在役作业井架安全承载能力评价方法研究*

周悦琴

(大庆油田有限责任公司 试油试采分公司，黑龙江 大庆 163318)

在役作业井架安全承载能力评价方法研究*

周悦琴

(大庆油田有限责任公司 试油试采分公司，黑龙江 大庆 163318)

针对在役作业井架的结构特点，采用三维空间梁单元模拟井架各杆件，采用单轴向受拉杆单元模拟绷绳，建立井架-绷绳模型。考虑常见的几种损伤形式，推导了等效处理关系式。开展了必要的加载试验，并与实测数据相结合对该井架安全承载性能进行了评定。结果表明：应用该方法可以确定井架的薄弱部位、安全承载能力，为在役作业井架承载能力的预测和评价提供有价值的建议，适于工程应用。

作业井架；安全承载能力；仿真；绷绳；损伤；Timoshenko梁理论

Abstract: Aiming at structure feature of workover mast，mast-guy model is built, in which, three-dimensional beam element is used to simulate the bar of mast and the uniaxially pulled link element is used to simulate the guy. The damage equivalent functions are deduced. The loading test is necessarilly carried out. Combined the measured data, its safety bearing capacity is evaluated. The results indicate the dangerous position and safety bearing capacity can be obtained. It provides some valuable suggestions for the prediction and evaluation of safety load capacity of workover mast in-service, and is suitable for engineering applications.

Key words: workover mast； safety load capacity； simulation； guy； damage； Timoshenko beam theory

0 引 言

在石油与天然气勘探开发的各项施工中，修井作业是一个重要环节[1]。作业井架是油井进行修井作业时起下井的支架，其力学性能与承载能力直接影响着修井作业的顺利进行[2]。

以油田使用较多的18 m作业机井架为研究对象进行承载性能分析，并进行了必要的试验研究，旨在为在役作业井架承载能力的预测和评价提供有价值的建议。

1 在役作业井架损伤形式及处理方法

1.1 损伤的主要表现形式

18 m井架是油田使用较多的作业井架，如图1。

图1 油田常用的18 m作业井架

实测分析发现，由于拆装、搬迁、运输频繁，处于服役期的作业井架杆件、杆件间连接及整体都会出现不同程度的损伤，具体可归纳[3]为：结构整体初始变形、主弦杆件初弯曲、截面锈蚀、荷载作用偏心、基础安装不平，其中尤以截面锈蚀、主弦杆件初弯曲现象显著，这主要是由于经常搬迁拆装磕碰严重所致。

1.2 损伤等效处理方法

对于上述常见损伤形式，考虑与应力有关的设计参数进行等效处理[4]，其关系如下：

Ae=f1(α,β,…)At

(1)

We=f2(α,β,…)Wt

(2)

式中：Ae为井架结构的等效横截面积，At为理想横截面积，We为等效抗弯截面系数，Wt为理想抗弯截面系数，f(α,β,…)为等效处理函数。

其中由截面锈蚀确定的等效处理函数为：

(3)

式中各参数含义如图2所示。

杆件初弯曲确定的等效处理函数为：

(4)

式中各参数含义及推导过程见文献[5～6]。

图2 主弦杆截面示意图

2 有限元模型的建立

2.1 建模理论基础

根据Timoshenko梁理论，三维空间梁单元在荷载作用下通常要发生轴向变形，面内和面外的弯曲、剪切、扭转等变形。每个单元节点对应于6个自由度：沿x,y,z轴的平动和绕x,y,z轴的转动。图3所示为其中任意单元，其中I-J为两端节点，x轴为单元的轴线方向，y,z轴则为截面的主惯性轴。

图3 三维梁单元

三维空间杆单元具有双线性刚度矩阵，如图4所示的杆单元单轴向受拉，当d<0时受压，此时刚度为零，即杆单元对与其连接结构不传递力的作用；而当d≥0时受拉，此时杆单元仅承受轴向拉力作用，单元两端节点共有6个自由度，其节点位移向量为：

(5)

图4 三维杆单元

2.2 井架-绷绳三维模型

18 m作业机井架总高18 m，主体结构材料为Q235，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7 830 kg/m3。

建立有限元模型时对该作业井架作如下假设：

(1) 井架上体和下体之间、结构各部件与各杆件之间焊接可靠，认为是刚性连接；

(2) 忽略天车和游动系统等附件，将其重量视为集中载荷分配在相应的位置上；

(3) 作业时井架挂6根绷绳，前面2根后面4根，认为绷绳完全柔性，不受弯矩作用，其密度均匀，且受力后产生的应变是线弹性的；

(4) 井架与支座之间视为铰接，绷绳与地锚桩之间视为铰接。

将井架各杆件简化为具有6个自由度的非线性空间梁单元，将绷绳简化为单轴向受拉的非线性空间杆单元。计算时用一个单元代表一根杆件，整个井架按其结构划分为145个梁单元，6个杆单元，64个节点，其中井架与支座的支脚处铰点限制x、y、z方向的平动自由度及绕y、z轴的转动自由度，绷绳与地锚桩支脚处铰点限制x、y、z方向的平动自由度，其余均为刚性节点。所建立的井架-绷绳模型如图5所示。

