石油鉆機(jī)井架動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析.pdf

1、井架是石油鉆機(jī)起升設(shè)備的重要組成部分之一，在油田鉆井中，用于安放天車，懸掛游車、大鉤及專用工具，起下鉆、下套管等。作為承載構(gòu)件的鉆機(jī)井架，其工作環(huán)境遠(yuǎn)比一般的鋼結(jié)構(gòu)物惡劣。井架結(jié)構(gòu)要承受提放鉆具的大鉤載荷、風(fēng)激勵(lì)產(chǎn)生的風(fēng)載荷以及鉆機(jī)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)載荷等動(dòng)載荷作用。目前，采用等效靜力法研究井架結(jié)構(gòu)，僅僅能滿足井架設(shè)計(jì)階段的基本要求，對(duì)井架在動(dòng)載下的振動(dòng)響應(yīng)沒有進(jìn)行深入研究。特殊情況下的縱向沖擊響應(yīng)，正常工作階段受周期性持續(xù)載荷作用的響應(yīng)

2、，以及在風(fēng)載荷作用下的風(fēng)致振動(dòng)問題已經(jīng)受到關(guān)注。在動(dòng)載下對(duì)井架進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，能夠更有效地減少或避免油田生產(chǎn)中發(fā)生的井架動(dòng)力失效或被風(fēng)刮倒而造成的安全事故。因此，開展動(dòng)載荷作用下的鉆機(jī)井架動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，對(duì)井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和油田安全生產(chǎn)有著重要指導(dǎo)意義。 本文主要以前開口鉆機(jī)井架為對(duì)象，根據(jù)彈性體理論和模型等效原則建立了用于動(dòng)態(tài)特性分析的井架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)井架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作實(shí)際將其劃分為特殊工作狀態(tài)和正常工作狀態(tài)兩種工況，通

3、過概率統(tǒng)計(jì)方法，以大鉤載荷為統(tǒng)計(jì)變量獲得井架豎向載荷概率模型，繼而采用國內(nèi)慣用的編譜原則，編制符合實(shí)際的瞬態(tài)沖擊載荷歷程和周期性試驗(yàn)用程序載荷譜，對(duì)鉆機(jī)井架進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析與動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算，得到了井架在動(dòng)載何作用下的變形和應(yīng)力變化，以及井架頂部、二層臺(tái)和人字架等主要部位在不同方向的時(shí)間響應(yīng)變化規(guī)律和振動(dòng)特性。 采用ANSYS軟件對(duì)井架進(jìn)行了模態(tài)分析，獲得了前10階固有頻率和振型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)譜分析，得到井架的頻率響應(yīng)特

4、性。 運(yùn)用空氣動(dòng)學(xué)原理，研究了大慶油田的陸地風(fēng)場(chǎng)特性，進(jìn)行了井架結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷譜分析。現(xiàn)場(chǎng)采集大慶地區(qū)從1960～2003年間44年的年最大風(fēng)速氣象資料，建立了極值Ⅰ型概率分析數(shù)學(xué)模型，對(duì)鉆機(jī)井架的設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)油田生產(chǎn)實(shí)際，建立了9種模擬井架結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的載荷工況，運(yùn)用結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算了四段井架結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)和等效脈動(dòng)風(fēng)載荷。用能量法系統(tǒng)分析了各種脈動(dòng)風(fēng)速譜和風(fēng)力譜的基本規(guī)律，給出了基于三角級(jí)數(shù)疊加諧波合成法的

5、脈動(dòng)風(fēng)模擬方法，并采用Matlab6.5軟件給出了風(fēng)載荷的數(shù)值模擬結(jié)果。 探討了鉆機(jī)井架風(fēng)致振動(dòng)的安全評(píng)價(jià)方法。通過分析風(fēng)載荷與井架結(jié)構(gòu)的相互作用和破壞形式，運(yùn)用安全度和疲勞驗(yàn)算方法，評(píng)價(jià)了井架結(jié)構(gòu)風(fēng)振安全性能。用風(fēng)玫瑰圖描述了大慶地區(qū)冬季、夏季、全年的主導(dǎo)風(fēng)向，建立了油田安全生產(chǎn)中的井位安裝方位圖。安全評(píng)價(jià)結(jié)果表明，井架結(jié)構(gòu)在颶風(fēng)情況下，井架頂部已經(jīng)超過安全度控制極限，可能出現(xiàn)第一風(fēng)向傾倒，但不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。分別研究了周期鉤