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我國西部油田有大量的深井、超深井、水平井及叢式井，從業(yè)人員對深井、超深井的測井工作對了解該區(qū)塊井內(nèi)實際情況有著重大意義。連續(xù)管由于其高強度、高韌性以及對地層污染小的特點在超深井的測井作業(yè)中扮演了相當(dāng)重要的角色。目前，已投入商業(yè)使用的單滾筒纏繞最長連續(xù)油管長度9000m，這已能夠滿足超深井測井作業(yè)的需求。但是，考慮到連續(xù)管自重較大，地面上采氣樹、防噴器組合、防噴盒等工具長度較長，以及吊車式連續(xù)管作業(yè)機吊裝注入頭穩(wěn)定性較差等因素，故需要在地面安裝塔式支架來支撐注入頭，完成超深井連續(xù)管測井工作，其作業(yè)現(xiàn)場如圖所示。因此，分析塔式支架在連續(xù)管作業(yè)中的承載能力以及應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)是關(guān)鍵問題之一，需要進行有限元分析。
某超深井使用連續(xù)管測井，井深約為7500m，井底溫度180-2000℃，井底壓力180MPa。針對以上井內(nèi)作業(yè)環(huán)境，如果考慮使用吊車式連續(xù)管作業(yè)，由于其作業(yè)時間較長以及穩(wěn)定性較差的原因，地面作業(yè)時選擇塔式支架支撐注入頭來進行連續(xù)管作業(yè)。塔式注入頭支架均采用Q235鋼材，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7.85X103kg/m3，鋼材屈服應(yīng)力為235MPa。其力學(xué)性能如表所示。
利用有限元軟件分析塔式支架在超深井測井作業(yè)中惡劣工況下的強度和剛度，得出支架在極限工況下的應(yīng)力和變形狀態(tài)，并進行強度分析以保證連續(xù)管作業(yè)時支架的可靠性支架的三維模型如圖所示。為提高分析效率，在建立支架的有限元模型時進行了必要的簡化處理，以支架各桿件的自然焊點作為有限元分析模型的節(jié)點，底座、頂層平車等附件對塔式支架的剛度影響較小，可在簡化時全部忽略。簡化后的支架模型如圖所示。支架的析架結(jié)構(gòu)單元類型選用beam，定義的彈性模量、泊松比以及材料密度均按照Q235鋼材材料參數(shù)進行選取。
架鋼材截面形狀有2種：支架主體桿件均為空心方鋼，其截面尺寸為160mmX160mmX6mm，斜撐桿件均為矩形空心鋼，其截面尺寸為90mmX50mmX5mm。頂層面鋼材由于受載情況更為惡劣，需重點考慮分析，為此備選了3種尺寸以便選擇：160mmX160mmX6mm、210mmX160mmX10mm、300mmX200mmX8mm。劃分好網(wǎng)格的支架模型如圖所示。邊界條件的施加對分析結(jié)果的正確性影響很大，為使模型約束符合實際，需準(zhǔn)確施加位移約束。塔式支架的實際約束邊界條件是底座與地面為全約束；第1層間隔架與底座固定；其余的間隔架之間由柱銷定位，且每邊有2個U形螺栓固定上、下2個間隔架。由此，可將支架有限元模型底部的4個節(jié)點進行位移全約束，間隔架之間做剛性連接處理川。連續(xù)管測井作業(yè)過程中滾筒對連續(xù)管有拉力作用，當(dāng)連續(xù)管下到最大井深時注入頭提供最大的上提力，此時支架受到載荷情況是最大的。
本研究以連續(xù)管下入到最大井深時作為超深井連續(xù)管測井的極限工況來校核支架的強度和剛度。為了更加接近于實際工況條件，還引進了風(fēng)載對支架的影響。在此不予考慮脈動風(fēng)速的情況，在整個連續(xù)管下入和上提的過程中只考慮為穩(wěn)定風(fēng)載的情況。由于支架高度不是很高，可以不考慮風(fēng)載作用在支架上隨高度的變化情況，支架全段均按均布載荷計算。支架所受的風(fēng)載應(yīng)選擇對結(jié)構(gòu)最不利的風(fēng)向(第1風(fēng)向)，根據(jù)實際情況，選擇背風(fēng)向為第1風(fēng)向，因該風(fēng)向加劇了支架的側(cè)斜，且背面迎風(fēng)面積大，故將該風(fēng)向作為支架在極限工況下強度分析的風(fēng)載。通過上述分析及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集可知：施加在支架上的極限載荷情況為支架自身的重力55.32kN，均勻分布在支架上；注入頭最大上提力(360kN)以集中力的形式作用在支架頂層面上的節(jié)點上；滾筒對連續(xù)管的拉力為5kN；設(shè)計風(fēng)載的基本風(fēng)壓為W=0.8kN/m (即設(shè)計級數(shù)為12級大風(fēng))，以均布壓力的形式作用在支架受風(fēng)面一側(cè)。在極限工況下對支架進行有限元分析，支架頂層面鋼材選取3種不同尺寸時的應(yīng)力云圖和位移圖如圖所示。由圖可以看出：支架的最大應(yīng)力均為頂層面鋼材處，這也驗證了著重考慮頂層面鋼材尺寸的必要性。
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