連續(xù)管鉆井用伸縮式門(mén)型井架研制及應(yīng)用*

王 琦 雷宇奇 王 賀 張富強(qiáng) 閆天紅 張洪波 李卿卿

(1.勝利油田油氣井下作業(yè)中心 2.中石油江漢機(jī)械研究所有限公司 3.東北石油大學(xué) 4.北京東順博望石油設(shè)備有限公司)

0 引 言

連續(xù)管鉆井用井架是連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的重要部件之一[1-2]，主要用于支撐注入頭起下連續(xù)管和安裝游吊系統(tǒng)或頂驅(qū)起下常規(guī)管柱，可以有效縮短設(shè)備的安裝時(shí)間，提高設(shè)備的可靠性和施工效率，減少租賃起重機(jī)的費(fèi)用[3-4]?！笆濉逼陂g，針對(duì)國(guó)內(nèi)老井側(cè)鉆需求，中石油江漢機(jī)械研究所有限公司開(kāi)展了連續(xù)管鉆井用井架的研制，并將其應(yīng)用于LZ900/73-3500連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)。

連續(xù)管鉆井用井架為了安裝注入頭和便于運(yùn)輸,基本采用門(mén)型結(jié)構(gòu)[5]，目前已有的門(mén)型井架可分為常規(guī)門(mén)型井架和折疊式門(mén)型井架[6-8]。

常規(guī)門(mén)型井架采用一體式結(jié)構(gòu)，將注入頭集成安裝于井架上，并在井架上設(shè)置導(dǎo)軌，注入頭的升降通過(guò)液壓絞車(chē)和滑輪組實(shí)現(xiàn)，同時(shí)進(jìn)行液壓油缸控制注入頭的旋轉(zhuǎn)和井架寬度方向上的微調(diào)。這類井架主要應(yīng)用于加拿大運(yùn)輸條件較好的地區(qū)，多采用超長(zhǎng)、超寬和超高的半掛車(chē)運(yùn)輸形式，其運(yùn)輸方式無(wú)法滿足我國(guó)道路運(yùn)輸條件要求。折疊式門(mén)型井架由Foremost公司研制，其注入頭和井架采用一體化設(shè)計(jì)。運(yùn)輸時(shí)井架可以折疊放置，通過(guò)液缸實(shí)現(xiàn)井架的折疊和展開(kāi)，減小上裝后的高度和寬度。這類井架主要支撐注入頭進(jìn)行修井作業(yè)[9]，井架一般額定載荷為180 kN，無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)側(cè)鉆的承載力需求[10]。

本文基于前人研制門(mén)型井架的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)LZ900/73-3500連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的運(yùn)輸條件和工況要求，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將常規(guī)鉆井系統(tǒng)和連續(xù)管鉆井系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，利用有限元分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)研制出滿足國(guó)內(nèi)道路運(yùn)輸條件和側(cè)鉆承載能力要求的連續(xù)管鉆井用伸縮式門(mén)型井架。

1 井架設(shè)計(jì)

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)LZ900/73-3500具備?73 mm連續(xù)管側(cè)鉆深度3 500 m和?60.3 mm連續(xù)管側(cè)鉆深度4 500 m的作業(yè)能力，配套ZR9005輕量化注入頭，注入頭質(zhì)量10 t，最大提升力900 kN。依據(jù)該復(fù)合鉆機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行井架匹配設(shè)計(jì)。

1.1.1 井架凈空高度

根據(jù)連續(xù)管鉆井和常規(guī)管柱起下要求，同時(shí)考慮大鉤起下時(shí)2.5 m的天車(chē)防碰安全距離，歸納總結(jié)起下油管、起下套管、起下鉆具和事故解卡4種作業(yè)形式所需井架凈空高度，如表1所示。其中在事故解卡時(shí)所需井架凈空高度最大為21.1 m，井架高度等于井架有效高度加鉆臺(tái)高度為25.6 m，為保證操作安全性，確定井架高度為26 m。

