毕业设计（论文）-12000米钻机井架底座有限元新模型建立与强度分析.doc

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）开题报告题 目：12000米钻机井架底座有限元新 模型建立与强度分析 学生姓名： 院 （系）： 机械工程学院 专业班级： 指导教师： 完成时间： 20年 月 日 1.课题的意义 近年来钻机的发展有了长足的进步，以液压盘式的刹车，电动钻机，顶部驱动钻机系统，液压自动钻机为代表的新技术装备成为钻井机械的亮点，而DZ900/12-X底座用于特深井钻机ZJ120/9000DB的配套使用底座，用以安放钻机井架、绞车、转盘及放置立根和钻井工具，提供钻井作业操作的场所和井口装置的安装空间。由于这种钻机与底座的系统中，钻井过程中，底座的振动与井架的振动相互影响，相互耦合，对钻井的质量和钻机都产生一定的影响，因此，研究底座对于结构设计理论，提高设计水平，提供优秀的钻井设备都是有很大的理论意义及现实意义。这些年来，我国的石油装备水平已有了大的提高，特别是钻机工程，为了追求安全，稳定，没有事故发生并且在国际上有好的声誉，我们必须做好做强我们的石油工业，这是关系我国石油事业的大事，我们不能有任何的马虎，认真做好每一个环节，分析任何一种情况。2.国内外研究现状 陆地用的9000m及以上超深井钻机的井架底座而言，底座以弹弓式，旋升式构成的自升式结构为主，少量辅助箱叠式结构。2.1 箱叠式箱叠式结构主要以左右箱座及钻台构件组成，超深井钻机12m高的满足陆上运输，其箱座一般分为四层。箱叠式结构尽管节奏紧促，承载性能及整体稳定性较好，但因高位安装工作量大，尤其是支脚处于较高位置的井架，钻台面的绞车及钻盘等设备均须在高位安装，为此需动用多台大吨位的起吊设备，其安装周期和费用相对较高，另外，井架，绞车这些大吨位设备安装时对台吊车同时起吊的安全性较差，鉴于此，近年在超深井钻机中的箱叠式结构的使用相对较少。2.2弹弓式 弹弓式底座是根据平行四边形机构的运动原理，利用钻井绞车的动力通过游吊系统拉动底座起升大绳或通过专配动力拉动底座起升绳系，使底座及台面设备从低位整体起升到工作位置的结构。该结构的明显优点在于可实现全部高台面工作设备的低位安装，同时因经济爱，人字架支脚及绞车均位于钻台面，使得钻台以下结构比较简捷，但其主要缺点是绞车等设备工作位置及井架支脚均在钻台高位，整机的重心较高，钻井时整体稳定性差，另外，起升底座时井架及绞车均随之起升，因而底座起升载荷相对较大，这一点在超深井钻机中表现的更加突出。2.3 旋升式旋升式底座结构的显著特点是井架支脚位于底座的下基座中，在保留弹弓底座平行四边形机构运动原理的同时，克服了弹弓式底座稳定性相对较差的缺点，该型结构包括井架扒杆起升和人字架起升。2.3.1 扒杆起升的井架底座扒杆用来替代传统井架的人字架，且只承担对井架的起升，扒杆质量比人字架要轻，另外井架下段可作为底座的一部分，该结构源于美国金字塔公司，对扒杆起升的底座来说，按绞车位于后台低位或位于钻台面工作的不同，其结构又分为2种。1. 底座后台高度在2m以下，用于安放，连接绞车，前台为平行四边形结构并与井架连接，其主要构件随井架的起升从低位位置升至工作位置，其优点是质量较大的绞车勿需上钻台，另外，井架起升绳可通过采用多股绳系降低其受力，使绳径减小。缺点是可司偏方及钻台有关偏房及钻台有关铺台等构件不能在低位一次完成安装，仍需在钻台高位安装。2. 钻台分为前后2部分，前半部分由立根台及立柱组成并与井架相连，随井架的起升由低位升至工作位置。后半部分由绞车梁及立柱组成，在低位时先将绞车安装在绞车梁上，用绞车动力通过专配的起升绳系将安装绞车的钻台后半部分整体由低位升至工作位置。其优点在于可满足绞车位于高于的钻台结构，另外由于将钻台分为一部分，因此尽管后半部分带着绞车起升，但相对整个钻机整体起升的结构，其起升力要小一些。缺点是结构相对复杂，构件多，钻盘梁，司钻偏房及钻台有关铺台还需在高位安装。2.3.2 人字架起升的传统旋升式底座该结构类似上述绞车高位工作的扒杆起升式井架，底座，前后台也是分次起升。不同的井架采用人字架起升，此结构也存在构件多，起升过程复杂，钻盘及司钻偏房等需在底座起升后进行高位安装等缺点。3.毕业设计的主要内容 第一部分主要对石油钻机底座的组成及工况进行划分与描述。根据自升式底座的结构特点，技术要求以及在各种状态下的工作特点，研究了钻机底座的正常工作状态，即正常钻进工况和起下钻工况，并对此工况进行描述。第二部分主要实现对钻机井架及其底座承受的载荷进行分析。分析研究底座可能承受的载荷情况，根据结构分析所用载荷组合的基本原则，确定其主要载荷工况是钻井工况，钻井工况又可分为大钩静载荷工况和钻盘梁静载荷工况，考虑到所有可能出现的载荷对底座产生的最不利影响，底座的静力分析主要按最大钩工况和最大的转盘梁载荷工况计算分析。