[01189994]修井机井架地锚桩抗拔承载机理与桩基优化方法

1.课题来源与背景 我国陆地油田石油修井机在修井作业过程中,主要通过地锚桩对其修井机井架进行固定,故井架地锚桩成为陆地油田修井作业过程安放井架的重要承载部分,不仅能起到抗倾倒、防风和稳定支承作用,还能保证修井作业时,抑制冲击载荷保证井架动载作用下的稳定性,地锚桩在岩土中的承载能力直接关系到修井井架的承载安全和修井机的施工安全。 常规井位及井场尺寸宽裕,只要按照修井、作业机配套的安装说明及要求进行安装落放即可,但随着油田中后期开发井深增加,或有的井位加密,出现井场尺寸不够;有的井位处于低洼湿涝地势;有的井位在冰冻季节施工等等,井场尺寸、季节、土质条件及其它施工客观条件等的限制,使得地锚桩的布置位置、方式及要求较正常条件更加苛刻,严重的影响了桩的承载能力,进而成为修井、作业机及带压设备现场施工过程中的安全隐患。系统的研究地锚桩桩土承载力问题,深入探讨适合特殊工况下陆地油田修井、作业的打桩规范,成为油田现场迫切需要解决的问题,特别在油田安全、高效、环保的大生产背景下,提高打桩规范的科技含量,使得修井打桩有法可依,提升修井、作业施工安全保障的力度,成为油田技术工作者、施工人员及管理决策者必须直面和急需解决的技术难题。 2.技术原理及性能指标 （1）通过对大庆油田不同规格的现役修井井架用固定地锚桩进行承载理论系统研究,建立桩土本构模型,系统阐述了砂土、黏土和建筑回填土等特殊土况下的承载力规律。 （2）建立对应的承载力测试系统,完成了不同土况条件下全尺寸地锚桩承载力试验。 （3）建立了井架-钢丝绳-地锚桩系统模型,实现了井架-钢丝绳-地锚桩桩土作用的有限元系统仿真分析,获得了确定性结论,得到了针对在役地锚桩桩土抗拔承载机理的系统研究方法。 （4）利用系统优化方法,提出了特殊井场尺寸条件下的桩基布置优化方法。通过理论与试验相结合的研究手段,为作业和修井机地锚桩使用提供了宝贵而可靠的一线数据,丰富了黑土地地质条件下桩土研究理论,提升了抗拔承载桩极限承载力研究水平,为现场修井作业特殊条件下安全和规范施工提供了科学的依据。 3.技术的创造性与先进性 项目研究过程中创造性和先进性体现在： （1）“井架-绷绳-地锚桩-土”系统模型的建立,突破了传统研究仅仅依靠单一的桩土模型的局限; （2）顺利实现了土壤参数的界定和本构模型的建立,奠定了后续模拟计算的关键; （3）借助振动理论,以机械阻抗测试为基础实现地锚桩抗拔极限承载力测试,具备科学性和可行性,实现了全尺寸抗拔桩实验研究; （4）全面考虑桩土接触非线性、钢丝绳的几何非线性、井架结构的线弹性以及系统阻尼等作用,建立了井架-钢丝绳-地锚桩-土系统模型,使得计算能充分接近实际承载条件和工况条件,保证了研究的准确度和精度。 4.技术的成熟度,适用范围和安全性 基于抗拔桩锚固的修井机安装方法已经在以大庆油田为代表的我国各大陆地油田大面积推广应用多年,技术成熟,但特殊桩土条件和井场条件下的打桩施工仍旧“无法可依”,仅有的部分规范也仅限于上个世纪80年代的生产条件,与目前陆地修井技术需求脱节,更不能适应大吨位、加密井和安全环保要求下的修井生产需要。本课题研究,从土况确定、土质参数提取和桩土作用机理研究到修井机井架-绷绳-桩-土系统有限元仿真模拟,形成了一个系统而完整的研究过程。获得了修井一线真实桩土作用测试数据,得到的桩土极限抗拔承载评定方法和特殊工况下桩基优化方法,适于陆地修井、作业和带压修井大型设备桩基规范,项目完成阶段,已经经过现场30余修井井次的成功验证,具有很好的系统性、完整性和安全性,技术度成熟、可靠,可立即进行技术转化和推广应用。 5.应用情况及存在问题 抗拔桩极限载荷评定与特殊工况下桩基优化方法在大庆油田范围已经获得一致认可和推广应用,但是对应的国家标准和石油行业装备标准还未形成,使得这项技术的推广应用受到限制。在油田高效、环保和安全生产背景下,抗拔桩承载理论的进步,无疑给工程应用带来可靠、便捷的技术支持,后续应加强和推进相关技术标准的制定和推广,为石油装备安全技术进步,现代油气田地面工程技术水平提升提供便利。 6.历年获奖情况 该技术所依托的黑龙江省自然基金项目《修井机井架地锚桩抗拔承载力与桩土承载机理》（编号：E201335）已经顺利获得省自然基金委验收,相关奖项申报工作正在进行。