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基于理論分析的錨定技術(shù)安全改進(jìn)

文檔作者：劉野文檔來(lái)源：大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)一公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年08月02日
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環(huán)保安全/ Environment Protection&amp;amp; Security
基于理論分析的錨定技術(shù)安全改進(jìn)
劉野(大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)一公司)
摘要:修井機(jī)是油田井下作業(yè)裝備,其主要承受載荷的部分是作業(yè)井架,由于作業(yè)井架為
空間鋼架結(jié)構(gòu),所以需要用地錨樁及繃?yán)K作為井架的輔助支撐。固定井架所用地錨樁為076mm
的油管樁,通過(guò)繃?yán)K來(lái)固定井架針對(duì)地錨樁的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型的地錨及繩套固定裝
置。通過(guò)理論分析以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明,該新型地錨可以有效地節(jié)約作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間,降低勞動(dòng)強(qiáng)
度,并且可以保證作業(yè)安全
關(guān)鍵詞:地錨樁;固定裝置;理論分析;作業(yè)安全
D01:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.015
隨著井下生產(chǎn)的不斷發(fā)展,在井下作業(yè)中,需因點(diǎn)蝕的疲勞強(qiáng)度造成繩套斷裂,以及繩卡子拆卸
要地錨樁進(jìn)行固定的設(shè)備越來(lái)越多。除通常的18m過(guò)程中造成的丟失
固定井架外,新增了車(chē)載井架(通井機(jī)、修井
機(jī))、帶壓作業(yè)設(shè)備等。由于始終沒(méi)有1套針對(duì)地
錨工作時(shí)的理論分析和地錨樁繩套的安全固定裝
置,給井下作業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了一些不安全隱患和阻
礙。通過(guò) ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析以及作業(yè)施
工中井架繃?yán)K的受力分析,對(duì)錨定技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。
1技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)與特性
傳統(tǒng)的地錨樁和滑蘭螺絲要用鋼絲繩和繩卡子
固定,即用鋼絲繩穿入地錨樁的孔中。當(dāng)作業(yè)隊(duì)搬
家準(zhǔn)備時(shí)將繩套進(jìn)行安裝固定,但傳統(tǒng)的地錨由于
圖1地錨樁直接與繩套配合使用
與地面接觸面積小,存在施工過(guò)程中被拔出來(lái)的危
「模擬鋼絲繩套
險(xiǎn);并且使用時(shí)鋼絲繩與地錨樁的孔會(huì)發(fā)生應(yīng)力集
中的現(xiàn)象,鋼絲繩使用幾次后就會(huì)變形產(chǎn)生死彎,
大固定銷(xiāo)
這樣在打繩套時(shí)鋼絲繩就不會(huì)均勻受力,增加了安
安全銷(xiāo)穿入點(diǎn)
全隱患,見(jiàn)圖1。繩卡子和繩套經(jīng)常拆裝容易損
小固定銷(xiāo)
壞,從而要多次更換繩卡子和繩套,增加了施工成
安全銷(xiāo)穿入點(diǎn)
小固定環(huán)
本;而每口井都要裝拆一次,也增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。
改進(jìn)的新型地錨采用加大葉片的地錨,其繩套
大固定環(huán)
固定裝置(圖2)由大、小2套固定環(huán)套裝置組
成。大固定環(huán)套由大固定環(huán)、固定銷(xiāo)和安全銷(xiāo)3部
分組成,其在螺旋地錨使用時(shí)起安全保險(xiǎn)的輔助作
圖2地錨繩套固定裝置
用。小固定環(huán)套由小固定環(huán)、固定銷(xiāo)和安全銷(xiāo)3部2理論分析
分組成,其用于螺旋地錨的鋼絲繩套固定。在施工
過(guò)程中可以節(jié)省準(zhǔn)備、收尾的時(shí)間,同時(shí)還避免了2.1地錨繩套固定裝置受力