第三部分主要研究钻井底座有限元理论与方法。底座是一个空间刚架结构，对其进行结构分析最有效的方法是有限元方法，对于底座的复杂的结构，应用有限元软件可以轻松进行结构分析。第四部分主要研究底座的结构组成，实现计算模型的建立，在井架底座有限元模型的建立，详细地分析了井架底座的结构组成及连接关系，把它看成多个框架的组合体，建立框架结构单元分析的概念。井架底座的有限元模型基本上反映了井架及底座的有限元模型基本上反映了井架及底座的实际结构特点。第五部分重点实现底座的力学分析，采用有限元方法，应用ANSYS软件对底座主要进行结构静力学计算。通过对有限元模型进行约束，加载，求解，得出计算结果，并对其详细分析。4.所采用的方法、手段以及步骤等 随着计算机技术的不断发展和可供大型空间刚架结构分析的计算机辅助分析软件与测试软件的逐渐成熟与完善，对空间结构的受力分析大都采用有限元方法，使得分析过程更细，求解精度更高，对象底座这样的大型复杂结构进行静力学分析成为可能，并为本课题的探索和研究创造了极为有利的条件。5.阶段进度计划。结合导师的要求和自身的实际情况，决定以下设计进度第一阶段查阅资料，做外文翻译，编写开题报告调研，对照资料了解其底座的形式和特点。第二阶段利用pro/e建立井架底座的模型。第三阶段完成模型在ansys的导入及计算校核，并且分析其位移图和应力图。第四阶段写设计说明书，画装配图和零件图。完成设计校核及对比比较。准备设计答辩。参考文献：1.常玉连，刘玉泉。钻井井架、底座的设计计算石油工业出版社；2.韩成才，朱小平。石油钻采设备陕西科学技术出版社；3. 黄悦华，王进全，李厚岭，李治平，刘树前.超深井钻机井架底座特点分析4.李继志，陈荣振。石油钻采机械概论中国石油大学出版社；5吕兰，陈俊中深井陆地钻机井架底座结构和发展方向.石油矿场机械；6.陈荣振。石油钻采机械概论中国石油大学出版社；7.潘浩，李佳玲，池胜高，危峰新型钻机井架及底座设计模型石油机械；指导教师意见：指导教师签名：年 月 日系（教研室）意见：主任签字：年 月 日12000米钻机井架底座有限元新模型建立与强度分析摘要：随着油气资源的不断开发，钻井面向更深的地层，超深井钻机的应用成为必然。作为钻机起升设备的重要组成部分井架和底座，在钻井作业中起着重要的作用。与普通钻机不同的是超深井钻机的工作环境更为恶劣，名义钻井深度和设备重量等显著增加，井架和底座承受的静载荷和动载荷更大。井架和底座的强度和安全性是钻进得以正常进行的保障，所以对超深井钻机井架底座的静态特性研究是十分必要的。本文以ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座为研究对象，根据其结构特点应用pro/e软件完成DZ900/12-X底座力学模型的建立。在选单元方面，考虑到12000m对于分析准确性有更高的要求，本文以solid45建立超大规模的单元模型，而不是传统的以梁作为单元建立模型，建立单元另外本文依据最新API Spec 4F钻井和修井结构规范中载荷设计的原则，进行静态特性分析，详细分析得到的结构应力分布和变形情况。最后根据静态特性分析结果对底座结构安全等级进行综合评价。关键词：超深井钻机，井架底座，静态特性。12000 meters drilling machine derrick base finite element new model building and strength analysisAbstract: With continuous oil and gas resources exploitation, drilling develops.To deeper formation, the use for ultra-deep drilling rigs is becoming necessity，As the important component of rig hoisting equipments derrick and substructure, which play a important role in drilling operation .Different from ordinary rig ,ultra-deep drilling rig working environment is even worse ,nominal drilling depth and equipment ,a significant in crease in weight ,derrick and substructure to with stand the static load and dynamic