基础不均匀下沉对天车与方盘轴线的影响及校正

吴义江

【摘 要】在钻井过程中，基础作为一种特殊的建筑物，其载荷的不均匀性和基础的不完善，如果不合理使用，其对钻井有很大的影响。易造成井架内力发生变化、设备振动加剧，井口操作发生困难、影响井身质量，甚至会发生井架倾倒的恶性事故。通过对基础不均匀下沉与天车、转盘位置关系的计算分析和现场勘测，找出了基础不均匀下沉的主要原因，有针对性的制定切实可行的措施，并付诸实施，取得了明显的效果。

【关键词】不均匀下沉；承载能力；井架整体变形；垫钢板

0 引言

本文以TJ2-41塔型井架为例，建立了数学模型，利用几何关系分析计算了钻机基础产生的不均匀沉降量对天车、转盘空间位置的变化关系；并在此基础上进行了钻井过程中钻机基础的不均匀沉降与天车位置偏移量的现场测量和对比分析；找到了基础不均匀下沉后的一些处理方法，并提出了如何减少问题发生的建议，在以后施工时的注意事项。

1 基础不均匀下沉不可避免

一般认为地基在使用之前，在外力和自重压力的作用下，已经坚固，不易变形；之后，在载荷的作用下，产生新的变形，基础随之也产生下不均匀沉。由于土壤本身的不固定性，整个钻井设备的不稳定载荷的不均匀性和基础的不完善，地基变形也是不均匀，也就是说基础存在点或面的不均匀下沉。不均匀下沉是不可避免的，它对钻机有很大的影响。基础产生一个点或一个面的不均匀下沉后，使用设备的位置发生微量变化，破坏了原有的位置关系。因而，造成使用设备内力发生变化、设备在使用过程中振动加剧，井口操作发生困难，设备磨损加剧，后期影响完井质量。倘若基础产生面的不均匀下沉则钻井工作就会有被迫停止的可能，甚至会发生井架倒塌的恶性事故。

2 基础不均匀下沉时的位置关系

我们用与大庆Ⅰ、Ⅱ型钻机配套的TJ2-41型井架为例进行分析。

基础在使用过程中，按施工标准要求，基础必须严格找水平，使井架的天车中心、转盘中心，井口中心必须在一条铅垂线上。这时的井架承载能力、整体刚性都是最大的。为了方便计算，建立三角形位置关系图。找到了

（1）基础在设备摆放前为水平面。那么底座、转盘底面亦处于水平状态。

（2）基础在使用前，天车中心、转盘中心、井口中心在同一铅垂线上。

（3）井架及底座按刚性整体结构处理，即其底面始终作为一平面对待。则对角不均匀下沉量之和相等。

图1是计算示意图，可用于计算天车的位置，也可用于计算转盘的位置。是在通过天车中心或转盘中心的铅垂面内，用天车（转盘）中心C点，铅垂面与底座（井架）底面处沿交点A和B组成的三角形代替井架和底座；实线是基础未产生不均匀下沉时的位置，虚线是基础产生不均匀下沉后的位置。图1中，AB、OC为已知量；h是基础不均匀下沉量，可用水准仪测得。需计算DC和DC′，即天车（转盘）中心的垂直位移和水平位移。

由图1显见：

当h≤50mm时，DC误差<3.33%，DC′误差<0.03%；当h≤100mm时，DC误差<6.44%，DC′误差<0.55%。在实际问题中，DC的大小对钻井过程无影响，所以，上述近似计算公式完全满足工程计算的精度要求。

