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双升式钻机井架及其底座动态特性研究 摘要 近年米，k 形井架的优势被越来越多的用户所认识，自升式底座也正逐渐取代其它类型的底座， 如层箱式、箱块式底座等。本文研究的舣升式钻机井架及其底座就是由k 形井架及自升式底座组成， 它的突出特点是井架支丁| 底座之上，在初始何置，井架及底序折叠住起，能实现钻井设备的低位 安装，整体起升，井具有安装、运输方便，投入使用快捷的优点。本课题住现有研究基础上，与工 程实际紧密结合，通过对破升式井架及底座整体的静、动态特性研究，寻找薄弱环节和安全隐患 以期为现场钻井作业提供理论规范，避免现场钻井事故的发生，进一步丰富、完善和发展井架及底 鹰绵构分析理论。 按照烈升式钻机井架及其底痒的实际结构特点，建立有限元模型，运j ha n s y s 有限元软什按 三种。i 况对其进行静态分析，得出在给定载荷作用时的应力和位移。模态分析作为结构动力特性研 究的一种近代方法，逐渐成为现代j ：捌领域动态分析与设计的核心，它所决定的结构嘲有频率和振 型，止足结构承受动态载荷结构设计中的重要参数，故而成为其他诸如瞬态分析等动力学分析的起 点。本文利用有限元方法完成了钻机井架及其底座的模态分析，获得前十阶i 捌有频率和振型，观察 计算位移与等效应力，得创井架及其底座的振动特性。 本文重点实现了钻机升架及其底座瞬态动力学分析。通过到现场进行数据采集，获得了人钩的 载赫值，以丈钧载斯为统计变量，建立对数上e 态分布模型，以离散的统计特缸e 值米代替连续的实际 孰荷历程，编制得到动态研究所h j 的试验州程序裁荷酱。完成了井架及其底座在止常l ：作状态f 的 瞬态动力学分析寻找剑荐个方向的时问响f t 变化规律。 关键词：烈升式钻机计桨及其底鹰；静态分析：模态分析；载葡谱；瞬态动力学分橱 s t u d y o nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fd o u b l ee l e v a t i n gd r i l l i n gr i g d e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r e a b s t r a c t c u r r e n ty e a r s 。t h ea d v a n t a g e so f k - d e r r i c ka r ea c c e p t e db ym o r ea n dm o r eu s e r s ，s e l f e l e v a t i n g s u b s t r u c t u r ei sa l s or e p l a c i n go t h e r s , s u c h 勰b o xo nb o x r a i s e df l o o rs u b s t r u c t u r ea n ds oo n t h ed e r r i c k a n ds u b s t r u c t u r ei nt h et h e s i sa r em a d eu po f k - d e r r i e k a n ds e l f e l e v a t i n gs u b s t r u c t u r e i t sp r o m i n e n t c h a r a c t e r i s t i ci st h a tt h ed e r r i c ki sp l a c e do nt h es u b s t r u c t u r e i tc a l li n s t a l la tl o wp l a c ea n de l e v a t ea l l t o g e t h e rb e c a u s ed e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r ec a nb ep u c k e r e da tp r i m a r yp l a c e ，i na d d i t i o n , i th a st h em e r i t so f c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o n , t r a n s p o r t a t i o na n dq u i c ku s e t h et h e s i si sc o n s i d e r e dp r o j c o tp r a c t i c ef u l la tt h e b a s eo f e x i s t i n gs t u d ya n ds t a d y ss t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f d o u b l ee l e v a t i n gd r i l l i n gr i gd e r r i c k a n ds u b s t r u c t u r e t h ea i mo f t h et h e s i sa r et os e a r c hw e a kp l a