load greater. The strength and security for derrick and substructure is the protection of drilling to be normal, therefore, study on static and dynamic characteristics of ultra-deep drilling rig derrick and substructure is necessary.In this paper,ZJ120 /9000DB ultra-deep drilling rig derrick substructure for the research object, according to its structural features ,application ANSYS finite element analysis software to complete mechanical model derrick substructure-building .Based on the latest API Spec 4FSpecification for Drilling and Well Servicing Structures in the payload design principles, focusing on selected conditions 1a,the completion of drilling rigs and static characteristics of substructure of the overall analysis ,obtained the structure of the stress distribution and deformation ,and gives the safety factor .Finally ,according to analysis of static characteristics，evaluate the structural safety level of derrick substructure as a whole .Keywords: ultra-deep well rig ,derrick substructure ,static characteristics.目 录（目录项为自动生成，不用修改，只需刷新）1 绪论11.1 石油钻机底座概述11.1.1 钻机井架底座介绍11.1.2钻机井架底座的发展趋势21.1.3 ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座的特点21.1.4 钻井工艺对钻机底座的基本要求31.2 对正常工作状态的简单描述31.3 课题内容研究的意义41.4 课题研究的主要内容42 底座承受的载荷分析52.1 概述52.2 12000m井架底座承受载荷分析52.2.1 恒定载荷52.2.2 工作载荷62.2.3 自然载荷62.2.4 安装起升载荷62.2.5钻机井架底座在钻机整体拖运与运输过程中承受的载荷62.3 底座载荷工况的确定72.4 本章小结73 钻机井架底座有限元分析理论与方法83.1 概述83.2 空间问题的基本方程83.2.1 平衡方程93.2.2几何方程93.2.3 物理方程103.3 四节点四面体单元103.3.1位移函数113.3.2 应力应变关系123.3.3 单元刚度矩阵133.4 六面体单元143.4.1 位移函数143.4.2 应变矩阵与应力矩阵163.4.3 单元刚度矩阵173.5 本章小结184 ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座模型的建立194.1 引言194.2 井架底座力学模型的简化194.3 井架底座单元的实现194.4 井架底座力学模型的建立204.5 本章小结205 底座单个楔形立柱的分析215.1 引言215.1.1 工字钢的模型215.1.2 基本假定225.2 挠度计算简图及公式225.2.1 ansys建模235.2.2 加载及计算结果对比235.3 分析稳定性及临界载荷。