大鉤載荷500kN,井架規(guī)定的傾斜度應(yīng)不大于
作者簡(jiǎn)介:劉野,2008年畢業(yè)于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),現(xiàn)從事鉆井
現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān),-maiy98 e-mail: sxy4998688@vip.sina.com, : 3.5, m.地址:黑3.5°,作業(yè)深度小于3500m。表1給出了井架型號(hào)
龍江省大慶市紅崗區(qū)鉆技公司固井二隊(duì),163358
與地錨樁之間的距離。
石油石化節(jié)能www. www.syshJn.com.com
39
劉野:基于理論分析的錨定技術(shù)安全改進(jìn)第6卷第2期
表1架型號(hào)與地錨樁之間的距離
要求。
前地錨樁與前地錯(cuò)樁后地錯(cuò)樁與后地錨樁
對(duì)地錨繩套固定裝置進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,材料強(qiáng)月
井架型號(hào)
口距離/m之間的距離m井口的距離/m之間的距離m的計(jì)算主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面
18-2216-2018-2010-16
◇剪切強(qiáng)度
BJ-18
2022
14~18
=qA=14.98Ma;=qA=24.27MPa
BJ-29
28-3030-3228-3216-20
30-3232-3430-3416-20
◇屈服強(qiáng)度
8=Q=32.27mpa;=Q/A=41.08MPa
在井下作業(yè)施工時(shí),井架繃?yán)K主要是后繃?yán)K受
根據(jù)公式計(jì)算出來(lái)的剪切強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均不
力,地錨與繩套的接觸方式為線接觸(圖3)。
超出常規(guī)抽油桿產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)表中給出的數(shù)值,因
此,所設(shè)計(jì)的地錨繩套固定裝置是安全可靠的(圖5)。
2.2地錨樁與土體之間的有限元
地錨樁:104mm,打入地下2.1m,彈性模
量2.2×10Pa,泊松比0.3
線接觸
土體:選擇黏土,摩擦角=14°,膨脹角
=0°,黏聚力3.2×10°,泊松比0.15,彈性模量
3.56×10a,土的密度1800kg/m3。
圖3改變前地錨受力
y=sin45°
由公式n90可以得出
N2sin45°
N=sin90=1.88=18.43kN,其中N為繃?yán)K
圖5常規(guī)錨定樁示意圖
對(duì)繩套的剪切力,N2為繃?yán)K的拉力。
軟件采用 ansys113.0。在目前的通用與專用有限
大鉤載荷500kN時(shí),繃?yán)K對(duì)繩套的剪切力經(jīng)計(jì)元分析軟件中, ansys軟件是最為通用有效的商業(yè)
算為N1=1.88t=18.43kN,繩套與地鋪的2側(cè)桿體有限元軟件之一,可以直接利用此模型進(jìn)行樁土受
接觸受力,1側(cè)的剪切力N1=9.22kN。根據(jù)地錨繩力模擬。
套的特性及接觸方式,地錨繩套容易斷裂,造成施
地錨樁樁土模型建立方法:
工危險(xiǎn)。
1)土體、樁體均采用三維實(shí)體PLANE42單
將繩套與地錨的接觸方式由線接觸改為面接元,按照實(shí)際尺寸進(jìn)行繪圖建模,并采用手動(dòng)完成
觸,如圖4所示。在相同的受力情況下,面接觸可網(wǎng)格劃分。
以改善線接觸的局部受力、應(yīng)力集中等缺陷,設(shè)計(jì)2)土體采用Drucker-Prager-模型及準(zhǔn)則
的地錨繩套固定裝置改變了傳統(tǒng)的拆卸繩卡子、重 Drucker-Prager-材料模型是適用于巖土類材料的彈
新打繩套等易造成繩套斷裂的操作。
塑性本構(gòu)模型,其參數(shù)主要包括黏聚力、內(nèi)摩擦、
膨脹角,但模型參數(shù)較少。它的最大特點(diǎn)是考慮靜
水壓力對(duì)屈服強(qiáng)度的影響,在計(jì)算機(jī)上比較容易實(shí)
面接觸
現(xiàn),已經(jīng)積累了許多數(shù)值計(jì)算經(jīng)驗(yàn);同時(shí)也考慮了
巖土材料特有的剪脹性。
根據(jù)以上條件建立模型。土體是1個(gè)半徑為
2500mm的半圓平面,地錨樁取中心剖面長(zhǎng)2500
mm、寬73mm的長(zhǎng)方體,采用手動(dòng)劃分網(wǎng)格,共
圖4改變后地錨受力
劃分1837個(gè)單元,在的頂部施加50kN的向上
