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井架和底座承载能力测试及安全性评估方法研究

文档作者：王紫阳杨本灵胡建启刘保余郏伯瀚文档来源： 1．中石化管道储运公司 2．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司 3．中国石油西北销售分公司		点击数：	更新时间： 2021年07月12日
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2012年第41卷
第6期第88页
石油矿场机械
OIL FIELD EQUIPMENT
文章编号：100卜3482(2012)06 0088—03
井架和底座承载能力测试及安全性评估方法研究
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必威体育官方网站
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)
摘要：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。
关键词：井架；底座；安全；评估方法
中图分类号：TE923．07 文献标识码：A
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口_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 ]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E2oo5~34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>10 a的钻机、
修井机，要求每2 a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、Ⅳ 4个级别。
1．2 近3 a检测评估结果
表1～2为中石油集团近3 a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3 a
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142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
收稿日期：2Ol2-03—2o
作者简介：王紫阳(1967一)，女，浙江宁波人，工程师，主要从事技术管理工作。
第41卷第6期 王紫阳，等：井架和底座承载能力测试及安全性评估方法研究 ‘89‘
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
年份— — l— — — —
2008 32 101 55 2 25 120 44 2
2009 43 39 52 1 30 65 39 1
2O1O 82 87 35 58 117 29
合计 157 227 142 3 113 302 112 3
占比／ 29．7 42．9 26．9 0．5 21．3 57．0 21．1 0．5
52
90
88
23O
44．1
61
49
62
172
32．9
30
34
49
113
21．7
1
1
4
6
1．2
35
24
43
1O2
19．5
75
1O3
1OO
278
53．3
33
46
56
135
25．9
1
1
4
6
1．2
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1 d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1 000 kN
载荷时向左前方偏移约300 mm，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
∞ ∞ 计
石油矿场机械 2O12年6月
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。
4 相似模型的测试及有限元验证
为了便于对井架底座进行系统研究和室内试
验，制做了1：8的JJ225／43一K型井架相似模型，可
以做6方面的研究。为现场测试和评估提供理论
依据。
1) 用有限元方法分别计算模型井架和实际井
架各个节点的应力分布，并进行对比分析。
2) 给模型井架加载，利用应力测试的方法测
取各个节点的受力情况，并与有限元计算的数值进
行对比。
3) 给模型井架加载，测取各个节点的变形情
况，建立井架变形与载荷变化关系。
4) 给模型井架加载，利用激光测距和数值拟
合的方法得到该模型井架的边界条件，进行有限元
计算，并与应力测试的结果进行对比。
5) 对模型井架不同部位的杆件进行人为损
伤，利用激光测距和数值拟合的方法进行承载能力
测试，从而得到杆件损伤后对井架底座承载能力的
影响。
6) 对该模型井架设置安装缺陷，利用激光测
距和数值拟合的方法进行承载能力测试，从而得到
井架安装缺陷对承载能力的影响。
5 结论
1) 目前普遍采用的以应力测试为主的井架、
底座承载能力评估方法尚有不足，不能完全满足现
场需要。
2) 由于现场的井架、底座种类多，型号复杂，
很难建立有限元模型及边界条件，因此有限元方法
也不能满足现场对井架、底座的安全评估要求。
3) 通过建立相似模型及室内试验，采用应力
测试、激光测距、有限元分析，研究构件损伤、变形对
井架承载能力的影响，为现场评估提供依据。
4) 安装误差会降低井架底座的承载能力，并
影响评估结论。
参考文献：
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E4] 邹龙庆，付海龙，王明．ZJlSD型石油钻机井架的瞬态
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[5] 杨慧，周国强．jJ225／43一K 型井架模型试验研究[J]．
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