c e sa n dh i d d e nt r o u b l e s ，t os u p p l ya c a d e m i c c d t e r i o n sf o rd r i l l i n gw e l lt a s k s , t oa v o i da c c i d e n th a p p e n i n ga n dt od e v e l o pa n a l y s i st h e o r yo f d e r r i c ka n d s u b s t r u c t u r e f i n i t ee l e m e n tm o d e li sb u i l ta c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls t r u c t u r eo f d o u b l ee l e v a t i n gd e r r i c ka n d s u b s t r u c t u r ea n di sc a r r i e do ns t a t i ca n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h r e ek i n do f w o r ks i t u a t i o n su s i n gt h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y st oo b m i nt h es t r e s s e sa n dd i s p l a c e m e n t s m o d a la n a l y s i si so n eo f n e ww a y so n d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r e h s a n dn o wb e c o m e st h ec o r eo f d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ni nm o d e r n e n g i n e e r i n g n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d e so f v i b r a t i o no f s t r u c t u r er e s u l t e df r o mm o d a la n a l y s i sa r et h e i m p o r t a n tp a r a m e t e r so f fd y n a m i cd e s i g no f s t r u c t u r e s oi ti st h es t a r o f a l ld y n a m i ca n a l y s i s e s t r a n s i e n ta n a l y s i s t h i st h e s i sc o m p l e t e st h em o d ea n a l y s i so f r i gd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r eb yt h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e ，g e r i n gt h ef r e ef r e q u e n c i e so f p r e c e d i n g1 0s t e p sa n dv i b r a t i o nm o d e s o b s e r v i n g d i s p l a c e m e n t sa n ds t r e s s e s ，w eg e tt h e i rv i b r a t i o n a le h a r a e t e r i s t i e s t h et h e s i sm a i n l yc o m p l e t e st h et r a n s i e n ta n a l y s i sa n dd y n a m i cr e s p o n s ec a l c u l a t i o n i to b t a i n st h e d a t a so fd r i l l i n gw e l lp l a c e sf o rm a n yt i m e si no r d e rt og e tt h ev a l u eo fh o o kl o a d sa n de s t a b l i s h e st h e m o d a lo fl o g a r i t h m i cn o r m a ld i s t r i b u t i o na th o o kl o a d sa ss t a t i s e i cv a r i a b l e s t h et h e s i se s t a b l i s h e st h e l o a ds p e c t r u mi np r o g r a m m eo fd y n a m i cs