表1 4種作業(yè)形式下井架凈空高度 mTable 1 Headroom of derrick under 4 operation modes m

1.1.2 最大鉤載

連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)最大鉆井深度為4 500 m，根據(jù)處理鉆桿、油管或尾管3種類型的管柱進(jìn)行鉤載計(jì)算。依據(jù)GB/T 23505—2017《石油鉆機(jī)和修井機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)[11]，確定最大鉤載為1 125 kN。因此，井架、游車(chē)、天車(chē)、大鉤的設(shè)計(jì)參數(shù)均按最大承載能力1 125 kN進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井架結(jié)構(gòu)(收起狀態(tài))如圖1所示，它由井架上體、井架下體、注入頭托架、天車(chē)、楔形支座、起升液缸、伸縮液缸和梯子等部件組成。井架設(shè)計(jì)為兩級(jí)伸縮式門(mén)型結(jié)構(gòu)，可同時(shí)安裝注入頭和游動(dòng)系統(tǒng)，伸縮式結(jié)構(gòu)可減小井架運(yùn)輸時(shí)的高度。選用直立式結(jié)構(gòu)可以滿足連續(xù)管鉆井和常規(guī)管柱起下轉(zhuǎn)換的便捷性，同時(shí)，天車(chē)、絞車(chē)及快繩采用偏置布置的方式，可避免連續(xù)管鉆井與常規(guī)管柱起下的相互干擾。井架下體上設(shè)置注入頭托架及導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)注入頭和井架一體化運(yùn)輸。作業(yè)時(shí)通過(guò)液缸推動(dòng)完成注入頭前后、左右2個(gè)自由度的動(dòng)作，確保作業(yè)時(shí)注入頭能準(zhǔn)確快速對(duì)中井口。

井架主體由上、下體組成。上體以標(biāo)準(zhǔn)型H型鋼為主，在大腿處采用工字梁結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)井架的抗扭性能，井架上體伸出后采用機(jī)械鎖死的方式鎖死，前后均設(shè)有繃?yán)K。下體由優(yōu)質(zhì)鋼板折彎、對(duì)拼、焊接而成，下體兩側(cè)大腿采用矩形結(jié)構(gòu)，開(kāi)襠空距2 m。井架上裝后整體結(jié)構(gòu)緊湊，上裝后整車(chē)高4.5 m，寬3.0 m，滿足國(guó)內(nèi)大部分道路條件的運(yùn)輸要求。

1—天車(chē)；2—井架上體；3—注入頭托架；4—井架下體；5—楔形支座；6—伸縮液缸；7—井架梯子；8—走臺(tái)。圖1 井架(收起狀態(tài))結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of derrick (retracted state)

2 有限元分析

2.1 計(jì)算模型

利用非線性有限元法對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將井架整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為空間鋼架模型。將焊接位置和銷(xiāo)軸連接處設(shè)為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，去掉梯子、走臺(tái)等附屬部件[12-14]。井架上體及注入頭框架簡(jiǎn)化為beam188梁?jiǎn)卧?，井架下體使用Solid185實(shí)體單元，繃?yán)K使用Link180單元，井架下體加厚段使用Shell163單元，接觸處使用接觸單元Conta175和Targe170單元。建模過(guò)程中梁?jiǎn)卧苍O(shè)有9種截面，所用型鋼材料為Q345B，屈服強(qiáng)度是345 MPa。井架材料的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度為7 830 kg/m3；鋼絲繩的材料彈性模量為80 GPa，泊松比為0.3，密度為7 830 kg/m3。按井架結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，共有19 324個(gè)節(jié)點(diǎn)及22 104個(gè)單元，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 井架網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model of derrick

2.2 載荷施加

井架承受的載荷主要包括恒定載荷、工作載荷和自然載荷[15]。恒定載荷包括井架自重，注入頭自重，天車(chē)、游車(chē)、大鉤等設(shè)備的靜載。本次分析中，井架自重根據(jù)其各層重力平均分配到井架相應(yīng)各層的節(jié)點(diǎn)處，注入頭自重分配至井架下體的注入頭托架節(jié)點(diǎn)，設(shè)備靜載按其所在位置平均施加到頂部節(jié)點(diǎn)上。工作載荷包括最大鉤載、注入頭載荷和工作繩作用力等。自然載荷只考慮風(fēng)載荷，根據(jù)井架工作和起升狀態(tài)下的最小設(shè)計(jì)風(fēng)速要求[16]，有繃?yán)K時(shí)，最小設(shè)計(jì)風(fēng)速為12.7 m/s；無(wú)繃?yán)K時(shí)，最小設(shè)計(jì)風(fēng)速為16.5 m/s。井架按照高度分為10段，根據(jù)風(fēng)載荷計(jì)算公式[17]，計(jì)算出每段截面在不同風(fēng)速下的受力載荷，如表2和表3所示。

表2 設(shè)計(jì)風(fēng)速為16.5 m/s時(shí)井架承受的風(fēng)載荷 NTable 2 Wind load borne by the derrick at the designed wind speed of 16.5 m/s N

