王孟法，方太安，韩 兴，周志雄，郑文培，丁欢欢

（中国石油集团康布尔石油技术发展有限公司，北京100120） ①

提高JJ170／41－K型井架承载能力的方法及安全评定

王孟法，方太安，韩 兴，周志雄，郑文培，丁欢欢

（中国石油集团康布尔石油技术发展有限公司，北京100120）①

为了提高JJ170／41－K型井架的承载能力，在大腿翼板焊接钢板来补强。通过应力测试，结合有限元分析结果对该井架进行安全评定。结果表明，技术改造后井架的承载能力可提高20%，满足了钻深井的要求。

井架；应力分析；技术改造；安全评定

钻机井架作为钻井设备中的关键部分，其强度、稳定性是否符合要求，关系到能否保证安全作业［1］。长庆油田某钻井队钻机井架为JJ170／41－K型，承载能力为1 700kN。为提高其承载性能，达到深井钻井作业要求，对井架进行技术改造，即，在原井架每根大腿翼板两侧加焊了厚度为15mm，宽为250 mm的钢板（钢材为Q235，大腿截面如图1），井架提升系统由原先的4×5轮系升级为5×6轮系。技术改造后井架的承载能力是否达到2 250kN，需进行安全评定。

井架安全评定分为强度检验和稳定性检验2部分。应用ANSYS软件建立改造后井架的有限元模型，对井架承载能力进行理论分析。通过现场应力、应变测试，评定井架实际承载性能。综合2种计算结果，检验井架技术改造方案的可行性。

图1 JJ170／41－K型井架大腿截面加强示意图

1 现场测试及评定

1.1 测试仪器

1） 传感器 电阻值为120，灵敏系数为2.15的箔式电阻应变计。

2） 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。

3） 计算机 DELL笔记本电脑。

4） 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

分别在井架Ⅱ－1节中部和二层台位置2处、原井架大腿及加强钢板2处布点（如图2），总共64个布点（如图3）。各测点均采用半桥工作，每个层位布点保持在同一水平面，布点、打磨、清洗、贴片、保护、连线、调试、初始化测量，达到规定要求。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井架设计最大钩载的25%，不小于3个载荷级别。对井架进行应变、应力测试，重复3次。

图2 井架测试时传感器布点位置

图3 加强井架大腿应力测试布点方法

1.3 测试数据

测试时，大钩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。测试3组，每次测试调整3次载荷点，测试相应的载荷和应变值，取其合适的数值进行计算。部分测试数据曲线如图4。图中纵坐标为应变，单位με，横坐标为时间，单位s。选取合理测试数据，如表1。

图4 部分井架大腿应变测试曲线

表1 加强后井架部分应变测试数据 με

1.4 承载能力评定

根据中国石油集团公司《钻机、修井机设备评估工作规范》中井架强度校核标准，对井架原大腿测试数据进行井架强度计算，对应的钩载为3 425kN，除以安全系统经验值1.67［2］，最终评定加强后井架承载能力为2 050kN。对翼板加厚钢板测试数据进行井架强度计算，其载荷为3 376kN。综合加强井架的原井架大腿及加强钢板测试数据计算结果，可评定加强后井架承载能力为2 020kN。

2 有限元分析

2.1 技术改造后井架的基本参数

井架为K型结构，工作高度41m，顶部跨距（正面侧面）1.8m×2.0m，底部跨距7.0m；二层台安装高度25.5、24.5、23.5m；人字架高度6m。主大腿为H型钢，材料为Q345B。在每根大腿翼板两侧焊接加强板，厚度为15mm，宽为250mm，材料为Q235。

2.2 模型简化

为保证建立的井架模型在满足要求的同时，尽可能符合实际结构，对井架做了如下简化［3－4］：

1） 工作梯、护拦等附件对井架的承载能力影响较小，忽略不计；二层台、天车自重力视为集中载荷分配于相应的结点位置。

2） 将井架本体简化为空间刚架结构，并采用空间梁单元为基本单元。

3） 简化后的四部分之间视为可靠连接，在强度上为一体结构。

选择井架各构件的自然焊接点作为有限元结构模型的节点，选取双角钢、圆钢自定义截面梁定义空间梁单元，并构建特殊型截面空间梁单元模拟改造后井架大腿。井架有限元模型共划分为104个结点，21方向关键点，508个单元，各杆件均采用Q345钢。