t u d y i tc o m p l e t e st r a n s i e n ta n a l y s i sa tn o r m a lw o r ks t a t ea n d g e t st h er u l e so f t i m er e s p o n s e si nd i f f e r e n to r i e n t a t i o n k e yw o r d s ：d o u b l ee l e v a t i n gd r i l l i n gr i gd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r e ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s ； l o a ds p e c t r u m ；t r a n s i e n ta n a l y s i s 学位论文独创性声明 本人所里交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意 作者签名：莲蓬盔色日期：王璺翌：墨：互圣 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内客 编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 在解密后适用本规定 学位论文作者签名：专拜苹厶 导师签名： 日期：a 川氖z 日期： ， m 7 - 厶 创新点摘要 l 首次研究了k 型井架支于底座上的这种双升式钻机井架与底座的静、动态特性，揭 示了其受力状态和结构动念特性。 2 在现场进行数据采集，编制得剑动态研究所用的试验用程序裁荷谱。 大庆 i 油学院碘j ：研究生学位论文 引言 近年柬，各种静力计算的方法和程序已日臻完善，静、动力测试已进行多次，结 构优化设计及模态分析也取得了一定成果，由于动力分析过程繁琐、耗费机时且占用很 大的计算机内存空间等原因，使得以动载，动应力为约束的结构动态响应研究相对较少。 从查阅的资料看，对钻机井架的特性分析大都局限于线弹性范围内传统分析方法，或仅 有的动态特性研究参差不齐、各抒己见，没有系统全面研究。因此结构设计、评价时不 仅要考虑设计对象的静态特性，还得考虑其动态特性。动态特性的分析理论和结构动力 分析方法是推动机械制造业走向现代化的重要力量，并得到人们的普遍重视和广泛应 用。 一、石油井架及底座结构简介 井架、底座是石油钻机的重要组成部分。井架用于安放天车、游车、大钩等起升设 备与工具，承受起下钻、下套管及其它作业产生的倚钱，提供起下钻及存放管柱损伤的 高度与空日j ，是一种塔桅式钢结构物。底座用来支承钻井设备，捉供工人操作平台和安 装井口装置的空问，提供各工作设备问的安装定位保证，它承受钻井工作荷载及设备的 自重衙载，并传递分配给基础和地基。随着不同地貌条件和地质条件下的油气f 只的勘探 开发，按照不n d 的钻井工艺要求，设计制造出各种不同功能的钻机，因而也出现各种不 同结构类型的井架与底座。 目f i ；j ，我国在用的井架肓1 0 0 0 多部，其中以塔形、a 形、k 形和桅形1 四种结构 形式的井架使用较多。这几种井架形式无论足其本身的结构特点口l ，还是材剌的选用、 破坏形式及设计校核方法等均不相同，各有其特点，因而分析时应区别对待。 塔形井架是一种横截面为正方形或矩形的四棱截锥体的空f i j 结构，整个井架是由许 多单一构件用螺栓连接而成的非整体结构( 即可拆结构) 。本世纪四十年代以i ；仃，世界 各国几乎全部采用这种井架形式，四十年代后，因其安装和搬迁工作量大，高空作业危 险性大，在陆地井架中，已趋于淘汰此种类型井架。但由于塔形井架总体稳定性好，承 载能力大，在海洋钻井中，它仍占绝对优势。 a 形井架是由两个等截面的空问杆件结构或柱壳结构的大腿靠天车台与井架上部 的附加杆件和二层台连接成a ”字形的空日j 结构，每条大腿又由若干段焊接结构用螺栓 连接成整体结构。由于a 形井架主要是靠两个人腿承裁，工作载荷在大腿中的分布更 均匀，材料的利用更加合理，加上大腿是封闭的整体结构，所以其承载能力和稳定性都 较好，但总体稳定性尚不够理想。 k 形井架截面呈兀形，即：前面敞开( 或大部分敞开) ，两侧分片或块焊成若干段， 背部为丰f i 架体系，各段及杆f 二f j 用销子或螺拴连接。k 形井架整体川性好、制作成本低， 拆装迅速，方便、安全，这种井架形式在我国发腱较快，而国外也l 三要采用此种井架结 引占 构形式。 桅形井架是出一段或几段格构式柱或管柱式大腿组成的空h j 结构。它在工作时多向 井口方向倾斜，一般为3 。8 0 ，因此绷绳成为桅形井架不可缺少的基本支承，以此来保 持结构的稳定性。桅形井架主要作为车装钻机井架和修井机井架。 随着钻井工艺和钻机结构的不断发展，出现了多种不同结构类型的底座，但归结起 来，钻机底座主要可以分为三大类型：层箱式底座、箱块式底座、自升式钻机底座。 层箱式底座足在普通的箱式底座基础上发展起来的，其主要特征是以篇形框架作 为基本构件，用一些杆件连接丽成。所谓层箱式底座，即箱形框架叠累面成的结构，故 又称箱叠式底座。根据钻台商度要求，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 m 1 0 m ，或更高。