235.4.1楔形截面悬臂钢梁临界荷载公式推导245.4.2 ansys解和公式解的对比255.4 本章小结266 ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座有限元模型建立与静强度计算276.1 引言276.1.1 许用应力的规定276.1.2 次应力的概念276.1.3 ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座技术参数286.2 设计载荷标准及建立有限元模型286.2.1模型建立与载荷的施加296.3 求解分析变形与应力结果306.4 本章小结33结 论34参考文献35致 谢37381 绪论1.1 石油钻机底座概述1.1.1 钻机井架底座介绍石油钻机井架底座是钻机起升设备的机械核心, 用以安放钻机井架、绞车、转盘及放置立根和钻井工具，提供钻井作业操作的场所和井口装置的安装空间。底座是和井架相配套的钢架结构，根据设计的不同，底座的功用也有一定的差别，但大体上还是不变的。一般情况下，底座用于支撑整个钻井设备的重量、安放井口装置、调节井口中心位置等。除了顶部驱动钻机外，底座转盘还起着承受井下钻具重量和产生持续钻进扭矩的作用。虽然大多数井架底座的功用基本相同，但由于地质条件、钻井工艺的要求和环境等条件的限制，井架及底座的结构形状也不尽相同。前面论述了井架的发展历程，伴随着钻机设计的不断更新，底座的结构也跟着不断变化。层箱式、箱快式和自升式底座是底座发展历程中最具有代表性的结构形式，下面将一一论述其特点。所谓层箱式底座就是在普通的箱式底座基础上的发展起来的，通过连接结构杆件将一系列的箱形框架组合起来，其主要的特征是以箱型框架作为基本构件，用一些杆件连接组成的。所谓层箱式底座，即箱形框架叠累而成的结构，故又称箱叠式底座。其钻台高度可以根据钻井工艺的要求不断改变，有双层箱式，三层箱式底座，个别还有四层箱式，钻台高度可达4-10米。该底座的优点是高度可调、设计，制造相对简单，但该底座的结构显得笨重、复杂，不易安装和拆迁底座，高空作业需要大型的起重设备。箱块式底座较层箱式底座有了一定的发展和优化，选取了集成模块的方案，把立根盒梁、转盘梁和绞车梁分别制作成特定的箱快式模块，组装的时候只需要用高强度销轴连接这些模块即可。其主要的特征是：根据底座各部分的不同功用，分别设计成不同的箱形框架，组合梁及板块，用销轴连接组装成整体。立根盒梁与绞车支架之间通过转盘梁有销轴连接起来，组成钻台。支架支撑于两个侧箱之上，以适应井架低位整体起升的要求。为克服重型绞车上高钻台的困难，绞车一般采用主绞车，猫头绞车分离方案，主绞车放在机房底座上，猫头绞车在钻台上，因此钻台与机房底座有较高的高度差。该底座的优点是安装和拆卸比较方便，工作量小。自升式底座是近年来发展起来的一类钻机底座，其主要的特征是：底座在地面组装，组装时的钻台高度一般为卡车的高度（约1.5m），同时将绞车，钻盘，井架等在底座上安装固定，然后通过底座自身配备的动力传动系统或钻井绞车的动力，将底座整体起升到钻台的工作高度。其代表了底座的发展趋势，其优点是可实现低位安装起升，且钻台面钻井设备（绞车、井架、人字架、转盘等）均可一次性低位安装在底座顶层上，而要动用重型起吊机械高位安装。在某些程度上较小了劳动量，消除了人身安全隐患。自升式底座的结构类型很多，按照起升方式可分为三种主要类型：弹弓式底座，旋升式底座，伸缩式底座。1.1.2钻机井架底座的发展趋势随着世界各国油气资源勘探、开发的不断进行，国际石油资源的竞争日益激烈，谁能在最恶劣的环境下实现钻井和采油，谁就能获取更多的经济效益。对于石油钻机来说，这就对井架底座的设计提出了更高的目标，要求井架底座要向着社会需要的方向发展。总体来说，石油钻机井架底座的发展趋势有两个明显的方向：快速移运性和超深井这两个方面。有很多井位相距较近或者是丛式井，钻井完毕后，需要尽快的做近距离的搬迁，如果不能快速移动，势必浪费了钻井时间，造成经济损失。目前有相当一部分在国内服役的中型和重型模块钻机井架底座均不能适应快速移运、快速安装的要求。所以模块集成化程度高、安装和拆卸井架底座方便且具有快速可移的特点是新型钻机井架底座发展的一个重要趋势。另外，随着陆地油气资源开采的不断进行，钻井向海洋和陆地的深井和超深井方向发展，这就要求钻机井架和底座的设计要面向深井和超深井。对于超深井钻机井架底座的设计，不仅要考虑最基本的设备连接、井架底座的强度、刚度和稳定性等，还要根据超深井钻机的工作特点，全面衡量其使用的安全可靠性以及对环境的适应程度等条件，所以钻机井架底座面向深井、超深井服务也是其发展的一个重要趋势。本文以ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座为例，研究井架底座整体系统的静态特性。1.1.3 ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座的特点目前世界超深井钻机以9000米和12000米为主要代表，这里因为课题研究的需要仅介绍12000米超深井钻机井架底座的特点。