井架和底座承载能力测试及安全性评估方法研究

2012-12-11王紫阳杨本灵胡建启刘保余郏伯瀚

石油矿场机械 2012年6期

王紫阳，杨本灵，胡建启，刘保余，郏伯瀚

（1.中石化管道储运公司，江苏徐州221008；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司行业发展中心，兰州730070；3.中国石油西北销售分公司兰州公司，兰州730060）

王紫阳1，杨本灵2，胡建启2，刘保余1，郏伯瀚3

由于频繁拆装、搬运等，使井架及底座构件易产生缺陷，降低其承载能力。目前采用应力测试的方法评估其承载能力，存在5个方面的不足。有限元分析方法存在建模困难，边界条件难确定等难题。提出采用相似模型、激光测距和有限元分析的方法获取井架和底座力学数据，以便在现场评估其承载能力和安全性。

井架；底座；安全；评估方法

随着钻机搬迁次数的增加，井架、底座的构件会变形或损伤，承载能力下降。修井机在行驶过程中，及在井架起升过程中可能整体变形或构件损伤，同样会使承载能力下降［1－3］。为了保障钻修井作业的安全，有必要对井架、底座进行检测和安全评估，对达不到设计承载能力的，应降级使用或报废。目前采用的应力测试方法存在操作不便、精度差等问题。本文提出采用有限元方法［4－5］及激光测距技术，并通过模型试验得到适合现场应用的井架、底座安全评估方法。

1 井架及底座安全评估的必要性

1.1 相关规定

中国石油天然气集团公司一直非常重视石油钻机和修井机井架、底座的承载能力评估工作，其在工程字［2005］34号文《关于对陈旧损伤钻机修井机进行定期检测的通知》中，对使用时间＞10a的钻机、修井机，要求每2a检测1次；对在搬家或作业中损伤，存在安全隐患的关键部件，要定期进行检测。按照承载能力下降的程度，将钻机、修井机分为维修后使用、降级使用和严禁使用3种类型。钻机检测要由第三方完成，检测结果要存档备案。该文件规范了钻机、修井机现场检测工作，在中石油集团初步建立了陈旧损伤钻机、修井机退出机制。此后，中石化集团也下发相关文件，对集团内部钻机、修井机检测工作进行了规范。

2006年，中石油集团下发了《中国石油天然气集团公司石油工程技术服务施工作业队伍资质评估管理办法》。在该文件中，中石油集团将钻机、修井机的检测评估工作跟工程技术服务队伍资质管理相结合，实际上是在对工程技术服务队伍的资质管理工作中加大了设备评估的权重。由于设备评估工作本身的需要，中石油集团组织6家钻机、修井机设备资质评估机构共同编写了《钻机修井机设备资质评估规范》，该规范中规定了对于钻机、修井机进行监测评估的内容和方法，其主要内容包括井架及底座承载能力检测、无损检测、安全检查表和设备配套情况检查4部分。4部分内容都设有不同的分值，满分为1 000分，依据最后的得分将设备综合评定为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个级别。

1.2 近3a检测评估结果

表1～2为中石油集团近3a来对钻机、修井机进行设备资质评估的结果汇总。由表1知：近3a来，中石油评估钻机529部，占中石油集团拥有钻机总数的50%，由此可以说明，钻井设备资质评估工作已经变为一项常态化工作。由表1～2可以看出：除了对钻机、修井机进行综合评级外，还对井架进行了分级，依据最新版本的钻机修井机设备评估规范，对井架进行检测后分为4级，即：A、B、C、D级。按照中石油工程技术分公司的规定，钻机、修井机设备报废标准是综合评级为IV级或者井架评级为D级，并且在设备综合评估所涉及4项内容中（井架底座承载能力检测、无损检测、安全检查表和设备配套情况检查），井架底座承载能力检测所占分值最大。

