18、鉆井井架動(dòng)力測(cè)試與綜合性能評(píng)價(jià)

1、鉆井井架動(dòng)力測(cè)試與綜合性能評(píng)價(jià)韓東穎1李子豐1周國(guó)強(qiáng)2(1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院秦皇島066004；2.大慶石油學(xué)院秦皇島分院井架檢測(cè)國(guó)家計(jì)量認(rèn)證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秦皇島066004)摘要：提出了根據(jù)動(dòng)力特性試驗(yàn)識(shí)別井架的模態(tài)參數(shù)，運(yùn)用優(yōu)化算法修改動(dòng)力有限元模型，進(jìn)而評(píng)價(jià)鉆井井架綜合性能的方法。針對(duì)井架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和激振形式，推導(dǎo)了模態(tài)參數(shù)識(shí)別公式，介紹了有限元模型動(dòng)力修正的一階搜索優(yōu)化算法。利用瞬態(tài)剎車激勵(lì)，對(duì)井架進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試，識(shí)別出前三階

2、固有頻率和前二階振型，分析了井架的實(shí)際運(yùn)行狀況。僅依據(jù)前二階固有頻率，應(yīng)用一階搜索的優(yōu)化算法，對(duì)有限元模型進(jìn)行了修正，該修正模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)前三階固有頻率和應(yīng)力特征的精確反演，能夠用于進(jìn)一步的靜、動(dòng)力分析和綜合性能評(píng)價(jià)。為鉆井過(guò)程中整套鉆機(jī)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了新的評(píng)價(jià)方法。關(guān)鍵詞：鉆井井架；動(dòng)力測(cè)試；有限元模型；修正；優(yōu)化；評(píng)價(jià)中圖分類號(hào)：TE923文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A一、引言勘查油氣儲(chǔ)藏，開(kāi)采石油、天然氣，廣泛應(yīng)用鉆機(jī)打勘測(cè)井、深孔取心井、

3、生產(chǎn)井和注水井，鉆井過(guò)程中鉆機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行十分重要。井架作為鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備中的關(guān)鍵部分，其安全性能直接關(guān)系到整套鉆機(jī)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)，現(xiàn)已被納入評(píng)價(jià)鉆機(jī)體系安全運(yùn)行的項(xiàng)目之中。以往對(duì)鉆井井架的評(píng)價(jià)主要以應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試為主，輔以結(jié)構(gòu)變形測(cè)量、腐蝕測(cè)厚、焊縫探傷等一套綜合測(cè)試方法。這種方法的測(cè)量結(jié)果直接且較為可靠，但由于井架桿件多，測(cè)試工作量大，其中一些隱蔽部分無(wú)法進(jìn)行量測(cè)，而且還需多方面協(xié)作，因此，這種檢測(cè)方法存在應(yīng)用條件限制和工作效率相對(duì)較

4、低的缺點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者在井架動(dòng)力測(cè)試方面[1~3]做了探討，在實(shí)際的應(yīng)用中取得了一定的進(jìn)展。結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)方法不受結(jié)構(gòu)規(guī)模和隱蔽的限制，只要在可達(dá)到的結(jié)構(gòu)位置安裝動(dòng)力響應(yīng)傳感器即可。高效模塊化、數(shù)字化的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)量測(cè)技術(shù)和日益成熟的有限元分析軟件給大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)方法提供了堅(jiān)實(shí)有效的技術(shù)支持。建立一個(gè)滿足工程精度要求，反映結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的有限元模型是進(jìn)行井架結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵一步。但由于問(wèn)題的復(fù)雜性，可利用的試驗(yàn)信息量少，有限元模

5、型自由度數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于試驗(yàn)可測(cè)的自由度數(shù)等原因，盡管國(guó)內(nèi)外發(fā)表了大量的有關(guān)有限元模型修正的文章[4~5]，但離實(shí)際應(yīng)用尚有差距。本文采用一階搜索優(yōu)化方法[6~7]，利用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)得的部分固有頻率，對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，并應(yīng)用該模型對(duì)高階頻率和應(yīng)力反應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果取得了令人滿意的效果，說(shuō)明了該方法的可行性和有效性，能夠用于井架綜合性能的預(yù)測(cè)。為鉆井過(guò)程中整套鉆機(jī)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了新的評(píng)價(jià)方法。二、井架動(dòng)力特性識(shí)別鉆井井架屬于典型

6、的多自由度結(jié)構(gòu)體系，該體系的強(qiáng)迫振動(dòng)方程[8]為：(1)??????????????)(tfyKyCyM??????式中、、分別為井架的質(zhì)量矩陣、阻??M??C??K尼矩陣和剛度矩陣；為激振力向量；、??)(tf??y、分別為井架的位移、速度和加速度反應(yīng)??y???y??向量。1.頻響函數(shù)識(shí)別(1)隨機(jī)激振頻響函數(shù)識(shí)別當(dāng)激勵(lì)為隨機(jī)激振時(shí)，結(jié)構(gòu)反應(yīng)也為隨機(jī)振動(dòng)。則由隨機(jī)振動(dòng)理論可知，頻響函數(shù)可按)(?H下列公式計(jì)算：(2))()()(??