12000米超深井钻机配套的旋升式底座由上座、基座及之间的立柱构成四边形结构，利用平行四边形机构的运动原理，依靠绞车动力通过井架导向滑轮的起升大绳来实现底座以及台面设备的低位整体起升，这样底座起升载荷较小，降低了底座的起升风险，同时增加了底座工作的整体稳定性。井架支铰销接于底座基座之上，井架和底座起升相对独立，起升稳定性较好。底座处于低位时钻台向井口前方倾倒，起升时由前向后从低位整体起升到工作位置。底座设有缓冲装置，起升到工作位置前，利用缓冲油缸使底座平稳就位，再通过销轴与井架相连，从而增强了底座安装的稳定性与可靠性。除以上所述，12000米超深井钻机井架及底座在选材和结构尺寸方面较一般钻机井架底座有明显不同主要表现在以下几个方面：杆件结构尺寸增大；结构材料防腐蚀、耐低温特性好；大钩载荷与名义钻井深度相比有较大的增加；钻机配重设备的质量.底座采用高台面、大空间的结构，BOP移动导轨承载能力按2x400kN设计，满足超深井钻机对井口安装防喷器高度的要求，保证泥浆回流管有足够的回流高度。1.1.4 钻井工艺对钻机底座的基本要求第一，应有足够的承载能力，以保证起落井架、拖运、下套管、起下钻具等各种工况正常进行。第二，应有合理的高度与空间，以便满足钻井工艺要求和方便工人操作。第三，便于拆装、移运、尽量缩短非钻进辅助时间。对中、小型钻机底座，设计时必须考虑钻机整拖要求。第四，应有合理的经济指标，即在满足上述使用要求的同时，力争结构简单。目前一般陆上钻机，底座井架的重量约占钻机总重量的3040%为宜。1.2 对正常工作状态的简单描述正常工作状态。1.正常钻进 正常钻进又称纯钻进，是钻井生产获得进尺的唯一手段。其过程为：启动转盘（或井底动力钻具）通过钻杆柱带动井底钻头旋转，借助刹车，给钻头施加适当的压力（钻压）以破碎岩石。与此同时，开动泥浆泵循环泥浆，冲洗井底，携出岩屑，保护井壁，冷却钻具。只要根据不同的地层情况、钻进深度、钻头类型等，使转速、钻压、排量和泥浆性能各自都处于最佳参数值，就能获得最快的钻进速度。2.下钻 将由钻头、钻艇、方钻杆组成的钻杆柱下入井中，使钻头接触井底，准备钻井，这样的过程叫做下钻。首先，起挂吊卡，以高速档提升空吊卡到达一立根的高度，同时在二层台处，由操作工扣上吊卡，然后将立根稍提移至井眼中心，对扣，再拉猫头悬绳或悬绳器上扣，接着用猫头和大钳紧扣，稍稍提起钻柱，将其移出吊卡（或提出卡瓦），用机械刹车或水刹车（或其它辅助刹车）控制下放速度，使钻柱下放到一立根距离，最后借助吊卡（或卡瓦）将钻柱轻轻座在转盘上，从吊卡上脱开吊环，如此重复操作，直至下所有立根，接上方钻杆就可以准备钻进了。随着正常钻进的继续进行，井眼不断加深，需要不断地接长钻杆柱，故而中间要简单完成接单根操作（每次接入一根钻杆），以保证钻进的连续性。3.起钻 钻进到一定程度，钻具磨损，需要更换新的钻头，便将井中全部钻杆柱取出，即起钻操作。整个起钻过程首先由起升设备上提钻具，全露方钻杆，让钻柱座在转盘上，接着旋下方钻杆，将方钻杆水龙头放进大鼠洞里，然后提升钻柱到一立根高度（一般指23单根的组成长度），使用吊卡或卡瓦使钻柱座在转盘上，由大钳和猫头（或松扣气缸）松扣，接着由上钳卡住接头，正向转动转盘卸扣，同时移动立根进入钻杆盒和二层台指梁中，摘开吊卡，再下放空吊卡到井口，如此重复上述操作，完成连续起下立根，每一立根构成一起钻操作循环。1.3 课题内容研究的意义超深井钻机井架底座的设计理念是一种新的趋势，在钻井过程中，井架底座不仅要承受设备的恒载作用，而且要承受各种动力载荷的作用。超深井钻机井架底座的安全性能直接影响到钻井的经济效益和现场工作人员的生命安全。由于特殊的工作环境，对于超深井钻机井架底座来说，从设计到产品实现这期间投入的人力、物力和财力要远大于一般钻机，更重要的是在工作过程中要保证静动态等各项指标的安全性。因此，应用有限元分析软件ANSYS建立合理的ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座整体的力学模型，对其进行整体的静动态特性分析，详细了解恶劣工况下的位移和应力分布情况。分析井架底座起升过程中铰支座的受力变化情况。所有这些对于我们深入了解该钻机井架底座的力学性能提供强有力的帮助，可以有效避免钻井现场危险事故的发生，计算结果可反过来指导超深井钻机井架底座结构的改进设计，指导井场作业人员的操作，对我国石油钻机井架底座的设计制造有着积极的指导作用。1.4 课题研究的主要内容本课题主要研究超深井12000米钻机井架底座整体系统的静态特性，详细可分为以下几各方面：1.底座承受的载荷分析。2.钻机井架底座有限元分析的理论与方法3.ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座系统有限元模型的建立。主要内容包括：ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座结构模型的简化，井架底座单元solid45的实现。