表3 設(shè)計(jì)風(fēng)速為12.7 m/s時(shí)井架承受的風(fēng)載荷 NTable 3 Wind load borne by the derrick at the designed wind speed of 12.7 m/s N

2.3 工況分析

連續(xù)管鉆井作業(yè)時(shí)，井架需要完成帶注入頭起升、支撐起下常規(guī)管柱(常規(guī)作業(yè))和支撐注入頭起下連續(xù)管(連續(xù)管作業(yè))3種主要工作。依據(jù)API Spec 4F規(guī)范[18]，按照有無(wú)繃?yán)K、有無(wú)鉤載、有無(wú)注入頭載荷和不同井架起升角度進(jìn)行細(xì)分,可以得到10種不同的工況，每種工況的載荷分布情況如表4所示。其中井架起升時(shí)不考慮環(huán)境載荷，起升角度按照0°、15°、20°和25°分別計(jì)算井架受力情況。

表4 不同工況下的載荷分布情況Table 4 Load distribution under different working conditions

2.4 有限元計(jì)算

2.4.1 常規(guī)作業(yè)

常規(guī)作業(yè)時(shí)井架直立，注入頭位于井架一側(cè)，分布載荷為井架自重、注入頭自重和風(fēng)載。按照有、無(wú)鉤載和有、無(wú)繃?yán)K4種工況進(jìn)行計(jì)算，井架位移云圖和應(yīng)力云圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 常規(guī)作業(yè)井架位移云圖Fig.3 Cloud chart of derrick displacement under conventional CT workover mode

圖4 常規(guī)作業(yè)井架應(yīng)力云圖Fig.4 Cloud chart of derrick stress under conventional CT workover mode

由計(jì)算結(jié)果可知，常規(guī)作業(yè)時(shí)，工況2(無(wú)鉤載有繃?yán)K)下井架上體立柱中段變形較大，最大位移約為7 mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在井架立柱與注入頭框架梁斜撐連接處，最大值約為23 MPa。其余3種工況下，井架頂部變形較大，最大位移約為50 mm，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在井架立柱上體立柱與下體立柱連接處，最大值約為141 MPa，所有單元強(qiáng)度滿足要求。

2.4.2 連續(xù)管作業(yè)

連續(xù)管作業(yè)時(shí)，不承受鉤載，承受注入頭工作載荷，考慮有、無(wú)繃?yán)K2種情況，井架位移云圖和應(yīng)力云圖分別如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，無(wú)繃?yán)K時(shí)，井架頂部變形最大，最大位移約152 mm，以前傾為主。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在注入頭框架斜撐與井架下體立柱連接靠下部位，應(yīng)力最大值約為273 MPa，此處出現(xiàn)應(yīng)力集中，其他部位應(yīng)力均小于182 MPa。有繃?yán)K時(shí)，井架上體立柱中段變形最大，最大位移約51 mm，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在井架下體立柱與框架梁連接處，約為242 MPa，此處出現(xiàn)應(yīng)力集中，其他部位應(yīng)力均小于189 MPa，所有單元強(qiáng)度滿足要求。

圖5 連續(xù)管作業(yè)井架位移云圖Fig.5 Cloud chart of derrick displacement under CTD mode

圖6 連續(xù)管作業(yè)井架應(yīng)力云圖Fig.6 Cloud chart of derrick stress under CTD mode

2.4.3 井架起升

井架起升狀態(tài)下，無(wú)注入頭載荷和鉤載，且不考慮環(huán)境載荷，依據(jù)0°、15°、20°和25°角起升情況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)結(jié)果可知，不同起升角度下，最大位移均發(fā)生在井架頂部，最大等效應(yīng)力位于井架立柱與液壓缸連接區(qū)域。當(dāng)起升角度為15°時(shí)，最大變形位移約為19 mm，最大等效應(yīng)力為76 MPa，此時(shí)位移云圖和應(yīng)力云圖如圖7所示，所有單元強(qiáng)度滿足要求。

圖7 井架起升角為15°時(shí)井架的位移和應(yīng)力云圖Fig.7 Cloud chart of derrick displacement and stress at the lifting angle of 15°

3 試驗(yàn)及應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證井架的質(zhì)量和可靠性，井架組裝完成后于2018年6月24日在北京某公司試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了井架起升、伸縮、鎖死動(dòng)作測(cè)試和最大載荷測(cè)試兩項(xiàng)試驗(yàn)。