综合以上分析，钻机、修井机井架底座承载能力检测在保证钻修井安全作业和设备资质评估工作中均起到重要作用，应引起足够重视。

表1 钻机评估结果部

表2 修井机评估结果部

2 应力测试

目前，国内外研究人员对钻机、修井机井架底座的检测评定主要有外观检查、无损检测、有限元分析和应力测试4种方法。国内对井架底座的检测评定主要依据SY／T6326—2008《石油钻机和修井机井架、底座承载能力检测评定方法》，采取应力测试的方法进行现场检测：①选择井架底座的危险界面和危险点，进行布片，应不少于3个测试层面，每层不少于16点；②进行静态应力测试和动态应力测试，测试中要求最大测试载荷不小于最大钩载的25%，动态测试中要求提升和下放钻具进行配合；③通过计算求得井架底座当前最大承载能力。

存在5个方面的问题：

1）在进行应力测试时，只在规定位置进行有限点测试，难以全面反映井架的应力分布情况，尤其是损伤和缺陷部位的应力状况。损伤和缺陷部位有可能成为井架潜在的危险源［1］。

2）由于需要现场粘贴应变片，耗时较长，通常需要1d的时间才能完成1部井架的测试，很多井队不愿配合。

3）很多井架由于其当时钻具产生的载荷太小，不能满足测试要求，长期无法进行测试。还有的井位由于钻修井工艺的需要，不允许对钻具进行提升和下放作业，从而无法进行动态测试。还有北方冬天太冷，无法进行测试。

4）现场依据经验确定危险点，还存在测试精度不足的问题。

5）由于钻机井架底座安装不到位，会产生安装质量缺陷，从而降低井架的承载能力。这种原因引起的承载能力下降是一种井架承载能力的非真实反映，在下一口井安装时如果提高安装质量，井架的承载能力就恢复了。应力测试方法不能判别是由于设备安装原因所引起的承载能力下降，还是设备本身缺陷所引起的承载能力下降。例如，2006年在陕北乌审旗做过1部钻机井架的测试，测试完成后初步计算该钻机承载能力有明显下降，因此对该井架进行了变形测量，发现该井架顶部在承受1 000kN载荷时向左前方偏移约300mm，判断该井架安装超差。此后对该井队的进一步调查中证实了该部钻机井架即为典型的由于安装原因所引起的承载能力伪下降，如何解决钻机井架底座承载能力伪下降的问题是今后研究的重点。

3 有限元计算

作为一种成熟的计算方法，有限元计算很早就应用于井架底座的设计计算中，然而将其应用于井架承载能力的安全评估却存在诸多限制。

1）建模的工作量很大。建立一种型号井架的计算模型或许容易，然而要将所有型号待评估井架建立有限元计算模型显然有很大的工作量。

2）由于存在不同程度制造误差，以及使用过程中对杆件造成的变形、折弯等，即使同种型号的井架也会产生很大的尺寸偏离，完全依靠人工力量将1部钻井井架的结构参数在现场测绘出来显然是不现实的。因此，有限元计算方法是否能成功应用于井架承载能力计算，取决于如何便捷地获取1部待评估井架的边界条件。

如果通过现场测量可取得待评估井架边界条件，将其带入井架计算模型中，可求出这些井架某些部位受力情况，然后利用应力测试的方法对这些模型进行校核。如果发现计算模型出现偏差，可进行修正，如此反复计算、修正、校核，最终建立符合各种型号井架的有限元计算模型库。在以上大量工作的基础上，可以有选择地挑选几个安装质量问题，例如井架整体倾斜、受力主体构件折弯等，代入有限元计算模型中，求得其对井架承载能力的影响，从而对其未来安装起到指导作用。

笔者建议在钻井现场应用激光测量技术和数值拟合技术获取待评估井架的边界条件和承载后井架的实际变形情况。具体说，就是在对井架主体构件进行精确测量的基础上辅以计算机数值拟合的方法来精确获取1部待评估井架的边界条件。

在边界条件已知的情况下，代入已经建立的有限元计算模型，可以实现井架承载能力的精确评估。由于该方法可应用于现场在线测量，利用数值模拟技术建立杆件变形量与大钩载荷之间的关系，进而建立井架整体变形与大钩载荷之间的关系，从而对井架底座进行变形趋势分析，也可建立对重点关注杆件动力参数的长期在线监测。