井架承载能力测试加载装置研究及应用

田志新，李宇键，杨健琪，路通

（中海石油技术检测有限公司，天津 300452）

1 前言

井架的承载能力直接关系到现场钻修井作业的安全。井架应力测试作为评价井架承载能力的客观、有效的手段得到广泛的应用。目前，现场一直采用“提拉工装”的方式进行测试，这种方式需要专业人员操作钻井绞车实现加载，在载荷的加载过程中极易出现载荷不足或过度加载等现象，对操作人员的操作能力和判断力有极强的要求，同时存在因过度提拉所造成的钢丝绳断裂、井架及结构受损等风险和隐患。

井架承载能力测试加载装置采用液压油缸，利用液压油缸收缩来提供应力测试所需要的载荷，加载稳定、精确度高，降低作业风险。井架承载能力测试加载过程中，不需要另外安排专人操作钻井绞车，有利于提高作业效率。

2 井架承载能力测试加载装置构成

2.1 总体功能框架

井架承载能力测试加载装置的总体功能框架（如图1 所示）主要由打压、加载、承载三个主要部分的装置组成，由液压油箱、打压泵、电机、连接管线、接头等部件组成打压装置；四个液压缸、连接座部件组成加载装置；承载梁主梁、边梁、连接螺栓、衬垫部件组成承载装置。在该装置中承载梁和连接座是整个装置内的受力部分，在开展井架承载力测试工作时工作人员所施加的负荷就是依靠受力部分施加力。

图1 井架承载能力测试加载装置整体功能架构

2.2 承载梁装置

承载梁装置是井架承载力测试加载装置中重要的组成部分，与连接座一起承载受力，箱形梁结构形成承载梁装置（如图2 所示），同时，还可以与短箱型梁进行组合使用，实现对大跨度井架进行加载。在承载梁中间设加载点，作为连接卸扣或绳索或吊环的连接受力部位，与其他连接零部件配合使用。在实际进行井架承载力测试时，相关的人员可以结合现场的钻修井机底座梁的距离情况选用承载梁，以此满足不同环境下的钻修井机承载能力测试需求，提高井架承载力测试工作效率和质量。

图2 承载梁总成结构受力分析

3 井架承载能力测试加载装置测试

3.1 测试前的准备

3.1.1 加载装置准备

（1）根据现场空间及承载梁跨距、净空区域距离等工况确定工装长度并进行相应的调整。（2）检查液压站内液压油液位及油质。（3）液压站电源线接线，并确定好电机旋向，进行试运行。

3.1.2 其他附件准备

（1）检查作业中使用的吊带、卸扣等系物和系物器具。（2）检查各手持检测设备是否达到使用要求。（3）检查手持工具配备是否齐全、是否满足作业要求。

3.2 井架各应力贴片前表面处理及贴片安装

（1）按照标准要求的布点原则选择需要打磨的贴片位置。（2）对需要贴片的位置使用砂轮机进行打磨，然后使用细纱布沿与测量方向成45°角方向擦拭，直至待贴片位置形成光滑的镜面。（3）在完成表面处理的待贴片位置使用直尺和画针按照与测试主应力方向平行的方向画标志线。（4）使用丙酮或酒精棉球在上述待贴片位置进行擦拭，直到棉球无污物为止。（5）将专用粘合剂涂抹在应变片后部，将应变片上标志线与测试部位所画的标志线重合。然后使用拇指进行按压，使应变片粘贴牢固，与井架杆件结合为一体。（6）测试已粘贴电阻应变计与井架间绝缘，确保阻值大于50MΩ。

3.3 液压站就位

（1）对钻台上的无关设备、工具及其他影响应力测试工作的物品进行清理。（2）拆除转盘补芯，准备连接工装。（3）将液压站安置在钻台上，靠近转盘口但不影响工装及液压缸使用的位置。

3.4 加载装置就位

（1）将工装吊运至转盘梁下方，使用游车大钩（或顶驱）或液压绞车吊起工装，并将工装摆放于转盘梁下方转盘口正中处准备连接液压缸。（2）将吊环安装在游车大钩（或顶驱）吊臂上，使用卸扣将吊带连接到液压缸一端挂点，液压缸另一端连接吊带后将吊带从拆除补芯后的转盘口位置下放至工装承载轴部位。（3）将吊带连接至工装的承载轴或承载耳板处，缓慢提升至工装完全接触承载梁。

3.5 应力测试

（1）连接液压站与液压缸之间的液压管线。（2）液压站开机试运行，充分循环管线及液压缸内液压油。（3）检查液压缸平衡阀，伸出液压缸并检查所有液压缸伸出的长度是否一致，液压缸伸出后及时上提游车大钩（或顶驱）保持工装与承载梁的接触。（4）液压缸伸出完成后稍微上提游车大钩（或顶驱）进行试提，使整个系统处于受力状态。（5）进行液压缸试动作，并密切观察指重表，液压缸收回时悬重增加，液压缸伸出时悬重下降，试动作完成后伸出液压缸直至工装与承载梁保持接触但悬重不再下降。（6）操作应力采集系统进行零点标定，完成零点标定后操作液压站收回液压缸，按照测试载荷设定的负荷点，逐级加载，到达规定试验载荷后立即停止液压缸收回，达到规定的试验工况完成数据采集后立即伸出液压缸，使整个系统各组件卸载。

3.6 测试结束

（1）确认卸载后，将工装下放至甲板并断开与吊带的连接。（2）完全收回液压缸并操作液压站回收所有液压油。（3）确认回收所有液压油后拆除接头防脱装置及液压管线，放入工具箱。（4）将液压缸摆放至钻台面平稳位置。（5）断开液压缸与吊环的连接后回收现场吊带及卸扣。（6）将液压站、液压缸吊离钻台放入专用吊笼。（7）将工装从转盘下放吊运至专用吊笼。（8）回收应力测试设备，拆除应变片、数据线等。（9）清理应变片贴片位置，并进行涂层恢复。（10）回装转盘补芯，恢复钻台设施。

