lk大腿捆绑钻杆塔型井架承载性能分析及评定

王孟法，张燕庆，杨秀英，韩 兴，刘瑞华

（1.中国石油集团 康布尔石油技术发展有限公司，北京 100120；2.中石油集团 钻井工程技术研究院海外所，北京 100000）

根据中石油集团公司制度和管理规范，需对在役钻机井架进行定期评估检测[1-3]，以确保钻井作业安全。在现场钻机井架检测评定中，发现有大批塔型井架对大腿进行了捆绑钻杆处理，以提高其承载性能。然而，对大腿捆绑钻杆处理塔型井架如何评定，成为了一个难题。

通过对大腿捆绑钻杆井架进行多次现场应力应变测试，及有限元模拟仿真分析对比，给出了合理评定此加强井架承载能力方法。

1 现场测试及分析

1.1 测试仪器

传感器：电阻值为120 Ω，灵敏系数为2.15的箔式电阻就变计；测试仪器：DH5920N动态信号采集分析系统，64通道，64位独立通道A/D转换器；计算机：DELL笔记本电脑；计算软件：井架评估计算软件2.0（中石油钻井工程技术研究院康布尔公司自编软件）。

1.2 测试方法及测试数据

分别在井架II-1节中部和二层位置分两层、原井架大腿及捆绑钻杆两处布点，总共48个布点（井架大腿捆绑钻杆样式见图1，布点方式见图2）。起点测试载荷不小于井架设计最大钩载的15%，最大试验载荷不小于设计最大钩载的25%，不小于3个载荷级别，对井架进行应变应力测试。测试载荷由井下钻具提供，载荷大小由司钻控制，其计数以指重表为准。选取合理测试数据，整理的部分数据见表1。

1.3 测试数据分析

分析测试的大腿捆绑钻杆应力应变测试数据，可知：井架钩载的大小对捆绑钻杆轴向应变基本没有影响，说明井架大腿捆绑钻杆对井架大腿强度不起作用。但捆绑钻杆对井架大腿的刚度是否有影响，借助有限元仿真进行分析验证。

2 有限元分析

2.1 井架有限无限建模

图1 塔型井架大腿捆绑钻杆示图Fig.1 diagram of derrick which thigh bundled drill-pipe

图2 大腿捆绑钻杆井架布点方法Fig.2 Arrangement of measuring points of derrick which thigh bundled drill-pipe

表1 现场对加强后井架部分应变测试数据Tab.1 Measuring data of stress of derrick which thigh bundled drill-pipe

为保证建立的井架模型在满足要求的同时，尽可能与实际结构接近，对井架做了简化[4-6]处理。选择井架各构件的连接点作为有限元[9]结构模型的节点，选取角钢、圆钢定义空间梁单元，并构建截面空间梁单元。加强井架有限元模型共划分为214个结点，418个单元，各杆件均采用Q345钢。建立的井架模型如图3。

图3 大腿捆绑钻杆井架有限元模型图Fig.3 Finite model of derrick which thigh tied drill-pipe

2.2 井架承载能力分析

2.2.1 静态分析

对六种载荷工况：600，1 000，1 500，1 800，2 250 KN 进行计算，结果见表2。

表2 几种工况下井架最大应力值Tab.2 The maximum stress of derrick on some conditions

结果表明，最大应力值与钩载呈良好线性关系。钩载为2 250 KN时，最大应力为211 MPa（见图4），通过线性外推（345 MPa时）得到井架承载为：3 678，除去安全系数1.67，可得井架承载能力为2 202 KN。

2.2.2 稳定性分析

在2 250 KN载荷作用下，对大腿捆绑钻前、后井架进行屈曲分析计算的前3阶屈曲特征值如表3所示。

图4 2250KN钩载时井架应力分布云图Fig.4 Stress contours of derrick on 2250KN

表3 JJ225/43-K型井架的屈曲分析特征值Tab.3 Eigenvalue of buckling analysis of mast of JJ225/43-5

由前述分析，根据公式[7-8]

可求得大腿捆绑钻杆前井架大钩临界值为3 280 KN，井架承载能力评定为1 960 KN；大腿捆绑钻杆后井架大钩临界值为3 671 KN，井架承载能力评定为2 198 KN。

2.2.3 井架承载性能分析

对比井架静态分析、大腿捆绑钻杆前后井架稳定分析结果，可各：大腿捆绑钻杆井架屈曲临界值（2 198 KN）仅比静态分析结果（2 202 KN）低了4 KN（误差仅0.18%），可认为此井架结构的刚度完全满足要求，不会发生失稳倒塌；大腿捆绑钻杆后井架承载临界值比原井架临界值提高12%，明显提高了井架稳定性能。

3 结 论

通过对大腿捆绑钻杆井架应力应变现场测试及仿真分析，可得如下结论：

1）大腿捆绑钻杆对井架大腿强度基本无影响，但大大提高了井架的稳定性能；

2）对大腿捆绑钻杆井架承载性能评定时，只需依据结构强度评定理论即可满足；

3）参考《石油钻机修井机设备评估工作规范》及《现代美国钢结构设计册》，依据1997版评定标准对大腿捆绑钻杆井架承载评定比较合理；

4）大腿捆绑钻杆提高了井架承载性能，但增加了井架安装及拆卸工作量，增加了劳动强度及安全隐患。

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