述方法一致，改進后的地錨受力變形如圖7所示。