层箱式底座的特点是：设计和制造工艺简单，但结 构总重毽大，钻机拆迁安装工作量大，高空作业需要大型起重设备。针对上述特点，出 现了井架低位起升的层箱式底座。井架与主绞车安放在低矮的基座上，起升井架时，绞 车及动力机等既是工作机又是平衡配重。目前，尽管层箱式底座仍广泛使用，但它有皱 淘汰的趋势。国外8 0 年代新设计的钻机底座只有极少数的特殊钻机底座采用层箱结构。 例如d u a la r c t i c 钻机公司建造的北极钻机4 3 号，其底座采用层箱式结构，整个底座安 装在海尔曼一滚动装霞上，当钻机在同一基础上从某井位到另一井位的移动时，牵动 海尔曼滚动装霞，仅需一个半小时，即可完成钻机整体搬迁。 箱块式底座的主要特征是：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| 日j 通过转盘梁用 销轴连接起束，组成钻台。井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区4 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大地高度差。美国6 0 年 代中后期设计的箱块式底座，装备在n i c k 1 0 s 钻井公司2 8 号钻机上，该钻机足柴油机 一直流电动机驱动钻机。这种底座足在层箱式基础上发展起来的，主要是解决主绞车上 钻台难的问题。箱块式底座由于整体分块，所以拆迁，安装和运输都方便。但为保证井 架的有效高度( 钻台面至天车梁底面问的距离) ，必然增加井架的名义高度( 井架支腿 中心至天车梁底面j 的距离) 。箱块式底座钻台面商一般为4 m 7 m 。从钻台布簧，安 装程序看，这种底座适用作柴油机驱动，采用主，辅绞车分离方案的钻机底座。 自升式钻机底座是近些年来发展起来的类钻机底座，其主要特征是：底座在地面 组装，组装时的钻台面高度一般为卡车车高度( 约1 5 m ) ，同时将绞车、转盘，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 整体起升到钻台工作高度。自升式底座和结构类型很多，按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。 本课题针对的双升式钻机井架及其底座就是由k 形井架和自升式底座构成的，并 将井架及底座作为一个整体进行静、动态分析。 井架及底座所用材料大多数为高强度低合金钢。国外材料的_ l i 服极限为3 4 5 m p a ， 2 人庆石油学院硕l 研究生学位论文 我国一般用1 6 m n 钢材，强度与之相当，有时也采用q 2 3 5 钢材。井架构件的截面形状 依井架结构形式而有所不同，a 形井架常用圆管截面，立柱截面大些，直径一般在 1 5 0 m m 3 0 0 m m 之间，横杆和斜杆直径较小，一般在l o o m m 以内。在井架大腿的每一 段内，各管状构件通过焊接形成管节点连成一个整体，段与段的立柱之间一般用销子相 连。k 形井架构件采用工字钢和角钢，立柱与横、斜杆之f h 】可以螺栓连接也可采用焊接； 塔形井架构件截面亦多为工字钢、槽钢或角钢，一般都采用螺栓连接。底座常采用圆管、 工字钢、角钢等。 井架及底座结构的载简情况比较简单，主要是钻井过程中用于安放和悬挂游动系统 及钻柱的大钩，通过滑轮组将其所承担的载荷作用于井架顶部，此外还有自重和风载荷。 相对于大钩载荷来说，后两项对井架及底座结构的影响较小。在分析结构时，通常将大 钩载衙简化为作用于顶部四个节点的集中载荷；自重载倚认为均匀分布于井架及底座整 个高度，也可以简化为集中载荷作用于井架顶点；风裁荷需要根据结构具体形式、截面 种类及高度，通过风荷载计算公式【3 】算得。对井架及底座进行现场加载测试时，一般要 求风速小于8 3 m s ，这时可不考虑风载倚影响。 二、国内外研究现状 目i j i 在我国，钻机底座的设计实际上足以静力强度加经验为t 要设计依据，较少或 根本没有考虑结构的动态特性，致使某些钻机底座在实际工作过程中，其固有振动频率 与钻井设备的工作频率重合或接近，导致这些钻机底座出现较强烈的振动，使钻机底座 的工作状况和受力更加恶劣、复杂，降低了钻机底座的使用寿命，同时也增加了工作过 程中的危险性。国内石油井架承载能力和动力特性的评定研究工作已开展多年，取得了 一定的成果，并得到了应用。纵观发表过的文献，国内的评定井架承载力理论研究主要 有以强度、稳定性为主的评定理论、以刚度为主的评定理论、以可靠性及模糊评定为主 的理论和以动念参数为主的评定理论。从奄阅的资料看，对钻机井架的特性分析大都局 限于线弹性范围内的传统分析方法，或仪有的动念特性研究1 4 5 1 参差不齐、各抒己见， 没有系统全面研究，尤其对井架结构的振动特性分析和瞬态动力学分析1 6 j 更不多见。所 以充分研究井架及其底座的动念特性很有必要。 在国外，石油井架承载能力和安全评定的研究工作一直在进行中。前苏联石油工业 安全评定条例中早有规定，一部井架在使用6 年后，至少要进行一次全面的检测；古比 雪夫石油科学院、全苏石油科学安全技术研究院等单位推荐使用井架在油田正常工作条 件下进行自身检查的办法，以确保井架在钻井作业中的安全；美因对在用石油井架的检 测、维修、更换及报废也很重视。