改變地錨繩套的接觸方式可以增大地錨繩套與拉力。
地錨的摩擦力,因此要考慮面接觸的情況下,地錨計(jì)算結(jié)果:
繩套固定裝置強(qiáng)度,地鋪與地的接觸力是否滿1)受力之后變形。虛線為地錨樁上拔前的狀
40
石油石化節(jié)www. www.syshJn.com.com
環(huán)保安全/ Environment Protection&amp;amp; Security
態(tài),實(shí)線是地錨樁上拔后的狀態(tài)。從圖6可以看
出,地錨樁樁體有1個(gè)明顯的拔出狀態(tài)。
圖8改進(jìn)后地錨與土受力變形
由圖8可以看出,在50kN力的作用下,0.8s
以后節(jié)點(diǎn)位移的變化量幾乎不變,多次施加向上的
圖6地錨與土受力變形
力均無(wú)變化,此時(shí)地錨樁是安全的。
2)查看在樁體上節(jié)點(diǎn)的位移。表2中的節(jié)點(diǎn)3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
219和節(jié)點(diǎn)143均是地錨樁樁體上的節(jié)點(diǎn),其中節(jié)
新型地錨樁的使用情況如表3、表4所示。
點(diǎn)219是地錨樁上部的點(diǎn),節(jié)點(diǎn)143是地錨樁地面
以下的點(diǎn)。由于地錨樁的樁體強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土的強(qiáng)
表3繩套固定裝置使用前后效果
度,所以樁上節(jié)點(diǎn)位移相差不大。當(dāng)時(shí)間在1s對(duì)比定方式
勞動(dòng)強(qiáng)度
錯(cuò)定安全性
時(shí),地錨樁此時(shí)的位移已經(jīng)達(dá)到105mm,大大超使
需要拆、打繩卡64高空作業(yè)頻次高,
過(guò)了允許的位移量,此時(shí)地錨樁是不安全的。
用
個(gè),調(diào)整繩長(zhǎng)度8繩套受力不均勻,
傳統(tǒng)地錨與土接觸面小,導(dǎo)致地錨受力會(huì)隨著前
次
繃?yán)K樁眼強(qiáng)度低
時(shí)間的增加而被拔出。對(duì)地錨樁體進(jìn)行有限元分使
免拆裝繩卡子
避免高空作業(yè),繩
析,發(fā)現(xiàn)地錨直徑由中104加大到中120可以有效用
,短立放井套受力均勻,避免
架準(zhǔn)備時(shí)間和收
緩解地錨被拔出的危險(xiǎn)。為了改進(jìn)地錨與土的接觸后
點(diǎn)接觸受力
尾時(shí)間達(dá)15h
面積,制作了加大葉片地錨,將地錨的葉片直徑由
表4加大葉片地錨使用前后效果
中104加大到中120,地錨本體從鋼筋改為厚5mm
對(duì)比
類型
旋入程度安全性
的葉片(圖7),這樣既有利于地錨的旋入,也加大
使用前
較易隱患
了地錨與土的接觸面積。利用上述條件,對(duì)改進(jìn)后
的地錨進(jìn)行分析,劃分的方法與上述方法一致,改使用后
容易安全
進(jìn)后的地錨受力變形如圖7所示。
新型地錨及繩套固定裝置的使用不僅提高了安
表2模型受力時(shí)間位移對(duì)應(yīng)值
全性,而且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。
時(shí)間
219位移/mm
143位移/mm4結(jié)論
0.1
10.03
10.03
0.2
20.16
20.16
利用力學(xué)分析和有限元分析軟件,對(duì)地錨進(jìn)行
0.3
30.39
30.39
了安全改進(jìn),并研制了新型地錨繩套固定裝置。該
0.4
40.73
40.74
裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好,節(jié)省了施工準(zhǔn)備和收尾的
0.5
51.18
51.19
時(shí)間,降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度,減少了因點(diǎn)蝕的疲
0.6
61.74
61.74
0.7
7241
72.41
勞強(qiáng)度造成的繩套斷裂、繩卡子丟失等經(jīng)濟(jì)損失,
0.8
83.18
83.19
提高了修井作業(yè)的安全性。
0.9
94.06
94.07
參考文獻(xiàn):
1.0
105.07
105.07
1]胡黎明,濮家土與結(jié)構(gòu)物接觸面物理力學(xué)特性試驗(yàn)研
究巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(4):431-435
收稿日期2015-04-21
圖7改進(jìn)后的加大葉片地錨
(編輯李梅)

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