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基于理論分析的錨定技術安全改進

文檔作者：劉野文檔來源：大慶鉆探工程公司鉆井生產技術服務一公司		點擊數(shù)：	更新時間： 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安全改進
劉野(大慶鉆探工程公司鉆井生產技術服務一公司)
摘要:修井機是油田井下作業(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
空間鋼架結構,所以需要用地錨樁及繃繩作為井架的輔助支撐。固定井架所用地錨樁為076mm
的油管樁,通過繃繩來固定井架針對地錨樁的受力特點設計了一種新型的地錨及繩套固定裝
置。通過理論分析以及現(xiàn)場應用證明,該新型地錨可以有效地節(jié)約作業(yè)準備時間,降低勞動強
度,并且可以保證作業(yè)安全
關鍵詞: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
隨著井下生產的不斷發(fā)展,在井下作業(yè)中,需因點蝕的疲勞強度造成繩套斷裂,以及繩卡子拆卸
要地錨樁進行固定的設備越來越多。除通常的18m過程中造成的丟失
固定井架外,新增了車載井架(通井機、修井
機)、帶壓作業(yè)設備等。由于始終沒有1套針對地
錨工作時的理論分析和地錨樁繩套的安全固定裝
置,給井下作業(yè)生產帶來了一些不安全隱患和阻
礙。通過 ANSYS軟件進行有限元分析以及作業(yè)施
工中井架繃繩的受力分析,對錨定技術進行改進。
1技術創(chuàng)新點與特性
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。當作業(yè)隊搬
家準備時將繩套進行安裝固定,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,存在施工過程中被拔出來的危
「模擬鋼絲繩套
險;并且使用時鋼絲繩與地錨樁的孔會發(fā)生應力集
中的現(xiàn)象,鋼絲繩使用幾次后就會變形產生死彎,
大固定銷
這樣在打繩套時鋼絲繩就不會均勻受力,增加了安
安全銷穿入點
全隱患,見圖1。繩卡子和繩套經(jīng)常拆裝容易損
小固定銷
壞,從而要多次更換繩卡子和繩套,增加了施工成
安全銷穿入點
小固定環(huán)
本;而每口井都要裝拆一次,也增加了勞動強度。
改進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)、固定銷和安全銷3部
分組成,其在螺旋地錨使用時起安全保險的輔助作
圖2地錨繩套固定裝置
用。小固定環(huán)套由小固定環(huán)、固定銷和安全銷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
過程中可以節(jié)省準備、收尾的時間,同時還避免了2.1地錨繩套固定裝置受力
大鉤載荷500kN,井架規(guī)定的傾斜度應不大于
作者簡介:劉野,2008年畢業(yè)于黑龍江八一農墾大學,現(xiàn)從事鉆井
現(xiàn)場施工監(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
龍江省大慶市紅崗區(qū)鉆技公司固井二隊,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安全改進第6卷第2期
表1架型號與地錨樁之間的距離
要求。
前地錨樁與前地錯樁后地錯樁與后地錨樁
對地錨繩套固定裝置進行強度計算,材料強月
井架型號
口距離/m之間的距離m井口的距離/m之間的距離m的計算主要表現(xiàn)在以下2個方面
18-2216-2018-2010-16
◇剪切強度
BJ-18
2022
14~18
=qA=14.98Ma;=qA=24.27MPa
BJ-29
28-3030-3228-3216-20
30-3232-3430-3416-20
◇屈服強度
8=Q=32.27mpa;=Q/A=41.08MPa
在井下作業(yè)施工時,井架繃繩主要是后繃繩受
根據(jù)公式計算出來的剪切強度和屈服強度均不
力,地錨與繩套的接觸方式為線接觸(圖3)。
超出常規(guī)抽油桿產品技術參數(shù)表中給出的數(shù)值,因
此,所設計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為繃繩
圖5常規(guī)錨定樁示意圖
對繩套的剪切力,N2為繃繩的拉力。
軟件采用 ansys113.0。在目前的通用與專用有限
大鉤載荷500kN時,繃繩對繩套的剪切力經(jīng)計元分析軟件中, 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側桿體有限元軟件之一,可以直接利用此模型進行樁土受
接觸受力,1側的剪切力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。
1)土體、樁體均采用三維實體PLANE42單
將繩套與地錨的接觸方式由線接觸改為面接元,按照實際尺寸進行繪圖建模,并采用手動完成
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、應力集中等缺陷,設計2)土體采用Drucker-Prager-模型及準則
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。
塑性本構模型,其參數(shù)主要包括黏聚力、內摩擦、
膨脹角,但模型參數(shù)較少。它的最大特點是考慮靜
水壓力對屈服強度的影響,在計算機上比較容易實
面接觸
現(xiàn),已經(jīng)積累了許多數(shù)值計算經(jīng)驗;同時也考慮了
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個半徑為
2500mm的半圓平面,地錨樁取中心剖面長2500
mm、寬73mm的長方體,采用手動劃分網(wǎng)格,共
圖4改變后地錨受力
劃分1837個單元,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,地錨計算結果:
繩套固定裝置強度,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個明顯的拔出狀態(tài)。
圖8改進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
力均無變化,此時地錨樁是安全的。
2)查看在樁體上節(jié)點的位移。表2中的節(jié)點3現(xiàn)場應用
219和節(jié)點143均是地錨樁樁體上的節(jié)點,其中節(jié)
新型地錨樁的使用情況如表3、表4所示。
點219是地錨樁上部的點,節(jié)點143是地錨樁地面
以下的點。由于地錨樁的樁體強度遠大于土的強
表3繩套固定裝置使用前后效果
度,所以樁上節(jié)點位移相差不大。當時間在1s對比定方式
勞動強度
錯定安全性
時,地錨樁此時的位移已經(jīng)達到105mm,大大超使
需要拆、打繩卡64高空作業(yè)頻次高,
過了允許的位移量,此時地錨樁是不安全的。
用
個,調整繩長度8繩套受力不均勻,
傳統(tǒng)地錨與土接觸面小,導致地錨受力會隨著前
次
繃繩樁眼強度低
時間的增加而被拔出。對地錨樁體進行有限元分使
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
架準備時間和收
緩解地錨被拔出的危險。為了改進地錨與土的接觸后
點接觸受力
尾時間達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,對改進后
的地錨進行分析,劃分的方法與上述方法一致,改使用后
容易安全
進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模型受力時間位移對應值
全性,而且降低了勞動強度。
時間
219位移/mm
143位移/mm4結論
0.1
10.03
10.03
0.2
20.16
20.16
利用力學分析和有限元分析軟件,對地錨進行
0.3
30.39
30.39
了安全改進,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)場應用效果良好,節(jié)省了施工準備和收尾的
0.5
51.18
51.19
時間,降低了員工的勞動強度,減少了因點蝕的疲
0.6
61.74
61.74
0.7
7241
72.41
勞強度造成的繩套斷裂、繩卡子丟失等經(jīng)濟損失,
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:
1.0
105.07
105.07
1]胡黎明,濮家土與結構物接觸面物理力學特性試驗研
究巖土工程學報,2001,23(4):431-435
收稿日期2015-04-21
圖7改進后的加大葉片地錨
(編輯李梅)

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