3 现场测量结果与分析

3.1 有关标准

在钻机安装施工过程中，按技术规程要求要达到下列标准。

标准Ⅰ：校正天车中心和转盘中心在一铅垂线上，允许偏差≤10mm[2]。通过公式（10）计算相应允许基础的不均匀下沉量≤1.8mm。

标准Ⅱ：转盘找平每米水平误差≤2.46mm[3]（换算值）。则相应允许基础的不均匀下沉量小于或等于下列数值：

纵横方向：8.144×2.46≈20（mm）。

对角方向：11.517×2.46≈28.3（mm）。

式中，8.144m是底座纵横方向外形尺寸，11.517m是底座对角方向的外形尺寸。

3.2 基础不均匀下沉测量结果

在现场设置标准桩，以其为基准，分别各点测量，得到下沉量。使用水准仪测量，测量结果见表2（略）。

表中下沉量已扣除均匀下沉部分，即最高的角下沉量为0。对角下沉量和之差为绝对值。

通过现场测量，当天车的水平位移越大，钻机振动越大；当位移越小，设备振动越小。

3.3 分析

（1）被测量各井的井架基础都存在不同程度的不均匀下沉，一般井深越大不均匀下沉量也越大。5口井的最小不均匀下沉平均值3.83mm，最大不均匀下沉平均值15.5mm，最大不均匀下沉26mm；计算相应的天车水平位移分别为21.5mm、86.9mm、103.1mm。已经超过平均数值，振动加大，所以对钻机运转有很大负面影响。部分设备位移相对较小，实际生产中可不予考虑；比如：转盘水平差为2.26mm/m，满足标准Ⅱ的要求。

但是，值得注意的是转盘找水平时就存在一定的水平差，也就是转盘向某一方向倾斜。当转盘高端在基础下沉大的一侧时，基础的下沉使转盘水平差减小，对转盘是有利的；反之基础下沉将使转盘水平差增大，容易超出标准要求。

（2）对角下沉量和之差平均值为1mm，数值很小，说明底座、井架整体变形很小，即模型3与实际情况很相符。

4 处理方法

由上述分析计算可知，基础的不均匀下沉对天车的位置影响很大。基础的不均匀下沉是很难避免的，严格控制此数值是很不经济的。因此，对超标准的基础不均匀下沉的井，应采取相应的方法处理，以期减少危害，保证正常打井。下述几种处理方法，可单独使用，也可组合使用，必要时重新校正转盘和绞车；具体处理方法的选择，应根据测量和计算结果以及工具、装备条件来确定。

4.1 校正井架天车

当水平差不超标准可采用校正天车的方法来校正。值得注意的是，天车的调整范围不能过大，以免使受力状况恶化，造成事故。校正天车按标准操作（在此不多讲述）。

4.2 垫井架底柱

就是在有效位置，加入一定厚度的加垫物，以减少天车和转盘位移的。通常用垫钢板的方法来解决。

（垫钢板的方法在这里不再描述）所垫物品厚度可根据测量数据确定：按照标准左右方向应小于或等于20mm，对角方向小于或等于28.3mm，钢板的厚度可以增大，但不宜超过40mm，以免使底座受力状况恶化。

4.3 垫井架底座

用千斤顶将井架底座顶起，然后垫入适当厚度的钢板，取掉千斤顶，测量天车位置符合要求即可。（垫底座方法不再描述）注意的是，底座下方所垫钢板要多点垫入。

5 结论

5.1 基础不均匀下沉量越大，振动越大。天车水平位移越大。

5.2 基础不均匀下沉量是可控量。提高前期施工质量，地层软硬分析。

5.3 正确使用基础，合理分配，多观察，及时整改。

5.4 建议及注意事项

（1）定期测量天车位置，发现超出标准允许值时应及时处理。

（2）用千斤顶时，要按规定使用，地层比较软时应加设铺垫物，增大接地面积，防止基础下沉。

（3）垫井架时应做好安全防护，以防发生事故。

（4）自升式井架的调节装置使用前后进行检查，使用后按标准封好。

【参考文献】

[1]彭高华，等.底脚支座不均匀沉陷下井架的内力、强度和局部稳定性[J].石油机械，1988.

[2]侯广平.怎样校正自升式井架[J].石油机械，1989.

[3]西南石油学院，编.石油钻井工人读本[M].石油化学工业出版社，1975.

[4]华南工学院，等.地基及基础[M].中国建筑工业出版社，1985.

[责任编辑：汤静]