3.1.1 動(dòng)作測(cè)試

動(dòng)作測(cè)試在空載和帶載(安裝注入頭)2種狀態(tài)下分別進(jìn)行，測(cè)試過(guò)程如下：緩慢起升井架，當(dāng)井架從水平狀態(tài)舉升至豎直狀態(tài)后，控制升降液缸緩慢伸出上體，當(dāng)上體伸出至上頂板后進(jìn)行鎖死，保持一段時(shí)間后再解鎖，緩慢縮回上體，最后，控制液缸使井架恢復(fù)至水平運(yùn)輸狀態(tài)。不同狀態(tài)下所有動(dòng)作重復(fù)3次，測(cè)試過(guò)程如圖8所示。測(cè)試結(jié)果顯示，井架各項(xiàng)動(dòng)作均可流暢完成，各部件間無(wú)干涉現(xiàn)象。

圖8 井架動(dòng)作測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Derrick action test

3.1.2 最大載荷測(cè)試

依據(jù)前文仿真結(jié)果，在井架上體立柱和下體立柱的最大應(yīng)力處分別布置應(yīng)變計(jì)，通過(guò)吊環(huán)將大鉤連接于200 t地錨，確認(rèn)繃?yán)K情況完好后慢提升游車(chē)大鉤，緩慢加力至1 125 kN后卸掉鉤載。利用電子經(jīng)緯儀和超聲波測(cè)厚儀等儀器檢查井架構(gòu)件、構(gòu)件間連接、井架整體、井架基礎(chǔ)變形、損傷及缺陷情況并觀察應(yīng)力變化。結(jié)果顯示，最大鉤載下井架無(wú)變形和損傷情況；當(dāng)最大鉤載為1 125 kN時(shí)，最大應(yīng)力值為178.97 MPa，遠(yuǎn)低于井架所用材料Q345B高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的設(shè)計(jì)強(qiáng)度345 MPa。因此，井架滿足最大鉤載1 125 kN的工作要求。

3.2 應(yīng)用

2019—2021年間，本文研制的井架用于LZ900/73-3500連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)共開(kāi)展了6井次、7個(gè)井眼的連續(xù)管側(cè)鉆和常規(guī)管柱側(cè)鉆，應(yīng)用情況如表5所示。作業(yè)區(qū)域包括位于內(nèi)蒙古、陜西、甘肅和湖北境內(nèi)的4個(gè)區(qū)域，井架運(yùn)移滿足普通道路與山區(qū)小路的行駛要求。在連續(xù)管鉆井作業(yè)過(guò)程中，開(kāi)展了連續(xù)管通洗井、連續(xù)管注水泥塞、連續(xù)管鉆塞、存儲(chǔ)式測(cè)井、完井等作業(yè)工藝，完成了起下?139.7 mm套管并固井作業(yè)、起下?88.9 mm套管并固井作業(yè)、下常規(guī)生產(chǎn)管柱完井。連續(xù)管鉆井與常規(guī)管柱起下切換時(shí)間短于5 min，實(shí)現(xiàn)了兩套系統(tǒng)的快速切換，滿足我國(guó)油田大部分老井側(cè)鉆作業(yè)對(duì)井架的承載要求。該井架的成功研制與應(yīng)用為我國(guó)連續(xù)管鉆井工藝的發(fā)展與推廣應(yīng)用提供了裝備支撐。

表5 井架應(yīng)用情況Table 5 Application of derrick

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)創(chuàng)新研制了連續(xù)管鉆井用兩級(jí)伸縮式門(mén)型井架，最大鉤載1 125 kN，搭載注入頭移動(dòng)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)井架和注入頭的一體化輸運(yùn)及連續(xù)管鉆井和常規(guī)管柱鉆井起升系統(tǒng)之間的快速轉(zhuǎn)化。井架整體尺寸緊湊，上裝后整車(chē)高4.5 m，寬3.0 m，滿足國(guó)內(nèi)大部分道路運(yùn)輸條件要求。

(2)2019—2021年間，該井架用于LZ900/73-3500連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)在位于內(nèi)蒙古、陜西、甘肅和湖北境內(nèi)的4個(gè)區(qū)域開(kāi)展了6井次、共7個(gè)井眼的連續(xù)管側(cè)鉆和常規(guī)管柱側(cè)鉆，運(yùn)移性和承載能力滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，該井架的研制成功為我國(guó)連續(xù)管鉆井工藝的發(fā)展與推廣應(yīng)用提供了裝備支撐。

(3)井架整體結(jié)構(gòu)尺寸依舊較大，上裝完成后整體質(zhì)量超過(guò)70 t，后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展小型化和輕量化的研究。