4.运用ANSYS软件完成ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座的静态特性分析。主要内容包括：确定钻井结构计算的许用应力及安全系数，分析载荷设计标准的计算方法。最后根据最新API Spec 4F 钻井与修井结构规范载荷设计的要求，进行ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座整体系统的静力学有限元仿真。2 底座承受的载荷分析2.1 概述石油钻机井架底座是钻井设备系统的重要组成部分，在运移、安装、起升及操作过程中承受多种静、动态载荷的作用。为保证钻机井架底座在使用寿命期限内能安全可靠地承受设计载荷，不能发生强度破坏及较大程度的变形或失稳，否则将影响正常的钻井操作，严重情况下将导致井架倾覆，造成设备和人身的重大损失。因此，对其进行精确的结构分析，以便发现结构的薄弱部位，是十分必要的。另外，石油钻机井架底座要使用大量的钢材，过分保守的结构设计将造成钢材的不必要浪费。通过结构分析可以弄清楚底座结构有哪些部位属过剩环节。精确的结构分析取决多个因素，首先应当明确钻机井架底座的载荷工况，在运移、安装、起升及操作过程中，钻机井架底座处于不同的工作状态，工作状态的不同，承受载荷也不同。钻机井架底座的主要工作状态是钻井操作，承受的载荷包括钻井设备自重、井架自重、底座自重以及在钻井作业过程中动力传动对底座产生的作用负荷、套管负荷、钻柱负荷、钻井作业动负荷、解卡钻等处理事故负荷。由于钻机井架及其底座承受载荷的复杂性，在结构分析中，选择合适的载荷工况是至关重要的，载荷工况选择不当，分析计算结果将不能反映钻机井架及其底座的实际承载情况，就失去了结构分析的意义。2.2 12000m井架底座承受载荷分析钻机井架底座在运移、安装、起升及钻井操作过程中承受多种载荷作用，另外井架底座承受的载荷在一定程度上具有不确定性，合理确定和计算井架底座所承受的载荷，对于精确地进行结构分析是十分重要的。根据现场调研及有关文献，钻机井架底座所承受的载荷主要包括：恒定载荷、工作载荷、自然载荷、安装载荷、整体拖运和运输载荷，动态井架的动力载荷。2.2.1 恒定载荷恒定荷载主要是井架底座结构的自重，机械设备及工具的重量。钻机底座承受的恒载，除底座构件的自重外，主要是转盘、绞车及其它设备的重量。对新设计的的结构，根据设计经验，有两种估算结构自重荷载的方法：（1）参照现有类似结构的重量来确定；（2）利用结构自重计算公式来计算。设备与工具的重量，可根据选用的设备与工具的规格，从产品目录和技术手册中查取。2.2.2 工作载荷工作载荷是指钻机井架底座在钻井操作过程中所承受的载荷。井架底座的工作载荷包括：最大的套管柱重，立根和立根盒载荷等。（1）立根载荷和立根盒载荷立根载荷是在钻井过程中靠放在钻台上的立根对底座产生的作用力。由立根自重及立根排所受风载（风载的大小与最大承风面积有关）引起的立根载荷，它通过二层台指梁按水平方向作用到井架相应节点上，在垂直方向直接作用在底座立根盒梁上。立根盒载荷是立根盒内所存放的带接头的钻杆和钻铤的重量。（2）最大的套管柱重量最大的套管柱重是作用在钻机底座的转盘梁的载荷。最大的套管柱重量需根据钻井工艺要求的精神结构来定，以钻机工作地区的最大尺寸的技术套管柱或最深的油层套管柱尺存为依据。2.2.3 自然载荷井架及其底座承受的自然载荷包括：风载荷、冰雪载荷、温度载荷和地震载荷。一般情况下设备结构上的堆积冰雪，能及时清除，所以井架底座可以不必考虑冰雪载荷。自然载荷对钻机井架底座的施加具有一定的随机性，而且受钻机的使用地区及钻井地区环境的影响较大，目前在钻机设计中，对风载荷的影响已有规范可查。在钻机井架底座的设计中是否考虑地震载荷，应根据钻机使用地区的特殊需要，一般不作考虑。温度变化使得结构或构件中产生温度应力，井架底座的工作环境一般是露天，工作条件恶劣，昼夜温差变化大，且结构为超静定结构，因此，在一些温度变化大的地域工作的井架底座应考虑温度的影响。2.2.4 安装起升载荷安装载荷是指井架底座在安装起升过程中所承受的载荷。本文研究的井架底座是旋升式底座，所有的钻井设备在钻机使用前可全部安装在底座上，开始使用钻机时，首先起升井架，然后再把底座起升到工作位置。井架底座的起升是利用钻机自身的绞车动力，底座承受的载荷主要有绷绳力及井架支脚对底座的作用力。2.2.5钻机井架底座在钻机整体拖运与运输过程中承受的载荷钻机在平原地区油田钻井时，迁移新井位一般采用整体拖运的方式。在钻机整体拖运过程中，作用在钻机井架底座上的载荷主要是拖运牵引力和拖运启动或停止时产生的惯性力。