不压井作业装置关键部件安全性评价

罗 敏 赵婷婷 刘巨保 刘占先 赵文欣

1.东北石油大学 机械科学与工程学院 （黑龙江 大庆 163318）

2.大庆油田装备制造集团 容器制造分公司 (黑龙江 大庆 163411）

不压井作业技术的最大优点在于可以保护和维持地层的原始产能，凭借其良好的安全性、可靠性、环保性和经济性在油田的应用越来越广泛[1]。目前,国外不压井装备已较成熟,其中全液不压井装置占主导地位，国外液压不压井设备发展到今天,提升载荷达2666kN,起下管柱直径达244.5mm，北美地区80%以上的油气井采用不压井作业[2]。国内液压不压井作业仍然处于试验和小规模推广应用阶段。不压井装置关键部件的安全与否直接关系到不压井作业装置能否正常工作。这里对不压井装置关键部件进行了力学分析，引入压力容器分析设计方法对关键部件进行安全性评价。

1 不压井关键部件安全评定方法

采用应力分类法并引入压力容器分析设计标准对不压井装置关键部件进行安全评价。压力容器分析设计与常规设计的一大区别是将压力容器中的应力进行分类，应力可从不同角度进行分类:就其范围可以分为总体的﹑局部的或集中的；若按沿厚度分布情况又可分为均布分布﹑线性分布和非线性分布的应力；就其性质可分为一次应力﹑二次应力Q和峰值应力，一次应力又可细分为一次总体薄膜应力Pm﹑一次弯曲应力Pb和一次局部薄膜应力PL[3]。各种应力的特点见表1[4]。

应力强度评定就是要对考察部件高应力区和典型的膜应力区的若干截面及几个特殊点，按分析设计规范对其进行评价。各类应力强度的限制见表2。

这里应力强度的评价标准是:SⅠ≤Sm，SⅡ≤1.5Sm，SⅢ≤1.5Sm，SⅣ≤3Sm（表 2）。

2 不压井作业装置关键部件力学分析模型

液压缸连接盘是液压缸连接的重点，其作用是连接升降液缸和游动卡瓦，并传递和承受升降液缸和卡瓦的作用力。三角架是固定卡瓦组的支撑系统，三角架可简化为上固定卡瓦座、下固定卡瓦座、支撑立柱以及环形防喷器法兰盘及其附属结构四大部件。承载结构是重要的承压结构，承载结构简化为一层平台结构、二层平台结构和支撑柱三大部件。其中一层平台结构包括一层平台板、一层平台法兰盘和支腿筋板，二层平台结构包括二层平台板和液压缸法兰盘。

表1 各种应力的特点

表2 各种应力强度的限制

液压缸连接盘选取材料为Q235-B,三角架和承载结构各部件材料均初步拟定为Q235，经强度分析后再合理选用各部件材料。其屈服强度为235MPa,安全系数为n=1.5时许用强度Sm为156.7MPa。材料的弹性模量均210GPa,泊松比为0.3。

3个关键部件载荷均为自重和660kN的最大上提力。液压缸连接盘边界条件为:在液压缸连接盘与液压缸活塞杆连接处的下端面上施加全位移约束，在液压缸连接盘与卡瓦的接触面上施加最大上提力；三角架的边界条件为:在环形防喷器法兰盘下端面上施加全位移约束，在上、下固定卡瓦座与卡瓦的接触面上施加最大上提力载荷；承载结构的边界条件为:在一层平台法兰盘下端面上施加全位移约束，在4个支腿平板上施加Z方向的约束，在液压缸的截面上，施加最大上提力载荷。分别以液压缸连接盘﹑三角架和承载结构为研究对象，采用空间实体单元，建立液压缸连接盘﹑三角架和承载结构有限元模型分别如图1～图3所示。

3 不压井作业装置关键部件力学分析

在最大上提力作用下，采用有限元方法，分别对液压缸、三角架和承载结构进行力学分析，得到液压缸连接盘、三角架和承载结构等效应力分布分别如图4～图6所示。3个关键部件计算结果见表3。

由图4～图6和表3可见，液压缸连接盘的最大等效应力为482.0MPa，位于液压缸连接盘与液压缸活塞杆的连接处，此应力超出屈服强度。三角架的最大等效应力为206.5 MPa，位于环形防喷器法兰盘的附属结构处，三角架的上固定卡瓦座、下固定卡瓦座和支撑立柱的最大等效应力均小于许用应力，满足强度要求。承载结构最大等效应力238.2 MPa，位于二层平台板螺栓孔处，承载结构的部件支撑柱最大等效应力小于许用应力，满足强度要求。承载结构的部件一层平台结构的最大等效应力也较大，为228.8 MPa，小于屈服极限。

液压缸连接盘与液压缸活塞杆的连接处最大等效应力大于屈服强度，采用应力分类方法对液压缸连接盘进行强度分析，在液压缸连接盘最大等效应力处沿平板厚度方向定义应力线性化路径A（图7）。三角架各部件最大应力都小于屈服强度，故不需要应力线性化处理。承载结构，除二层平台结构外，其他部件最大应力都小于屈服强度，故采用应力分类方法来对二层平台板进行强度分析，在二层平台板螺栓孔最大等效应力处沿平板厚度方向定义应力线性化路径B（图8）。关键部件应力强度评定结果见表4。

图6 承载结构等效应力分布

表3 关键部件计算结果表

根据所选路径位置和应力线性化处理结果可得，各路径应力都是由于结构总体几何不连续产生的，而且应力具有明显的局部性和自限性。局部性表明这部分应力仅存在于结构不连续处的局部区域。自限性表明应力主要是因为在结构不连续处要使得变形协调而产生的，当应力达到屈服极限使局部发生流动而使变形协调后，该局部的应力值也将不再升高。由表4知，一次局部薄膜应力强度和一次加二次弯曲应力强度均满足强度要求，故不压井装置关键部件在最大上提力作用下均满足强度要求，因此其关键部件安全可靠。

4 结论

（1）考虑了不压井关键部件结构，分别建立了液压缸连接盘﹑三角架和承载结构的有限元分析模型，通过有限元计算，得到了关键部件液压缸﹑三角架和承载结构的应力分布情况，并确定了危险截面。

（2）将压力容器分析设计标准中的应力分类方法引入到不压井装置关键部件强度评价中，并对危险截面上的应力做线性化处理，得出在上提力作用下，不压井关键部件均满足强度要求。为复杂结构的强度评定提供了理论分析方法。

表4 关键部件应力强度评定结果表

[1]刘伟,李丽,木合塔尔,等.川东北超深水平井压井工艺技术[J].石油矿场机械,2010,39(10):89-92.

[2]谢永金,曹立明.新型不压井作业设备的研究[J].石油机械，2007,35（9）:161-164.

[3]李建国.压力容器设计的力学基础及其标准应用[M].北京:机械工业出版社，2003.

[4]丁伯民.压力容器规范分析与应用[M].北京:化学工业出版社,2009.