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井架和底座承載能力測試及安全性評估方法研究

文檔作者：王紫陽楊本靈胡建啟劉保余郟伯瀚文檔來源： 1．中石化管道儲運公司 2．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司 3．中國石油西北銷售分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月12日
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2012年第41卷
第6期第88頁
石油礦場機(jī)械
OIL FIELD EQUIPMENT
文章編號：100卜3482(2012)06 0088—03
井架和底座承載能力測試及安全性評估方法研究
王紫陽 ，楊本靈。，胡建啟 ，劉保余 ，郟伯瀚。
(1．中石化管道儲運公司，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)
摘要：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。
關(guān)鍵詞：井架；底座；安全；評估方法
中圖分類號：TE923．07 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
隨著鉆機(jī)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(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
樣會使承載能力下降口_3_。為了保障鉆修井作業(yè)的
安全，有必要對井架、底座進(jìn)行檢測和安全評估，對
達(dá)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 ]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(tuán)公司一直非常重視石油鉆
機(jī)和修井機(jī)井架、底座的承載能力評估工作，其在工
程字E2oo5~34號文《關(guān)于對陳舊損傷鉆機(jī)修井機(jī)進(jìn)
行定期檢測的通知》中，對使用時間>10 a的鉆機(jī)、
修井機(jī)，要求每2 a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(jìn)行檢測。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、降級使用和嚴(yán)禁使用3種類型。鉆機(jī)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(jī)、修井機(jī)現(xiàn)場檢測工作，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，對集團(tuán)內(nèi)部鉆機(jī)、修井機(jī)檢測
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)隊伍資質(zhì)評估
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(tuán)組織6家鉆機(jī)、修井機(jī)設(shè)備
資質(zhì)評估機(jī)構(gòu)共同編寫了《鉆機(jī)修井機(jī)設(shè)備資質(zhì)評
估規(guī)范》，該規(guī)范中規(guī)定了對于鉆機(jī)、修井機(jī)進(jìn)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、Ⅳ 4個級別。
1．2 近3 a檢測評估結(jié)果
表1～2為中石油集團(tuán)近3 a來對鉆機(jī)、修井機(jī)
進(jìn)行設(shè)備資質(zhì)評估的結(jié)果匯總。由表1知：近3 a
來，中石油評估鉆機(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)評估工作
已經(jīng)變?yōu)橐豁棾B(tài)化工作。由表142可以看出：除
了對鉆機(jī)、修井機(jī)進(jìn)行綜合評級外，還對井架進(jìn)行
了分級，依據(jù)最新版本的鉆機(jī)修井機(jī)設(shè)備評估規(guī)
收稿日期：2Ol2-03—2o
作者簡介：王紫陽(1967一)，女，浙江寧波人，工程師，主要從事技術(shù)管理工作。
第41卷第6期 王紫陽，等：井架和底座承載能力測試及安全性評估方法研究 ‘89‘
范，對井架進(jìn)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(jī)、修井機(jī)
設(shè)備報廢標(biāo)準(zhǔn)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(jī)、修井機(jī)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(jī)評估結(jié)果 部
年份— — l— — — —
2008 32 101 55 2 25 120 44 2
2009 43 39 52 1 30 65 39 1
2O1O 82 87 35 58 117 29
合計 157 227 142 3 113 302 112 3
占比／ 29．7 42．9 26．9 0．5 21．3 57．0 21．1 0．5
52
90
88
23O
44．1
61
49
62
172
32．9
30
34
49
113
21．7
1
1
4
6
1．2
35
24
43
1O2
19．5
75
1O3
1OO
278
53．3
33
46
56
135
25．9
1
1
4
6
1．2
2 應(yīng)力測試
目前，國內(nèi)外研究人員對鉆機(jī)、修井機(jī)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(jī)和修井機(jī)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(jìn)行現(xiàn)場檢測：① 選擇井架底座的危險界面和
危險點，進(jìn)行布片，應(yīng)不少于3個測試層面，每層不
少于16點；②進(jìn)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(jìn)行配合；③ 通過
計算求得井架底座當(dāng)前最大承載能力。
存在5個方面的問題：
1) 在進(jìn)行應(yīng)力測試時，只在規(guī)定位置進(jìn)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1 d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(dāng)時鉆具產(chǎn)生的載荷太
小，不能滿足測試要求，長期無法進(jìn)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(jìn)行提
升和下放作業(yè)，從而無法進(jìn)行動態(tài)測試。還有北方
冬天太冷，無法進(jìn)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(jī)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(jī)井架的測試，測試完成后初
步計算該鉆機(jī)承載能力有明顯下降，因此對該井架
進(jìn)行了變形測量，發(fā)現(xiàn)該井架頂部在承受1 000 kN
載荷時向左前方偏移約300 mm，判斷該井架安裝
超差。此后對該井隊的進(jìn)一步調(diào)查中證實了該部鉆
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
∞ ∞ 計
石油礦場機(jī)械 2O12年6月
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(jìn)行校核。如果發(fā)現(xiàn)計算模型出現(xiàn)偏差，可進(jìn)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(jìn)行精確測量的基礎(chǔ)上輔以計算機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)研究和室內(nèi)試
驗，制做了1：8的JJ225／43一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(jìn)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(jìn)
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(jìn)行有限元
計算，并與應(yīng)力測試的結(jié)果進(jìn)行對比。
5) 對模型井架不同部位的桿件進(jìn)行人為損
傷，利用激光測距和數(shù)值擬合的方法進(jìn)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(jìn)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。
參考文獻(xiàn)：
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載能力計算方法[J]．石油礦場機(jī)械，2011，40(8)：
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[2] 任國友．油田在役石油井架安全檢測及評價技術(shù)[J]．
中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，3(5)：144 148．
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影響[J]．石油礦場機(jī)械，2008，37(5)：50 52．
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