图5 井架-绷绳有限元模型及测点布置示意图

3 安全承载性能分析

3.1 安全评价方法

安全评价时利用有限元分析与试验数据相结合，以实测数据修正理想模型，建立接近在役井架真实结构的基准数值模型，模拟设计载荷下的工作性能，确定其薄弱部位，并根据规范校核工作能力，从而实现在役井架的安全承载能力评价。

3.2 承载性能试验

现场实测时在井架上下段连接处布置8个测点(如图5)。试验初始状态钩载指重表读数为3.0 kN，分3次逐级加载，记录指重表读数分别为30.0 kN、66.0 kN和87.0 kN，则实际钩载分别为27.0 kN、63.0 kN和87.0 kN。测点1～8#实测数据曲线如图6、7所示。

图6 1～4号测点动应变测试数据曲线

图7 5～8号测点动应变测试数据曲线

实测曲线实时反映了井架加载的连续动态过程。对测试曲线进行数据提取并通过数据分析得到各级载荷作用下被测杆件实测应力值，如表1、2所列。

3.3 分析结果

为了获得和实际结构一致的基准数值模型，以钩载为63.0 kN时的实测数据作为模型修正的基准数据，其他载荷作用下的实测数据作为结果预测的验证数据。修正结果和预测结果见表1和2。

表1 模型修正前后应力结果对比

表2 模型修正后预测结果

由结果可知，修正后模型的应力值和实测结果非常接近，修正结果较修正前有了明显的改善，其他载荷下的预测结果也比较理想，这样可以近似认为该模型能够反映结构真实的力学性态，从而验证了本文所提出方法的可行性。

经分析发现，井架在设计载荷下井架顶部变形严重，编号为③的立柱受力较大，是该井架的薄弱部位，在作业过程中应给予重视。根据规范对此结构进行性能评价，得出该井架不能满足设计要求，需降级使用。

4 结 论

(1) 采用以Timoshenko梁理论为基础的三维空间梁单元模拟井架各杆件，采用以双线性刚度矩阵特性的单轴向受拉杆单元模拟绷绳，可以建立比较可信的井架-绷绳三维数值模型；

(2) 计及损伤的影响，考虑与应力有关的设计参数进行等效处理，推导了常见损伤的等效处理关系式，并与实测数据相结合对某一载荷作用下的模型进行模拟与修正，可以复现、预测其它级别载荷下的工作性能，预测结果较理想；

(3) 以18 m作业机井架为研究对象进行承载性能分析，确定其薄弱部位、安全承载能力，为在役作业井架承载能力的预测和评价提供有价值的建议，为现场作业提供参考。

[1] 岳志强，李宝珠. 浅议轮式作业井架动态特性[J]. 中国石油和化工标准与质量，2012(4)：115.

[2] 吴 强，朱 玄，尹雪霏．作业井架结构非线性力学行为分析[J]．石油矿场机械，2010，39(9)：60-63.

[3] 刘金梅. 在役钻机井架使用安全性综合评价方法研究[D]. 大庆：东北石油大学，2012.

[4] 韩东颖，李子丰，周国强. 基于模型局部修正的井架钢结构极限承载力分析[J].工程力学，2007，24(10)：175-179,185.

[5] 韩东颖，周国强，李子丰. 含损伤缺陷的大型钢结构架极限承载预测方法研究[J]. 计量学报, 2007, 28(4): 370-374.

[6] 刘金梅，周国强，韩国有. 考虑损伤的石油井架极限承载性能仿真研究[J].系统仿真学报. 2009, 21(6): 1781-1784,1788.

[7] 朱伯芳. 有限单元法原理与应用[M].第二版.北京: 中国水利水电出版社，1998.

Evaluation Method Study on Safety Load Capacity of Workover Mast In-service

ZHOU Yue-qin

(ProductionandWellTestCompany,DaqingOilfieldCo.,Ltd,DaqingHeilongjiang163318,China)

2014-05-19

黑龙江省教育厅科学技术研究项目资助(编号：12541057)

周悦琴(1969-)，女，黑龙江大庆人，工程师，主要从事油气田安全管理方面的工作。

TE923

A

1007-4414(2014)04-0091-03