井口工具转场和安装用撬架优化分析

刘莎莎 李春光 白朝阳

大连益利亚工程机械有限公司 辽宁大连 116086

石油化工产业的高速发展带动了油气勘探、采集等行业的迅猛发展[1]，而从美国加利福尼亚石油公司和波温石油工具公司共同研发出第一台连续管轻便修井装置开始，人们逐渐认识到连续管的价值，目前已被广泛应用于油气田勘探及开发的各领域[2]。我国起步较晚，正处在从连续管的引进和应用试验向技术引进与自主研发相结合的阶段过渡[3]。而在应用连续管技术作业的过程中，无论是连续管压裂后的转场，还是井口工具的安装过程，都需要撬架的支撑。将注入头、防喷系统和防喷管吊装在撬架上，会大大提高转场的方便性，并且工作人员在撬架内操作，大大提高了安全性。目前，国内对专用于支撑、固定井口工具的装置的研究较少[4-5]，以下通过静力有限元分析对此类撬架进行优化改进，确定一种可用的起支撑、固定井口工具作用的撬架。

1 问题描述

某撬架工作环境温度为- 30～45℃，最大作业风速为6m/ s，所能承受最大载荷为147kN。该撬架主要作用为：连续管压裂后的转场，防喷盒和防喷器带防喷管吊装在橇架上，便于下个井口的压裂；井口工具的安装，吊车吊着注入头、防喷系统和防喷管，安装在撬架由壬上，然后慢慢下管，操作人员在撬架内进行安装，大大提高了安全性。

撬架的型材采用Q345B，其许用应力为172.5MPa；板材采用Q235B，其许用应力为117.5MPa。

2 有限元分析

应用有限元分析软件对撬架进行极限工况的应力和变形分析，优化改进该撬架的结构，得到强度合格的撬架，以保障连续管压裂转场和井口工具安装的可靠性。

2.1 模型

撬架的三维模型如图1 所示。为提高有限元分析的效率和准确性，对该撬架的有限元模型进行简化处理[6]，忽略一些对撬架整体分析影响不大的附件的建模（例如注入头安装座、护栏等），简化后的有限元模型如图2 所示。

图1 撬架三维模型

图2 撬架有限元模型

撬架有限元模型中的桁架结构单元类型采用beam188，依照Q345B 的参数赋予材料属性；板材结构单元类型采用shell181，依照Q235B 的参数赋予材料属性；在撬架顶端注入头安装接口处设置mass21 点，与其周围承力横梁刚性连接，此点为加载位置。

2.2 工况及受力分析

撬架除了自重载荷外，主要承受垂直载荷、风载及斜拉力的作用。图3 为撬架受力分析示意图，由图可见，总体坐标系的水平向右为X 正方向，竖直向上为Y 正方向，垂直纸面向外为Z 正方向。

图3 撬架受力分析示意图

撬架垂直方向受力（F垂）计算见式（1）。

式中：F垂——垂直载荷，满载117600N，充分考虑冲击、工具重量、雪载、地震等因素后按147000N 计算；

F斜——斜45°拉力，49000N。

斜拉力的水平分力计算见式（2）。

斜拉力对O 点弯矩（M斜）计算见式（3）。

注入头处所受风载对O 点弯矩（M风注）计算见式（4）。

式中：F风注——注入头处所受风载荷，N；

L风注——注入头处风载对O 点的力臂，mm。风载荷（F）计算见式（5）。

式中：C——风力系数，1.70；

A——迎风面积，m2。

P——计算风压，N/ m2（P=0.625v2s，vs为计算风速，工作状态下取6m/ s, 非工作状态下选取30.8m/ s）。

根据斜拉力方向及风载大小、方向的不同[7]，选出最危险工况（在YZ 平面内受斜45°拉力，垂直载荷，撬架和注入头均受Z 向的水平风载）下的具体受力情况：Fy=- 181648N，Fz=- 34648N，M斜=- 3118.34×105N·mm，撬架所受风载为- 145N，注入头所受风载为- 119N，M风注=- 136986N·mm。

2.3 约束条件

撬架底部约束支腿位置如图4 所示，约束条件为撬架下方支腿A 约束三个移动自由度，即UX、UY、UZ；支腿B 约束两个移动自由度，即UX、UY；支腿D 约束两个移动自由度，即UY、UZ；支腿C、E、F 约束一个移动自由度，即UY。

图4 约束支腿示意图

2.4 有限元分析结果

根据受力情况进行加载计算，危险工况的应力云图见图5。撬架最大应力为292MPa，大于Q345B 型材的许用应力172.5MPa，位于顶端注入头安装横梁处，具体超出许用应力部分的位置和面积见图5(b)。表明该撬架结构强度不足，需优化顶端支撑结构，来加强结构强度。

图5 危险工况应力云图

危险工况的整体位移云图见图6，由图可见，整体最大位移为16mm，位于顶部注入头安装横梁附近；下部走台板中间位置有位移较大处，为12mm，表明此处属于突然变形处，缺少横梁结构的支撑，目前结构不利于人员的行走。

图6 危险工况整体位移云图

2.5 优化方案及结果

针对撬架结构的缺陷，在顶端注入头安装横梁下方增加一层桁架支撑结构，使顶端的载荷传递到下部支撑结构上。顶部撬架最大应力为114MPa，底层撬架最大应力为151MPa，位于底部右侧横梁上，均小于Q345B 型材的许用应力172.5MPa，撬架整体结构强度满足要求。由于撬架的最大应力与材料许用应力相差不大，未留下过多的强度储备，表明该优化结构不仅满足设计要求，还具有足够节约材料的特征，可为后续合理地优化结构提供优化的思路与方向：将支撑型材增加到承力最大的顶层结构附近，并通过载荷的传递作用，充分利用下部支撑结构的强度，尽量提高材料本身强度的利用效率。

在下部走台板中间位置增加支撑横梁，以优化模型的变形缺陷，整体位移云图见图7。由图可见，最大位移为13mm，整体变形趋势由上至下均匀变化，无突变区域，整体位移分布合理。

图7 优化模型整体位移云图

3 结语

（1）通过静力有限元计算，对一种井口工具转场和安装用的撬架结构进行应力和变形分析，得到该结构的缺陷及问题。并采用在顶端主承力横梁下方增加一层桁架支撑结构和在走台板增加中间支撑横梁的方式，优化该撬架，以保证连续管作业过程中的安全性与可靠性。

（2）除确定了一种可用的起支撑、固定井口工具作用的撬架，其中采用的分析方法也可为后续连续管作业用支架的研究和应用提供一定的理论支撑。

（3）通过优化过程得到的优化结构的设计思路与方法，可为后续连续管技术中的专用于支撑、固定井口工具的装置设计提供一定的思路与保障。