基于理论分析的锚定技术安全改进

2016-03-17刘野大庆钻探工程公司钻井生产技术服务一公司

石油石化节能 2016年2期

刘野（大庆钻探工程公司钻井生产技术服务一公司）

基于理论分析的锚定技术安全改进

刘野（大庆钻探工程公司钻井生产技术服务一公司）

摘要：修井机是油田井下作业装备，其主要承受载荷的部分是作业井架，由于作业井架为空间钢架结构，所以需要用地锚桩及绷绳作为井架的辅助支撑。固定井架所用地锚桩为Ø76 mm的油管桩，通过绷绳来固定井架。针对地锚桩的受力特点设计了一种新型的地锚及绳套固定装置。通过理论分析以及现场应用证明，该新型地锚可以有效地节约作业准备时间，降低劳动强度，并且可以保证作业安全。

关键词：地锚桩；固定装置；理论分析；作业安全

随着井下生产的不断发展，在井下作业中，需要地锚桩进行固定的设备越来越多。除通常的18 m固定井架外，新增了车载井架（通井机、修井机）、带压作业设备等[1]。由于始终没有1套针对地锚工作时的理论分析和地锚桩绳套的安全固定装置，给井下作业生产带来了一些不安全隐患和阻碍。通过ANSYS软件进行有限元分析以及作业施工中井架绷绳的受力分析，对锚定技术进行改进。

1　技术创新点与特性

传统的地锚桩和滑兰螺丝要用钢丝绳和绳卡子固定，即用钢丝绳穿入地锚桩的孔中。当作业队搬家准备时将绳套进行安装固定，但传统的地锚由于与地面接触面积小，存在施工过程中被拔出来的危险；并且使用时钢丝绳与地锚桩的孔会发生应力集中的现象，钢丝绳使用几次后就会变形产生死弯，这样在打绳套时钢丝绳就不会均匀受力，增加了安全隐患[1]，见图1。绳卡子和绳套经常拆装容易损坏，从而要多次更换绳卡子和绳套，增加了施工成本；而每口井都要装拆一次，也增加了劳动强度。

改进的新型地锚采用加大叶片的地锚，其绳套固定装置（图2）由大、小2套固定环套装置组成。大固定环套由大固定环、固定销和安全销3部分组成，其在螺旋地锚使用时起安全保险的辅助作用。小固定环套由小固定环、固定销和安全销3部分组成，其用于螺旋地锚的钢丝绳套固定。在施工过程中可以节省准备、收尾的时间，同时还避免了因点蚀的疲劳强度造成绳套断裂，以及绳卡子拆卸过程中造成的丢失。

图1　地锚桩直接与绳套配合使用

图2　地锚绳套固定装置

2　理论分析

2.1地锚绳套固定装置受力

大钩载荷500 kN，井架规定的倾斜度应不大于3.5°，作业深度小于3500 m。表1给出了井架型号与地锚桩之间的距离。

表1　井架型号与地锚桩之间的距离

在井下作业施工时，井架绷绳主要是后绷绳受力，地锚与绳套的接触方式为线接触（图3）。

图3　改变前地锚受力

大钩载荷500 kN时，绷绳对绳套的剪切力经计算为N1= 1.88 t = 18.43 kN，绳套与地锚的2侧杆体接触受力，1侧的剪切力N1'= 9.22 kN。根据地锚绳套的特性及接触方式，地锚绳套容易断裂，造成施工危险。

将绳套与地锚的接触方式由线接触改为面接触，如图4所示。在相同的受力情况下，面接触可以改善线接触的局部受力、应力集中等缺陷，设计的地锚绳套固定装置改变了传统的拆卸绳卡子、重新打绳套等易造成绳套断裂的操作。

图4　改变后地锚受力

改变地锚绳套的接触方式可以增大地锚绳套与地锚的摩擦力，因此要考虑面接触的情况下，地锚绳套固定装置强度，地锚与地的接触力是否满足要求。

对地锚绳套固定装置进行强度计算，材料强度的计算主要表现在以下2个方面：

◇剪切强度

εφ28= Q/A = 14.98 MPa；δφ22= Q/A = 24.27 MPa

◇屈服强度

δφ28= Q/A = 32.27 MPa；δφ22= Q/A = 41.08 MPa

根据公式计算出来的剪切强度和屈服强度均不超出常规抽油杆产品技术参数表中给出的数值，因此，所设计的地锚绳套固定装置是安全可靠的（图5）。

2.2地锚桩与土体之间的有限元

地锚桩：ϕ104 mm，打入地下2.1 m，弹性模量2.2×1011Pa，泊松比0.3。

土体：选择黏土，摩擦角φ= 14°，膨胀角φf= 0°，黏聚力3.2×104，泊松比0.15，弹性模量3.56×104Pa，土的密度1800 kg/m3。

图5　常规锚定桩示意图

软件采用ansys13.0。在目前的通用与专用有限元分析软件中，ansys软件是最为通用有效的商业有限元软件之一，可以直接利用此模型进行桩土受力模拟。

地锚桩桩土模型建立方法：

1）土体、桩体均采用三维实体PLANE42单元，按照实际尺寸进行绘图建模，并采用手动完成网格划分。

2）土体采用Drucker- Prager模型及准则。Drucker-Prager材料模型是适用于岩土类材料的弹塑性本构模型，其参数主要包括黏聚力、内摩擦、膨胀角，但模型参数较少。它的最大特点是考虑静水压力对屈服强度的影响，在计算机上比较容易实现，已经积累了许多数值计算经验；同时也考虑了岩土材料特有的剪胀性。

根据以上条件建立模型。土体是1个半径为2500 mm的半圆平面，地锚桩取中心剖面长2500 mm、宽73 mm的长方体，采用手动划分网格，共划分1837个单元，在桩的顶部施加50 kN的向上拉力。

计算结果：

1）受力之后变形。虚线为地锚桩上拔前的状态，实线是地锚桩上拔后的状态。从图6可以看出，地锚桩桩体有1个明显的拔出状态。

图6　地锚与土受力变形

2）查看在桩体上节点的位移。表2中的节点219和节点143均是地锚桩桩体上的节点，其中节点219是地锚桩上部的点，节点143是地锚桩地面以下的点。由于地锚桩的桩体强度远大于土的强度，所以桩上节点位移相差不大。当时间在1 s时，地锚桩此时的位移已经达到105 mm，大大超过了允许的位移量，此时地锚桩是不安全的。

传统地锚与土接触面小，导致地锚受力会随着时间的增加而被拔出。对地锚桩体进行有限元分析，发现地锚直径由ϕ104加大到ϕ120可以有效缓解地锚被拔出的危险。为了改进地锚与土的接触面积，制作了加大叶片地锚，将地锚的叶片直径由ϕ104加大到ϕ120，地锚本体从钢筋改为厚5 mm的叶片（图7），这样既有利于地锚的旋入，也加大了地锚与土的接触面积。利用上述条件，对改进后的地锚进行分析，划分的方法与上述方法一致，改进后的地锚受力变形如图7所示。