国外对井架研究多为承载力的评定且偏重于外观检测， 简易诊断和一般处置与预防三方丽。对井架的结构研究报道以有限元结构分析为主，且 以海洋平台井架方面研究【7 , s 9 1 占多数。上个世纪6 0 年代中期，开始出现一些随机结构 分析研究的零星报道。7 0 年代以后人们爿逐渐开始关注动念响应、特征值等u 题的研 究。9 0 年代逐渐重视井架新技术的开发与诊断理论的研究工作。随着计算机技术的不 断发展年1 i 可供大型窄日j 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 引言 完善，更多的井架研究将偏向动念分析，分析过程更细，求解精度更高，使大型复杂结 构的动力学分析特别是瞬态动力学分析成为结构分析的趋势，并为本课题的探索和研究 创造了极为有利的条件。 三，本课题研究的理沦意义及应用价值 近年来钻机的发展有了长足的进步，以液压盘式刹车、电动钻机、顶部驱动钻井系 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，而双升式钻机井架及其底 座的应用提升了钻机的技术含量。双升式钻机井架及底座，能实现钻井设备的低位安装， 具有安装、运输方便，投入使用快捷的优点，目日仃在国内各油用推广应用。由于在这种 双升式钻机井架及底座系统中，井架支于底座之上，钻井过程中，底座的振动与井架的 振动相互影响、相互耦合，对钻井质量和钻机都产生一定的影响。因此，作为一个整体 研究双升式井架及底座的动力特性，对搞清其结构设计理论，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和现实意义。钻机井架及底座是一个较为复杂的大型 空间钢架结构，在运移、安装及操作过程中承受多种静、动念载衙作用，单独对井架或 底座进行研究的比较多，并得出了有价值的结论，但作为整体研究，特别是井架支于底 座之上的整体研究还比较少。因此建立准确的双升式井架及底座的力学模型，利用高效、 可靠的计算分析方法进行整体分析是十分必要的，对我国石油钻机行业的发展和避免井 架事故的发生起到积极作用。 四、本课题研究的主要内容 本论文的主要研究内容包括双升式钻机井架及其底座的静力学分析、模态分析、钻 机井架及其底座载衍谱的确定及瞬态动力学分析。 第一部分主要对双升式钻机井架及其底座进行静力学分析。按照双升式井架及其底 座的实际结构特点，建立有限元模型。按三种工况给有限元模型加载、求解，获得计算 结果，根据计算结果对钻机井架及其底座的静念特性作全面分析。 第二部分完成钻机井架及其底座的动力模念分析。依托a n s y s 有限元软件进行有 限元模态分析，获得i ；i f 十阶固有频率和振型，观察计算位移与等效应力，得到井架及底 座的整体振动情况，并对振动特性进行分析。 第三部分主要实现井架及其底座载荷谱的确定。在现场进行数据采集获得大钩载 荷数据，以竖向最大钩载为变量，建立对数正态分布模型，以离散的统计特征值来代替 连续的实际载荷历程，编制得到动态研究所用的试验用程序载荷潜。 第四部分重点实现钻机井架及其底座瞬念动力学分析。完成井架及其底座在正常工 作状态下的瞬念动力学分析，寻找各个方向的时间响应变化规律。 4 人庆石油学院倾l ：研究生学位论文 1 1 概述 第1 章双升式钻机井架及其底座的静力学分析 石油钻机井架及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、动态钱荷作用。为保证钻机井架及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，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。 本文应用a n s y s 有限元分析软件，对双升式钻机井架及其底座进行了静力结构分 析。在计算结果分析的基础上，确定了井架及底座结构在静力条件下受指定载荷作用时 的应力和位移分布，从理论上满足了强度、刚度等方面的基本要求，并发现了薄弱部位 和过剩环节。 1 2 双升式钻机井架及其底座承受的载荷分析 钻机井架及底座在运移、安装、起升及钻井操作过程中承受多种载荷作用，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及底座所承受的载荷，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，钻机井架及底座所承受的载 荷主要包括：恒定载倚、工作载荷、自然钱荷、安装载荷、整体拖运和运输载荷、钻井 操作中产生的动载简。 1 2 1 恒定载衙 恒定载荷主要是井架、底座结构的自重，机械 堤备及工具的重量。井架承受的恒载， 包括井架构件本身的重量以及安放在井架上面的各种设备和工具的重量，主要设备是天 车、游车、大钩、吊钳、钢丝绳及顶部驱动装置。钻机底座承受的恒载，除底座的构件 自重外，主要是转盘、绞车，司钻房，井架及其设备的重量。 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，从产品月录和技术手册中查 取。 第1 章双升式钻机j 絮度1 e 底他的静力学分析 1 2 2 工作载倚 工作载倚是指钻机井架及底座在钻井操作过程中所承受的载倚。