连续油管作业车注入头支架承载能力分析

但永军，张丽梅，许山明，张建成，周汉鹏，赵签

（1.新疆油田公司，新疆克拉玛依 834000；2.新疆克拉玛依市三达有限责任公司，新疆克拉玛依 834000；3.西部钻探准东钻井公司，新疆阜康 831511）①

近年来，国内各大油田相继购置了连续油管作业车及其附属设备，用于油气井的带压修井、测试作业。施工时，注入头与井口防喷器的对接安装和起、下连续油管主要依靠吊车悬挂注入头来完成，如图1所示。这种作业方式在作业周期较短、井深较浅的修井、测试中被普遍采用，主要用于井深在4000m 以内、压力为15～40MPa的油气井［1］。在实践中发现，用吊车悬挂注入头的做法虽然具有机动性强、安装简便等优点，但也存在可靠性低、稳定性差等缺点。例如，曾经发生过由于油管内注液（或注氮）压力的大幅波动、风载剧烈变化及其他因素综合作用导致注入头晃动，使连续油管折断的事故。究其原因，是吊车与注入头之间为软连接，缺乏稳定可靠的支承所致。目前，我国陆上油田还没有研制和使用专门用于支撑、连接、固定连续油管作业车注入头的装备。

塔里木油田大北、克深2个区块的油气井不仅超深（平均井深6200～6500m，最深达7406m），而且超高压（平均压力95MPa，最高达140 MPa），与前面提到的油气井相比，油管内注液（或注氮）产生的压力更高，井内管柱重力更大，提下油管的作业时间更长，因此对施工时的安全性、稳定性、可靠性要求更严。为了采用连续油管作业车对这2个区块进行修井、测试作业，并保障注入头与井口防喷器的对接安装以及连续油管起、下等作业的安全，研制了用于支撑、连接、固定连续油管作业车注入头的塔式支架［2］（以下简称支架）。本文主要进行受力分析和强度校核。

图1 吊车悬挂连续油管注入头作业现场

1 总体结构

支架整体结构为单边开口的π型框架（顶层平台除外），采用积木搭接方式安装，如图2所示。部件以焊接结构件为主，采用模块化、标准化设计。基座支撑区域6000mm×3800mm，框架内工作区域3550mm×2500mm。

图2 连续油管注入头支架结构

沿地面垂直向上、由低到高的安装顺序依次为基座、间隔架、顶层平台、滑车。基座作为整个支架的底座安放于井口地面，用于安放和固定整个塔式支架并保持稳定，通过4根导向柱与第1层间隔架定位、对接，用4只销轴联接、固定；自第1层间隔架起至顶层平台，彼此之间均通过4根导向柱定位、对接，用6只U 型螺栓联接、固定；滑车依靠自重坐落于顶层平台，其上部的注入头底座最终与连续油管注入头定位、对接，用绷绳与顶层平台联接、固定。间隔架有4种高度规格，共8件，可通过调整、变更其数量、规格，使支架形成3.83～13.73 m 范围内的不同高度组合。间隔架、顶层平台都安装有垂直爬梯和带活门的护栏平台，不仅可供施工人员在支架内部上下，也方便其实施水平作业和休息。注入头底座可上、下移动300 mm，前后、左右移动500 mm，在水平工作面内360°旋转。必要时，可在支架四角打绷绳与地锚连接。

2 支架受力分析

2.1 总体受力

在连续油管下入和提起时，支架主要承受重力、垂直压力、滚筒对连续油管拉力、背面横风等载荷的作用，如图3。支架顶部及顶层平台受力状况最为恶劣。

图3 支架总体受力分析

图中：G0为顶层平台与间隔架重力，最大值117.7kN；G1为滑车重力，20850N；G2为注入头重力，最大值34470N；F1为垂直压力，最大值360 kN，集中作用在支架顶部、与注入头上提力大小相等、方向相反（垂直向下）；F2为滚筒对连续油管的拉力，最大值5000N，作用于鹅颈并与水平方向夹角成θ（简称鹅颈角），其水平分力Fx＝F2cosθ，最大值4330N，垂直分力Fz＝F2sinθ，最大值3536N；M为拉力F2对A 点弯矩，M1＝FxL1＋FzL2，最大值155761N·m；L1为Fx对A 点力臂，m；L2为Fz对A 点力臂，m；F3为第1风向（对支架结构最不利且与鹅颈反方向）风载，最大值23054N，取12级风力时的稳定静力风压值W0＝0.8kN／m2，该力视为沿水平方向集中作用于支架顶部；F为支架沿水平方向（x 向）所受合力，N；Pz为支架沿垂直方向（z向）所受合力，N；A为支架顶部水平力与垂直力正交点；B为力F2作用于鹅颈的点；鹅颈角θ为变量，变化范围：30°～45°，表1列出了4组F2的分量随θ变化的数值。

表1 滚筒通过连续油管对支架的作用力

构成支架主体的基座、间隔架、顶层平台彼此间为刚性连接，等效于一体受压杆件。F 使支架沿水平方向（x 向）发生弯曲（位移），可能导致倾覆。Pz使支架整体和顶层平台沿垂直方向（z向）发生弯曲（位移），可能导致失稳。支架受力最恶劣的工况有2种：①Pz达到最大值，其载荷数值列在表2；②F达到最大值，其载荷数值列在表3。根据需要，用几何法解算支架z向稳定性数据，用有限元法解算顶层平台结构强度和支架沿x 向弯曲等数据［3］。