4 井架承载能力测试加载装置特点

4.1 测试工况主动性较高

本文提供了一种井架承载力测试加载装置，在承载力测试时，无须相关的人员操控钻井绞车提供测试荷载，可以让测试工况主动性更高。便携式多功能井架承载能力测试加装装置的研究，结合现场实际作业需要，采用承载梁总成、边梁、连接螺栓、衬垫组成的装置，在实际开展井架承载力测试工作时，采用设备的吊环将加载装置放置到井架底座梁转盘中心下方；并配合使用气动绞机等其他装置将加载装置送至井架底座转盘梁下端，所研究的加载装置会与井架底座相接触；加载装置会配合其他设备来施加测试荷载给井架，由施加测试荷载的重量判断井架承载力。与传统的承载力相比，相关的操作人员可以直接通过液压控制站精准控制双向液压油缸收缩来提供承载力测试所需的荷载，其数据的稳定性和准确性可以得到保障，并且通过加载装置无须操作绞车提供测试荷载，这可以有效地避免在实际工作时需被动等待测试工况的问题，仅需要根据井架的作业时间来确定井架的承载力测试。在以往的井架承载力测试中有很多的井架由于钻具荷载太小，在一定程度上无法达到实际测试的要求，这种情况下所测试获得的承载力情况并非真实数据，无法真实地反映出井架设备本身的问题，该装置的研用这在很大程度上可以提高承载力测试的工作效率和质量，同时所测试得到的精准数据可以被有效应用，可很好地满足承载力测试工作的需求。另外，便携式多功能加载装置可以实现对4.7 ～8.7m 跨度的井架进行加载，其应用可以大大减少井架承载力测试工作人员所携带的工器具，同时，以往的检测方式需要专业人员操作钻井绞车实现加载，在载荷的加载过程中极易出现载荷不足或过度加载等现象，而这种装置的研用可以减轻现场工作人员的工作强度，缩短井架核载力测试时间，为其他工作开展提供有力帮助的同时保障整体工作效率。

4.2 装置连接可靠性较高

井架承载能力测试是保障钻修井作业安全、稳定性的关键，是检验承载能力客观数据的重要途径，在实际工作开展期间，需对井架的承载能力进行有效测试以后才能够开展后续的相关工作，其测试数据的稳定性和可靠性高可以为相关人员的作业提供安全环境。便携式多功能井架承载能力测试加载装置的研究，承载梁采用多段组合三腹板箱形梁结构，并配有连接销轴，上加载点可连接卸扣或绳索，下加载点可连接吊环加载装置在实际开展承载力测试工作时与以往的承载力测试装置相比测试装置与井架底座梁连接更可靠，无特殊情况也不会出现荷载不足或过度加载的问题，现场工作人员会根据实际情况采用相应的装置，提供所需要的荷载，加载装置的配合应用可以使整个承载力测试装置连接更稳定和可靠，可以很好地保障井架及井架承载力测试的安全性。

4.3 测试准确度更高

承载梁和连接座是工装的主要承力部件，在实际工作时，深入井架底座中加强钢筋板的形状为直角形的角钢，并且设置有相应的加强筋板在对称的直板型钢上，这在施加荷载时加载装置上所承载的作用力更加平衡。在井架存在能力测试时加载装置提供分布均匀的荷载，可以全面地反映井架的应力分布情况，若井架内部有损伤或缺陷的部位可以通过分布均匀的应力状况，去反映井架承载力的薄弱部位，直观地将井架潜在的危险源呈现出来，以此让现场实际测试的工作人员直观地发现井架应力的综合情况，且与传统的承载力测试相比，在确定危险点上精准度更高。由于钻修井架底座安装不到位的问题也会对实际工作带来一些安全隐患，在开展承载力测试工作时，采用更加平衡的作用力去测试，可以全面地将井架的安装情况反映出来，由此相关装置的应用可以让井架承载力测试过程更稳定、井架承载力危险点检测更精准。

4.4 测试效率更高

井架承载能力测试加载装置利用双向液压缸进行加载测试，再通过应变片形变获取到各节点的综合数据，判断各节点下是否存在变形情况，建立井架变形与荷载变化的关系。液压缸所施加的作用力伸出完成后稍微上提游车大钩（或顶驱）进行试提，使整个系统处于受力状态，相关的工作人员通过观察指重表获得相应的数据和综合情况信息，并结合相应的数据及信息去分析井架综合情况，尤其是判断井架变形情况。液压缸在施加荷载时，确保工作不会对钻修井作业造成影响，同时能够有效地检测到井架的变形情况，实现对井架底座的变形趋势进行有效分析。同时，该加载装置具有应用主动性高的优势，也能让相关的检测人员更加高效地开展承载力检测工作，最终对井架变形进行分析、评价。

5 结语

综上所述，利用此井架承载能力测试加载装置能够有效地提高井架应力测试作业的主动性，测试作业的安全性，加载的稳定性、精确度，以及作业效率。井架承载力测试中所获取的数据稳定性和准确性是为相关工作人员提供安全工作环境的重要保障，同时又会进一步提升钻修井的作业安全性和稳定性。井架承载能力测试加载装置的研制，可以有效地保障承载力测试工作开展过程稳定，荷载控制精准度高，所获取的数据稳定性和准确性高，在很大程度上可以提高其工作效率和质量。因此，该装置的研发有着重要的现实意义，为井架的评估评定提供有力的保障，为钻修井生产作业保驾护航。