工作载荷包括：大 钩静载衍、附加作业及处理事故时的大钩负荷、工作绳作用力、最大套管柱重量、立根 和立根盒载荷等。 ( 1 ) 大钩静载倚 大钩静载荷是指在钻井过程中，游车大钩匀速提升井中全部钻具时在大钩上构成的 载荷，其载荷值随井身的深度变化而变化。另外在钻柱提升过程中泥浆的浮力及钻柱与 井壁问的摩擦力对大钩载荷有一定程度的影响。 ( 2 ) 附加作业及处理事故时的大钩静裁倚 在钻井过程中，当进行些附加钻井作业及处理钻井事故时，大钩上的载荷往往超 过最大钻柱重量，井架、底座必须能承受由附加作业处理事故造成的载衙。附加作业和 处理事故主要包括下列几种情况：解除钻井卡钻事故；解除套管遇卡事故；安全下放大 尺寸套管、大尺寸的技术套管或最深时的油层套管：根据特殊要求，在超过钻机名义钻 深范围后，继续钻进；在斜井中进行起下钻作业等。 ( 3 ) t 作绳作用力 工作绳作用力是在给定的游动系统下，快绳和死绳拉力的水，f 和垂直分力。工作绳 作用力由大钩载荷产生，作用在天车上。一般情况下，快绳固定位簧和死绳固定位置是 不对称的，因此，其合力的方向不是垂直作用在天车中心。 ( 4 ) 最大套管柱重量 最大套管柱重量是作用在钻机底座转盘梁上的载荷。最大套管柱重量需根据钻井工 艺要求的井深结构束确定，不同的井深结构需要不同类型及尺寸的套管。最大套管柱重 量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寸为据。 ( 5 ) 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井架、底座产生的作用力。由立根 自重及立根排所受飙载( 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。 立根盒载倚是立根盒内所存放的带接头的钻杆和钻铤的重量。 ( 6 ) 大钩的动载荷 在钻井过程，经常的起下钻作业是利用大钩提升或下放钻柱，由于在提升或下放的 一瞬| j ，钻柱的速度由零变成匀速或由匀速变成零，钻杠速度的变化必然产生加速度， 由于钻柱的质量是不可忽视的，由此产生的惯性力要比钻柱的自重大的多。作用在大钩 上的另外一类载荷是在钻井操作过程中由于钻柱的振动以及底座上的传动设备运转不 平衡产生振动所引起的。 6 大庆石油学院硕i 研究生学位论文 1 2 3 自然载荷 井架与底座承受的自然载荷包括：风载倚、冰雪载荷、温度载荷和地震载荷，一般 情况下设备结构上堆积的冰雪，能及时清除，所以可以不必考虑冰雪载荷。自然载荷对 钻机井架及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。是否考虑地震载荷，应根 据钻机使用地区的特殊需要，般不作考虑。温度变化使得结构或构件中产生温度应力。 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。 1 2 4 安装起升载荷 安装起升载荷是指井架、底座在安装起升过程中所承受的载荷。双升式钻机井架及 其底座的起升是利用钻机自身的绞车动力起升的，在井架起升过程中，井架承受的载荷 主要是绷绳力，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。在底座的起 升过程中，井架承受的载倚也主要是绷绳力和底座对其的支反力，底座上的主要承载构 件是人字架的莳后腿，人字架的后腿，在底座起升过程中所承受的载荷比在n ! 常的钻井 操作过程中所承受的载荷要大。 1 2 5 钻机井架及其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。在钻机的整体 拖运过程中，作用在钻机井架及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j 地呵问的摩擦力，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旨之和。 1 2 6 双升式钻机井架及底座载荷工况的确定 以上分析了钻机井架及其底座可能承受的载荷，实际上各种载荷并不是同时出现 的，结构分析所选用载荷组合的基本原则足按对井架及其底座最f i 利的工况，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倚。 钻机井架及底座的主要载荷工况是钻井工况，钻井工况又可分为大钩静载倚工况和 转盘梁静我荷工况。井架起升和底座起升两种工况相比，底座起升过程更加危险。归纳 以上关于钻机井架及底座的载荷工况分析，双升式钻机井架及底座的静力结构分析应主 要按三种载倚工况考虑，即最大钩载工况、最大转盘梁载荷工况及底座的起升工况。 1 3 钻机井架及其底座有限元分析理论与方法 钻机井架及其底座足一个空日j 刚架结构，对其进行结构分析最仃效的方法是有限单 第l 章双升式钻凯j r 架及j e 底座的静山学分析 元法。分析步骤足先建立单元刚度矩阵，再将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单元刚度矩阵合成 整体刚度矩阵，最后得到整个结构的平衡方程。如果节点载倚和边界约束己知，求解平 衡方程式，即一组线性方程，就可得出节点位移。 