经过测试和理论分析，拖运的牵引力为钻机底座在地面间的摩擦力，它等于底座耕犁地面和淤积于底座结构内部的泥土产生的综合阻力二者之和。井架底座的构件在运输过程中遇到下列载荷：构件自重，运输时产生的惯性力和冲击力。构件的惯性力和冲击力可用比例系数乘以构件的自重来考虑。运输载荷与其它载荷相比较小，并且只在运输过程中发生，在构件中产生的应力数值不可能超过设计强度。但在优化设计中，对某些在工作状态受力很小的构件，运输载荷可作为它们的截面设计的约束条件之一。如果钻机井架底座在运输过程中产生了损伤，将对其承载能力有较大的影响，及时检测并发现井架底座出现的损伤，通过结构分析，对其承载能力作出合理地评价，可避免钻井设备发生意外事故。2.3 底座载荷工况的确定以上分析研究了钻机井架底座可能承受的载荷，实际上上述载荷并不是同时作用在钻机井架及其底座上，要进行分析必须确定对其影响最大的工况。根据以上分析，井架底座的载荷工况可划分为：正常钻井工况、安装工况及拖运工况。至于附加作业及处理事故工况，在井架底座的结构分析是无法考虑的，除非结合一次具体的附加作业事故处理。井架底座的每一种载荷出现的概率是不同的，结构分析所选用载荷组合的基本原则是按对井架底座最不利的情况，合理地把可能出现的载荷都组合起来作为结构分析的计算载荷。钻机井架底座的主要载荷工况为转盘梁静载荷工况。考虑到所有可能出现的载荷对井架底座产生的最不利的影响，最大转盘梁载荷为最大套管柱重量、立根载荷、所有钻井设备的自重、风载等载荷的组合。钻机井架底座的安装载荷工况包括井架底座的起升，相比之下，对井架底座的强度影响都比较小。归纳以上关于钻机井架底座的载荷工况分析，底座的静力结构分析应主要按最大转盘梁载荷工况考虑。2.4 本章小结1.精确的结构分析应首先明确载荷工况，井架底座的主要工作状态是钻井操作，此工作状态承受的载荷比较复杂，选择合适的载荷工况，才能反映出钻机井架底座的实际承载情况。2.本章分析了钻机井架底座可能承受的载荷，实际上这些载荷并不是同时作用，需选择对井架底座影响最大的工况，根据载荷组合的基本原则，确定底座的主要载荷工况是钻井工况。3.钻井过程包括起下钻和下套管，由于两种作业不是同时进行，钻井工况又可分为大钩静载荷工况和转盘梁静载荷工况，考虑到所有可能出现的载荷所产生的最不利影响，而对井架底座来说，主要按一种工况考虑，即最大转盘梁载荷工况。3 钻机井架底座有限元分析理论与方法3.1 概述前开口形井架底座是一个空间刚架结构，对其进行结构分析最有效的方法是有限单元法。应用有限元法对刚架结构进行结构分析，分析步骤是先建立单元刚度矩阵，考虑到单元局部坐标系与结构的整体坐标系不一致，需要将在局部坐标系内的单元刚度矩阵转换为整体坐标系内的单元刚度矩阵，然后按照整体刚度矩阵的集成原理将所有的单元刚度矩阵合成为整体刚度矩阵，最后得到整个结构的平衡方程。如果节点载荷和边界约束为已知，求解平衡方程式，即一组线性方程，就可得出节点位移。3.2 空间问题的基本方程空间弹性结构在载荷作用下，任一点的应力状态可用如下图3-1所示的六面体表示，有三个正应力分量，根据剪应力互等定律，有三个独立的剪应力风量。应力分量的正负号规定为，如果某一方面的外法线方向与坐标轴正向一致，这个面上的应力分量就以沿坐标轴正向方向为正，与坐标轴反向为负，如果某一方面的外法线方向与坐标轴一致，这个面上的应力分量就以沿坐标轴正向方向为正，与坐标轴反向为负。图3-1 空间应力向量6个独立的应力分量表示为 （3-1） 三个位移向量表示为 （3-2）6个独立的应变分量用向量表示为 （3-3）3.2.1 平衡方程在空间弹性体内任一点沿直角坐标x,y,z,方向的平衡方程。 （ （3-4），是单位体积力在x,y,z方向的分量。用矩阵表示为 （3-5） 其中H是微算子矩阵f为体积力向量，f=3.2.2 几何方程几何方程表示应变与位移间的关系，在微小位移和微小变形的情况下，略去位移的高阶微量，则应变与位移间的关系为（3-6）用矩阵表示为 3.2.3 物理方程物理方程为（3-7）将应力用应变表示出来，写成矩阵形式有，其中D称为空间问题的弹性矩阵，表示为 （3-8） 3.3 四节点四面体单元在空间问题有限元分析中，最简单的空间单元是4节点四面体单元，四面体的四个顶点为节点，每个节点有三个自由度，设单元的四节点编号为1，2，3，4，单元的节点位移向量， (3-9)图3-2 四面体单元3.3.1位移函数设各节点的坐标为（）（为1，2，3，4）单元内各点的位移用节点位移的线性多项式表示 ( 3-10)其中(为12个待定系数，他们有单元节点上的位移和坐标决定，将4个节点的坐标和u方向的位移代入式（3-10）的第一个式子中，各节点在x方向的位移为 （3-11）解式（3-11）表示的线性方程组，求出，并将其式3-10的第一个式子中，得 （3-12） 四边体单元的形函数 （3-13）其中, 在各参数的下标按循环轮转变化，就可以求出全部16个系数，用同样的方法可以可以求出,这样单元内任一点三个位移的函数为 (3-14）用矩阵表示为u= （3-15） 形函数矩阵的分块可表示为 （3-16）由于位移函数是线性的，并且包含了常数项，相邻单元交界面上的位移是连续的，所以4节点四面体单元是完备性的协调元。