2.3 承载能力分析

2.3.1 静态分析

在钩载600、900、1 200、1 500、1 700、2 000kN 6种工况下计算井架的应力，结果如表2。

表2 6种工况下井架应力值

结果表明，应力值与井架钩载呈良好线性关系，可推算钩载4 000kN时，即将达到井架材料的屈服极限（345MPa），并求得钩载为4 000kN时，最大应力为325MPa（如图5），安全系数取经验值1.67，可得井架承载能力为2 542kN。

图5 4 000kN钩载时井架应力分布云图

2.3.2 稳定性分析

K型井架正面底部开档尺寸与其高度比约为1∶6，其侧向形状尺寸最大值与其高度比仅为1∶16，是一种容易失稳的高耸结构。因此，稳定性分析在井架承载能力分析中是必要的。对井架屈曲分析以确定它的失稳条件及临界载荷，在2 000kN钩载作用下，计算的前6阶屈曲特征值如表3。

表3 井架的屈曲分析特征值

根据公式［5－7］

可求得井架临界承载为3 715kN，考虑井架安全系统，可评定井架承载能力为2 224kN。

2.3.4 起升性能分析

对改造前、后井架起升瞬间进行了模拟分析，其应力分布如图6～7。

图6 整改前井架起升瞬间应力云图

图7 整改后井架起升瞬间应力云图

对比分析，整改前、后井架起升应力分布，可知整改后井架起升安全性能降低。

3 结论

1） 根据现场应力、应变测试结果，可评定加强后井架的承载能力为2 020kN。

2） 根据有限元软件分析结果，可评定加强后井架承载强度为2 542kN，考虑井架稳定性，综合评定井架承载能力为2 224kN。

3） 根据现场井架承载能力评定及理论分析，评定加强后井架承载能力为2 020kN。

4） 井架承载能力理论分析值大于实际测试评定结果，其误差约为10%。是由于理论分析建模计算时，对井架附件的简化及现场工况的理想处理造成，但属于工程误差范围内，认为可接受。

5） 分析结果表明，在井架大腿焊接加强钢板提高了其承载能力。但由于加强钢板的重力，降低了井架的起升安全性能。

6） 通过焊接加强钢板的方法提升井架承载能力，为降级或损伤报废井架的二次利用提供了参考。

［1］ 赵焕娟，齐明侠，赵 娜.钻机井架的可靠性分析［J］.石油矿场机械，2010，39（3）：22－27.

［2］ Roger L，Brockenbrough Frenerick S Merritt.Structrual steel designer’s handbook［K］.2006：367－378.

［3］ 薛继军，许爱荣.钻机井架有限元模态分析［J］.石油矿场机械，2001，30（6）：44－46.

［4］ 王孟法.含结构损伤K型井架承载能力研究［D］.长江大学，2010.5：34－35.

［5］ 范祖尧，郁永熙.结构力学［M］.北京：机械工业出版社，1980：177－193.

［6］ 钟万勰，丁殿明.计算杆系结构力学［M］.北京：水利电力出版社，1982：113－121.

［7］ 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践［M］.西安：西安工业大学出版社，1998：133－138.

Carrying Capacity Analysis for JJ170／41－K Drilling Derrick

WANG Meng－fa，FANG Tai－an，HAN Xing，ZHOU Zhi－xiong，ZHENG Wen－pei，DING Huan－huan
（CNPC KEMBL Petroleum Technology Co.，Ltd.，Beijing100120，China）

In order to increase the bearing capacity of derrick JJ170／41－K，some drilling crews weld steel plates to thigh wings.Based on derrick stress test at drilling site and finite element method，the carrying capacity of rectified derrick is evaluated.The result shows that the bearing capacity of the rectified derrick is 20%increased and meeting the requirement of drilling depth well.

derrick；stress analysis；technical reform；safety evaluation

1001－3482（2012）04－0053－04

TE923

A

2011－10－12

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“在役钻机安全评定方法研究”（03B209000）

王孟法（1984－），男，山东菏泽人，硕士，2010年毕业于长江大学，现主要从事石油钻井设备的安全评估等工作，E－mail：kembl＿wmf＠126.com。