1 3 1 空日j 梁单元刚度矩阵 梁单元是用于生成三维结构的一维理想化数学模型，三维梁单元是具有拉伸、压缩、 扭转和弯曲功能的单轴单元。在每个节点上具有6 个自由度，即沿x ，y ，z 轴的移动， 及绕x ，y ，z 轴的转动。从空问结构中任取一杆件i j ，如图1 - 1 ，在该杆件上建立局部 坐标系x y z ，x 沿单元的纵轴，y 轴和z 轴分别为横截面的两个主惯性轴。 单元节点力向量为： 伊f = 。鲸纯瓦m 。m 。n ，吼绯l 肘。m ，l r ( 1 1 ) 单元节点位移向量为： 每f = u jew j 钆0 , y0 。叶_ - 钆0 j ： ( 1 2 ) v l z 一x 图1 - 1 三维梁单元 f i g 1 - 13 - db e a me l e m e n t 式中：虬，以单元轴向力； q ，线单元节点y 方向剪力； 9 f ：，敛单元节点z 方向剪力； 瓦，乙单元节点扭矩： m ，m | y 为z 轴驾强； 8 人庆年i 油学院硕卜研究生学位论文 饥，帆绕y 轴弯矩。 梁单元的刚度矩阵是1 2 x 1 2 阶的，单元刚度矩阵的各个元素的推导可从梁的拉压刚 度方程、扭转刚度方程、x o y 面的弯曲刚度方程得到，经推导可得在局部坐标系内空 间粱单元的刚度矩阵为： 望 ， 0 一旦坠 i + ， 00 上堡 i i + t y o00 亟 对称 ， oo 一匕。坐墨 0 墨i 0o0 竺哗 l i + y i + t y 了e a oooo o 了e a， o 一器o 。一器。品 ( 1 + ，l + 妒l + 屯， 。一品。品。丽1 2 e 1 )u + 屯l ，o 十虫，( 1 + 屯， o o o 一孚 ooooo 孚 0 0 一旦：0 生塑堡o 0 0 黑；o 坚型竽 o + 屯矿( i + 魂y i + 屯，( 1 + t v o 乓o 0o 幽。一k00o 罂 0 + 矿l l + 丸v o 十一， ( 1 + y 其中：妒，屯为剪切影响系数，分别为： 1 2 彤 办2 函芦 ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 毋：坚 ( 1 5 ) 啦2 蔚 q 巧 式中：a ，、4 为有效剪切面积，用4 统一表示4 、4 ，若用k 表示剪切系数，则有 效剪切面积的汁算公式为 4 ：一a ( 1 - 6 ) 建立了空间梁单元在局部坐标系内的刚度矩阵，单元的端点力仁 和节点位移每 f 之| 日i 的关系式可以表示为： p y ：时每y ( 1 7 ) 9 第1 章双， 式钻机j f 架及j l 底座的静力学分析 1 3 2 单元刚度矩阵的坐标系转换 为进行结构整体分移r ，必须进行坐标系转换，把在局鄢坐标系中得i i l 的单兀刚厦矩 阵转换成在整体坐标系内的单元刚度矩阵。在进行坐标系转换之i j i f ，先进行单元端点力 的坐标系转换，在整体坐标系内的单元端点力： p r = p r r ( 1 - 8 ) 其中，口】为单元e 的坐标转换矩阵。 对于单元节点位移，也可同样处理，可以得到单元节点位移在整体和局部坐标系之 间的转换式为： 如 。= p r 仁 或每f = p 】如 。 ( 1 9 ) 以上建立了 尸) ，p ，每y ，如) 。四个量中相邻两个量之间的三个转换关系，其中 的三个转换矩阵分别为p r ，阵f ，p 】，这四个量和三个转换矩阵的关系可表示如下： 坩一 r j t 仁# 丽 连续进行这三次转换，即可得到 尸 与缸) 之间的转换关系，即： p 。= f 】7 p f = 扩r 每f 每y = p r 医f 矿 。 由上式可以得到在结构整体坐标系内单元刚度矩阵为： k r = 时纠 ( 1 - 1 0 ) 1 3 3 结构整体刚度矩阵的建立 通过坐标转换得到了单元在整体坐标系内的单元刚度矩阵，按照结构刚度矩阵的合 成原理，就可以得到结构的整体刚度矩阵，则结构的平衡关系方程为： k = p ) ( 1 - 1 1 ) 上式为一个线性方程组给出节点载荷及边界条件，就可以从方程( 1 - 1 1 ) 中解出节点 位移。 1 4 双升式钻机井架及底座的结构组成及其计算模型的建立 1 4 1 双升式钻机井架及其底座的结构组成与起升原理 双升式钻机井架及其底座是由k 形井架和自升式底座组成的。井架分成4 段，每 一段山若干工字钢、角钢和圆管钢件组成，各杆件之j 日j 以焊接方式联接，相邻段在接触 1 0 人庆石油学院硕l 研究生学位论文 部位通过销轴连接。顶段为焊接的4 面封闭结构，其余各段为前开口结构，两侧扇为焊 接的平面结构。背扇横斜杆是由销轴与左右侧扇连接的可拆卸结构，便于井架分片运输。 自升式底座是一个左右对称的空 i j 刚架结构，主要由上、中、下三层组成，上层主要包 括：左右上座，绞车前后梁，立根台和转盘梁；中层主要包括：人字架、前后立柱和斜 立柱；下层主要由左右基座组成，左右基座是用两个连接框架及一个连接杆连接起来。 底座由多个框架利用销连接组装起来，其中的每一个框架都是由型钢、焊接工字钢、圆 管钢件焊接而成。 双升式钻机井架及其底座利用平行四边形机构来起升。底座的| i i 、后立柱与左右上 座，左右基座构成平行四边形机构，图1 2 所示为平行四边形机构示意图。在初始位置， 井架及其底座折叠在一起，因此人字架前后腿之问、与上下座和左右基座之间均为铰链 连接，同样四根斜撑两端也采用铰链连接。