7、?ffyfGGH?(3))()()(???fyyyGGH?(4))()()(2???ffyyGGH?式中，分別為，的自功)(?ffG)(?yyG)(tf)(ty率譜；分別為與，與的)(?yfG)(tf)(ty)(ty)(tf互功率譜。(2)無(wú)輸入量測(cè)的頻響函數(shù)識(shí)別當(dāng)無(wú)法測(cè)量輸入或輸出記錄時(shí)，可利用式(4)估計(jì)頻響函數(shù)。此時(shí)要求輸入源的頻譜平坦，可近似為有限帶寬白噪聲，其功率譜為一常數(shù)C，由此：(5)CGGGHyyffyy)()()()(

8、2??????實(shí)際應(yīng)用中可假定脈動(dòng)風(fēng)或海洋波浪激勵(lì)為有限帶寬白噪聲，可見(jiàn)，由于輸入功率譜為常數(shù)，(18)????pikimqmrlsqriiliiiqipipimqmrlsqriiliiiqikipiiddppiddpkmmccmmccSS??????????????????????????1111?井架結(jié)構(gòu)阻尼比較小，且測(cè)點(diǎn)又不靠近振型的節(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)相對(duì)于地面的彈性響應(yīng)比基礎(chǔ)的剛性運(yùn)動(dòng)大得較多，可以作這樣的近似。三、動(dòng)力有限元模型修正

9、假定有限元模型和模態(tài)試驗(yàn)測(cè)得的前m階固有頻率分別為和(其對(duì)應(yīng)的特征值為和)，ififi?i?將其前p階固有頻率作為狀態(tài)變量，相對(duì)誤差平方和作為目標(biāo)函數(shù)，有限元模型中一些不確定參數(shù)(如：幾何尺寸、剛度、邊界條件等)作為設(shè)計(jì)變量，則結(jié)構(gòu)固有頻率的修正問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為如下的非線性最小二乘問(wèn)題，具體可寫為如下一般形式：(19)????????????????ffFTpiiiminmin21?????約束：ul?????該問(wèn)題可用一階搜索優(yōu)化方法來(lái)解

10、決。設(shè)第k次迭代時(shí)的設(shè)計(jì)變量為，第k1次k?迭代時(shí)的設(shè)計(jì)變量可由下式得到：1?k?(20)kkkkd??????1式(20)的關(guān)鍵是構(gòu)造搜索方向和步長(zhǎng)因子kd。k?1.搜索方向的構(gòu)造kd若第k次迭代時(shí)的搜索方向?yàn)?，則第k1kd次迭代時(shí)的搜索方向可用共軛梯度法中的1?kdPolak_ribiere公式構(gòu)造：(21)kkkkdsd??????11(22)??kTkkkTkksssss????11?上式中為目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)sF?即靈敏

11、度：(23)??????MKfFsTT???????2式中，為振型矩陣，和分別為剛度矩陣?K?M?和質(zhì)量矩陣對(duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)，時(shí)，取?0?k。00sd??2.步長(zhǎng)因子的確定k?可通過(guò)一階搜索法確定，其基本思想是求k?，使目標(biāo)函數(shù)沿搜索方向達(dá)到最小，即使得k?kd(24)????kkkkkdFdF?????????0min結(jié)合后退法與二次插值法，可快速地求出。k?方法是：開(kāi)始時(shí)令，如果不可接受，1??kkd???則減少，算法如下：?步1給

12、出，?。??5.00??1??步2判斷是否滿足Armijo_Goldstein準(zhǔn)則；(25)????kTkkkkdsFdF???????步3如果(25)式滿足，??；如果(25)式不???k滿足，用二次插值法求：?設(shè)(26)????kkdF??????(27)????kF???0??kTkds??0?????kkdF????1用如下二次插值函數(shù)近似：????(28)??????????????000012???????????????n它

13、滿足式(27)中的三個(gè)條件。令得??0???n(29)??????????00120???????????k四、井架動(dòng)力測(cè)試與評(píng)價(jià)1.鉆井井架模態(tài)參數(shù)測(cè)試與識(shí)別對(duì)某鉆井隊(duì)使用的ZJ40鉆機(jī)JJ22542型井架進(jìn)行了振動(dòng)及應(yīng)力測(cè)試，該井架高度47m，井架最大設(shè)計(jì)鉤載為2250kN(56輪系)，結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。鉆井井架XX向和YY向結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，因而在大腿立柱上XX向和YY向各布置5個(gè)8914型低頻拾振器，拾振器以磁鐵吸座方式固定在井

14、架上，具體位置如圖1所示。拾振器的通頻帶寬為0.330Hz，采樣分辨率為0.031Hz。測(cè)試井架在瞬態(tài)剎車沖擊作用下井架兩個(gè)方向的激勵(lì)反應(yīng)。1號(hào)拾振器XX和YY的位移反應(yīng)時(shí)程曲線（經(jīng)放大器放大）如圖2、3所示，自功率譜圖如圖4、5所示。識(shí)得井架前三階固有頻率值分別為0.625、0.750和1.438Hz。根據(jù)前述的振型識(shí)別理論，識(shí)別得到前二階振型如圖6所示?？梢钥闯?，振型曲線比較平滑，基本沒(méi)有明顯突變的節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明井架沒(méi)有嚴(yán)重的損傷缺陷，