表2 支架在垂直方向的最大合力 N

表3 支架在水平方向的最大合力 N

2.2 Pz达到最大值时支架z 向稳定性校核

将支架简化为下端固定上端自由的压杆，如图4。材料为Q235钢，Pz最大值419kN，稳定安全系数［4］nst＝3。

图4 支架受压力学模型

2.2.1 柔度计算［5］

式中：λ为柔度；μ为长度系数，μ＝2；L为杆的等效长度，L＝13730 mm；I为惯性矩，cm4；A为截面积，A＝3850×2750＝1.059×107mm。

2.2.2 临界载荷计算［5］

Q235钢最大柔度λp＝102，最小柔度λ3＝61.6。而λ＜λ3，可知支架整体是短粗杆，所以其临界应力σα＝a（压缩屈服应力）＝304 MPa。

式中：Pα为临界载荷，kN。

可见，支架z向是稳定和安全的。

3 有限元分析［6］

3.1 建立模型

支架的三维实体模型如图5。将顶层平台、间隔架各杆件的自然焊点作为有限元分析模型的节点，共有67个。基座、滑车对支架的刚度影响较小，简化时忽略［5］。支架属于空间框架结构，所有单元通过节点可靠连接，受力作用于各个节点。简化模型如图6。简化后的支架在强度上为一体结构。将简化模型进行网格划分，离散为3630个单元后，建立了支架的有限元模型，如图7。

图5 支架三维模型

图6 支架简化模型

图7 支架有限元模型

3.2 定义单元类型、材料参数及截面形状

桁架结构单元类型定义为beam189［6］，Q235钢的力学性能参数如表4。顶层平台的主梁为结构用冷弯矩形空心型钢，截面尺寸：长w1＝0.3m，宽w2＝0.2m，壁厚t1＝t2＝t3＝t4＝0.008m。斜撑均为结构用冷弯矩形空心型钢，截面尺寸：长w1＝0.09 m，宽w2＝0.05m，壁厚t1＝t2＝t3＝t4＝0.005m。

表4 Q235钢的力学性能参数

3.3 约束边界条件

支架的实际约束边界条件是底座与地面为全约束；第1层间隔架与基座用4只销轴固定；间隔架、顶层平台彼此之间由柱销定位，6只U 形螺栓（每边有2只）固定，U 形螺栓与立柱中心的距离为220 mm。可将支架有限元模型底部与底座相连接的4个节点进行位移全约束，基座、间隔架、顶层平台之间作刚性连接处理［7］。

3.4 计算结果及强度校核

1）Pz达到最大值时，顶层平台计算结果如图8。由图8a知：矩形钢承受的最大应力为98 MPa，低于钢材的屈服强度σs＝235 MPa。由图8b知：沿z向最大位移为5.16mm，小于允许位移［δ］＝10.4 mm。因此，顶层平台结构强度满足要求。

图8 顶层平台计算结果

2）F 达到最大值时［8］，支架沿x 向最大位移（挠度）约为17.8mm，小于允许位移［δ］＝45mm。从支架顶部往基座位方向的位移量逐渐减小，其位移云图如图9。与支架的高度13730 mm 相比，17.8mm的位移量较小，支架刚度能够满足使用要求。

图9 支架x 向位移云图

4 基本风速条件下鹅颈角优选

在其他条件不变、风载变为塔里木地区基本风速时，分析随鹅颈角θ改变的Fx＝F2cosθ对支架变形（主要指x 方向位移）的影响，为实际作业优选鹅颈角提供指导。表5为塔里木地区基本风速数据［8］（1971—2000年资料统计）。

图10分别为θ＝30°、35°、40°、45°时支架在x 方向上的位移云图。经计算，在塔里木地区基本风速下，随着鹅颈角θ从30°逐渐变大至45°，支架在x 向的最大位移值不断减小，分别为6.42、6.31、6.18、6.05mm，变化幅度不明显，也都远小于12级风力时的最大位移（17.8mm）和允许位移［δ］。

表5 塔里木地区基本风速数据

图10 基本风速下不同鹅颈角时支架x 向位移云图

5 结论

1）本文介绍的塔式支架是用于支撑、连接、固定连续油管作业车注入头。支架整体结构采用独特的单边开口π型框架，安装形式采用积木搭接方式，简便快捷。既可将各部件吊运至井口上方后逐层安装，也可从水平方向将组装好的支架整体拖拽至井口。塔式支架能从根本上解决了连续油管作业车修井、测试时存在的安全问题，同时将吊车解放出来去从事其他工作，降低了成本。

2）有限元分析结果表明：支架的强度和刚度能满足塔里木油田大北、克深区块油气井在最恶劣工况下的带压修井、测试作业要求。

3）在塔里木地区基本风速下，鹅颈角在范围内变化，对支架的变形影响可以忽略。

4）存在的问题：没有设计、安装逃生通道和安全带专用挂钩，存在一定安全隐患；主要部件尺寸超宽，拆装、搬运比较慢，工作效率较低。

5）为了能从事更多、更为复杂的油田作业，应在支架的人机界面（安全舒适性、友好性、易操作性）、小型化（结构优化、模块化）、智能化（压力传感、视频监控、数据收集与处理、远程控制）、多功能化（完井、应急抢险）等方面作更深入的研究。

［1］魏忠.滴西1701井连续油管冲砂的认识［J］.油气井测试，2012（1）：65－66.

［2］张策.机械原理与机械设计［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］袁东锦.计算方法［M］.南京：南京师范大学出版社，2004.

［4］成大先，王德夫，姬奎生，等.机械设计手册［K］.北京：化学工业出版社，2005.

［5］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1996.

［6］曾攀.有限元分析与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［7］金嘉琦，朱思颢.车载式不压井修井机井架应力及动力特性分析［J］.石油矿场机械，2012，41（4）：61－64.

［8］田莉，奚晓霞.近50年西北地区风速的气候变化特征［J］.安徽农业科学，2011（32）：415－418.