18、鉆井井架動力測試與綜合性能評價

1、鉆井井架動力測試與綜合性能評價韓東穎1李子豐1周國強2(1.燕山大學機械工程學院秦皇島066004；2.大慶石油學院秦皇島分院井架檢測國家計量認證重點實驗室秦皇島066004)摘要：提出了根據(jù)動力特性試驗識別井架的模態(tài)參數(shù)，運用優(yōu)化算法修改動力有限元模型，進而評價鉆井井架綜合性能的方法。針對井架結(jié)構(gòu)特點和激振形式，推導了模態(tài)參數(shù)識別公式，介紹了有限元模型動力修正的一階搜索優(yōu)化算法。利用瞬態(tài)剎車激勵，對井架進行了現(xiàn)場動力測試，識別出前三階

2、固有頻率和前二階振型，分析了井架的實際運行狀況。僅依據(jù)前二階固有頻率，應用一階搜索的優(yōu)化算法，對有限元模型進行了修正，該修正模型實現(xiàn)了對前三階固有頻率和應力特征的精確反演，能夠用于進一步的靜、動力分析和綜合性能評價。為鉆井過程中整套鉆機系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行提供了新的評價方法。關(guān)鍵詞：鉆井井架；動力測試；有限元模型；修正；優(yōu)化；評價中圖分類號：TE923文獻標識碼：A一、引言勘查油氣儲藏，開采石油、天然氣，廣泛應用鉆機打勘測井、深孔取心井、

3、生產(chǎn)井和注水井，鉆井過程中鉆機系統(tǒng)的安全運行十分重要。井架作為鉆機系統(tǒng)設備中的關(guān)鍵部分，其安全性能直接關(guān)系到整套鉆機系統(tǒng)的安全生產(chǎn)，現(xiàn)已被納入評價鉆機體系安全運行的項目之中。以往對鉆井井架的評價主要以應力應變測試為主，輔以結(jié)構(gòu)變形測量、腐蝕測厚、焊縫探傷等一套綜合測試方法。這種方法的測量結(jié)果直接且較為可靠，但由于井架桿件多，測試工作量大，其中一些隱蔽部分無法進行量測，而且還需多方面協(xié)作，因此，這種檢測方法存在應用條件限制和工作效率相對較

4、低的缺點。近年來，國內(nèi)一些學者在井架動力測試方面[1~3]做了探討，在實際的應用中取得了一定的進展。結(jié)構(gòu)動力檢測方法不受結(jié)構(gòu)規(guī)模和隱蔽的限制，只要在可達到的結(jié)構(gòu)位置安裝動力響應傳感器即可。高效模塊化、數(shù)字化的結(jié)構(gòu)動力響應量測技術(shù)和日益成熟的有限元分析軟件給大型復雜結(jié)構(gòu)動力檢測方法提供了堅實有效的技術(shù)支持。建立一個滿足工程精度要求，反映結(jié)構(gòu)力學特征的有限元模型是進行井架結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵一步。但由于問題的復雜性，可利用的試驗信息量少，有限元模

5、型自由度數(shù)遠遠多于試驗可測的自由度數(shù)等原因，盡管國內(nèi)外發(fā)表了大量的有關(guān)有限元模型修正的文章[4~5]，但離實際應用尚有差距。本文采用一階搜索優(yōu)化方法[6~7]，利用結(jié)構(gòu)試驗測得的部分固有頻率，對有限元模型進行修正，并應用該模型對高階頻率和應力反應進行了預測，預測結(jié)果取得了令人滿意的效果，說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測。為鉆井過程中整套鉆機系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行提供了新的評價方法。二、井架動力特性識別鉆井井架屬于典型

6、的多自由度結(jié)構(gòu)體系，該體系的強迫振動方程[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??y???y??向量。1.頻響函數(shù)識別(1)隨機激振頻響函數(shù)識別當激勵為隨機激振時，結(jié)構(gòu)反應也為隨機振動。則由隨機振動理論可知，頻響函數(shù)可按)(?H下列公式計算：(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)無輸入量測的頻響函數(shù)識別當無法測量輸入或輸出記錄時，可利用式(4)估計頻響函數(shù)。此時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??????實際應用中可假定脈動風或海洋波浪激勵為有限帶寬白噪聲，可見，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，且測點又不靠近振型的節(jié)點時，結(jié)構(gòu)相對于地面的彈性響應比基礎的剛性運動大得較多，可以作這樣的近似。三、動力有限元模型修正

9、假定有限元模型和模態(tài)試驗測得的前m階固有頻率分別為和(其對應的特征值為和)，ififi?i?將其前p階固有頻率作為狀態(tài)變量，相對誤差平方和作為目標函數(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)作為設計變量，則結(jié)構(gòu)固有頻率的修正問題可轉(zhuǎn)化為如下的非線性最小二乘問題，具體可寫為如下一般形式：(19)????????????????ffFTpiiiminmin21?????約束：ul?????該問題可用一階搜索優(yōu)化方法來解

10、決。設第k次迭代時的設計變量為，第k1次k?迭代時的設計變量可由下式得到：1?k?(20)kkkkd??????1式(20)的關(guān)鍵是構(gòu)造搜索方向和步長因子kd。k?1.搜索方向的構(gòu)造kd若第k次迭代時的搜索方向為，則第k1kd次迭代時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?上式中為目標函數(shù)對設計變量的導數(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)量矩陣對設計變量的導數(shù)，時，取?0?k。00sd??2.步長因子的確定k?可通過一階搜索法確定，其基本思想是求k?，使目標函數(shù)沿搜索方向達到最小，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：開始時令，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準則；(25)????kTkkkkdsFdF???????步3如果(25)式滿足，?。蝗绻?25)式不???k滿足，用二次插值法求：?設(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)中的三個條件。令得??0???n(29)??????????00120???????????k四、井架動力測試與評價1.鉆井井架模態(tài)參數(shù)測試與識別對某鉆井隊使用的ZJ40鉆機JJ22542型井架進行了振動及應力測試，該井架高度47m，井架最大設計鉤載為2250kN(56輪系)，結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖1所示。鉆井井架XX向和YY向結(jié)構(gòu)不對稱，因而在大腿立柱上XX向和YY向各布置5個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。測試井架在瞬態(tài)剎車沖擊作用下井架兩個方向的激勵反應。1號拾振器XX和YY的位移反應時程曲線（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)前述的振型識別理論，識別得到前二階振型如圖6所示。可以看出，振型曲線比較平滑，基本沒有明顯突變的節(jié)點，說明井架沒有嚴重的損傷缺陷，