3.3.2 应力应变关系已知单元内任一点的位移后，将式(3-14)代入空间问题的几何方程式（3-6）中作微元运算，结果用矩阵表示为 （3-17）其中 （3-18）表明应变矩阵B中的所有元素都是元素都是常数，4节点四面体单元是常数单元。在得出单元内任一点的应变后，将式(3-17)代入空间问题的物理方程（3-7）中，则单元内任一点的应力与节点位移关系为令称为应力矩阵，根据（3-8）式和（3-18）式进行计算，得出 （3-19），显然4节点四面体单元也是常应力单元。3.3.3 单元刚度矩阵在得出的单元的应变矩阵后，将应变矩阵B，和弹性矩阵D代入单元刚度矩阵计算的积分式（）中，因4节点四面体单元的B和D矩阵都是常量阵，与积分无关。将B,D阵代入计算，把单元刚度矩阵按节点分块形式表示。 (3-20)其中任一分块 (3-21) （3-22）四面体单元对边界的适应强，但结构剖分复杂，对复杂结构，不易区分单元的形状，给结构剖分和计算结果处理带来一定的困难。3.4 六面体单元由于四面体单元结构剖分易出错，所以在空间问题有限元分析中，常采用六面体单元。六面体单元有各种不同的类型，如8节点正六面体单元，8节点斜直边六面体单元，20节点曲边六面体单元。正六面体在实际应用中对结构边界的适应差，但它是研究其他正六面体单元的基础，斜直边六面体单元和曲边六面体单元都可用正六面体为母单元，经坐标变换，进行处理。这里主要讨论8节点正六面体单元，其他的六面体单元将在等单元的内容中讨论。3.4.1 位移函数 8节点正六面体单元每个节点有三个位移分量，节点位移向量为 （3-23）取局部坐标系，原点位于正六面体形心位置，如图3-3所示，设正六面体单元的三条棱边长分别为a,b,c.局部坐标系，与整体坐标系oxyz的关系为图3-3 正六面体单元 （3-24）其中设单元内任一点的位移与节点的位移间的函数关系为 (3-25)在8个节点上，局部坐标值分别为，。将各节点的坐标值和位移代入式（3-25）中，类似与4节点矩阵单元的处理方法，很容易得出形函数 （3-26）这样位移函数为 （3-27）用矩阵表示为 （3-28）3.4.2 应变矩阵与应力矩阵将式(3-28)代入空间问题的几何方程（3-6）中，得出其中 可见分块矩阵中只有三个独立元素，它们分别为： （=1，2，8） （3-29）将应变关系代入空间问题物理方程式中，有： =DB1 B2 B3 B8应力矩阵S= YS1 S2 S3 S8，任一分块 （3-30）由于，都含有坐标，所以8节点正六面体单元，不是常应力和常应变单元，单元内各应力和应变是坐标的线性函数。3.4.3 单元刚度矩阵将式（3-29）和式（3-8）代入中，计算单元刚度矩阵：将整体坐标化为局部坐标： 积分得出单元刚度矩阵的分块表示： （3-31）任一分块 （3-32）其中：（3-33）；。3.5 本章小结 本章主要介绍了井架底座进行结构分析最有效的方法是有限单元法，分析步骤是先建立单元刚度矩阵，在局部坐标系内的单元刚度矩阵转换为整体坐标系内的单元刚度矩阵，然后按照整体刚度矩阵的集成原理将所有的单元刚度矩阵合成为整体刚度矩阵，最后得到整个结构的平衡方程，给出边界条件，求解平衡方程，即可得出节点位移。4 ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座模型的建立4.1 引言建立合理的石油钻机井架底座的力学模型，是进行力学计算分析的基础，计算模型实际上就是现实钻机井架底座的数学抽象。模型的建立要符合以下两个条件：第一，就是所建立的模型必须能够反映实际井架及底座的主要结构特征；第二，从力学的角度出发，所建立的模型必须满足实际井架及底座自由度和受力特点的要求。石油钻机井架底座结构复杂，受力特点以及边界条件多变，应用解析法完成计算分析显然是不现实的，所以必须借助于数值计算的方法来完成。本章将利用pro/e软件完成ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座力学模型的建立，为后面章节中的静态特性研究做好铺垫。4.2 井架底座力学模型的简化ZJ120/9000DB超深井钻机底座中层包括斜立柱，前立柱和后立柱这三部分，底座顶层由左右上座，立根台、绞车梁，转盘梁，立根盒等组成。安装时采用地面低位安装，并且井架通过左右上座箱横梁的销子与底座相连接置立于钻台面上。起升时，先利用绞车的动