双升式钻机井架及其底座的起升是在钻台面 上所有钻机部件安装完毕后，先用绞车动力将井架起升到垂直位置，然后继续使用绞车 动力通过井架上的滑轮系统及大钩拖动起升人字架到预定位置，固定人字架，以固定的 人字架作为起升滑轮系统中的定滑轮的支撑，绞车继续转动使大钧拖动起升滑轮系统将 由钻台面和i ； 后立柱组成的平行口g 边行连杆机构起升到工作位置，再用销轴与固定的人 字架连接在一起，此时人字架的作用是同定平行四边形连杆机构。钻井任务完成，解脱 销轴与吲定的人字架连接就可以放下钻台面。 q 图1 - 2 平行四边形机构示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f p a r a l l e l o g r a mm a c h i n e 1 4 2 双升式钻机井架及其底座有限元模型的建立 根据双升式钻机井架及其底座结构组成及各框架之间的连接关系，建立有限元模 型。按照有限单元法单元划分的一般原则，根据井架及其底座的实际结构，将每一个框 架的梁与梁的焊接连接处取为节点，两节点之间的梁段取为单元。 井架主体为焊接结构，节点具有较大刚性，在载荷作用下会产生相当大的拉压应 力和弯曲应力，将井架主体结构简化为三维弹性梁单元。底座结构大部分是由焊接工 第1 章双升式钻机j ：架发j e 底座的静力学分析 字钢或普通标准钢构成，可以承受轴力，弯曲，扭转和剪切作用，因而均简化为三维 空问粱单元。井架与底座为铰接联接，其中铰点只保持绕y 轴的转动自由度，底座底 都约束全部的自由度，限制x 、y 、z 方向的移动自由度及绕x 、y 、z 轴的转动自由度， 即零位移约束。整个钻机井架及底座共划分了7 1 2 个三维梁单元、2 1 个管单元，4 0 6 个节点，井架及底座中层( 人字架、| j i 后立柱、斜撑) 为1 6 m n 钢，其它部分为q 2 3 5 钢。在井架及其底座的单元划分及节点位置确定以后，还要计算各个单元的截面特性 参数，即单元的截面尺寸、两个方向的截面模量，以及各节点的位置坐标，然后按照 从下到上的顺序逐个输入坐标值建立有限元模型。离散后的舣升式钻机井架及底座 的有限元模型如图1 3 所示。 图1 3 双升式钻机井架及其底座的有限元模型 f i g i 一3f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f d o u b l ee l e v a t i n gd i l l i n gd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r e 根据各单元受力情况，选用三维梁弹性单元b e a m 4 和三维管单元p i p e l 6 。b e a m 4 单元可做结构的线弹性分析，需要输入的数据包括：单元截蕊积、两个方向的截面模量 和两个方向的高度尺寸。三维管单元p i p e l 6 ，输入的参数包括外圆直径和管壁厚度。 通过a n s y s 计算，可以输出每个截面的六个内力分量、每个节点上的六个位移分量和 截面两个方向上的弯曲应力及轴向应力，选用b e a m 4 和p i p e l 6 单元可以满足结构分 析的需要。 1 5 双升式钻机井架及其底座的静力特性分析 1 5 1 双升式钻机井架及其底座主要构件的结构参数 z 1 4 0 1 2 2 5 0 d b 型钻机井架及其底座总体商度5 1 5 m ，井架工作高度4 4 m ，井架顶部 跨距2 m ，侧面2 m ，井架底部跨距8 m ，侧面拐点2 6 m 。底座总体高度7 5 m ，钻台面 1 2 人庆l | 油学院硕j ：研究生学位论文 长1 1 6 m ，宽1 0 3 m ，基座平面长1 6 2 m ，宽1 0 3 m 。 井架及其底座主要构件的规格及材料如下：井架大腿，h 2 9 4 x 2 0 0 x 8 x 1 2 m m ，1 6 m n ( 井架下段下部分大腿，h 3 6 0 x 2 5 0 x 1 4 2 0 n u n , 1 6 m n ) ；横拉筋，h 2 9 4 x 2 0 0 x g x l 2 m m 。 1 6 m n ；斜拉筋，0 1 6 8 8 m m ，1 6 m n ；前立柱，h 3 0 0 x 2 8 0 1 6 x 1 0 ，1 6 m n ；后立柱， h 3 0 0 x 2 4 0 x 1 6 x 1 0 ，1 6 m n ：人字架i ； 腿，h 3 0 0 x 2 4 0 l o x l 6 ，1 6 m n ；人字架后腿， h 5 0 0 0 x 1 6 0 x 1 4 2 0 , 1 6 m n ；斜撑，管2 1 9 1 2 ，1 6 m n ；基座，h 9 0 0 3 0 0 x 】6 x 3 0 ，q 2 3 5 ；上 座，h t 0 6 0 x 3 0 0 x 1 6 x 2 0 ，q 2 3 5 ：转盘梁，h 5 6 0 x 3 1 8 1 8 x 2 5 ，q 2 3 5 ：绞车梁， h 5 0 0 x 3 0 0 x 1 6 2 4 ，q 2 3 5 ；立根台，h 2 8 0 x 1 2 2 x g x l 4 ，q 2 3 5 。 1 5 2 载荷的施加与求解 双升式钻机井架及其底座的静力结构分析应主要按三种载荷工况考虑，即最大钩载 工况、最大转盘梁载荷工况及起升工况。其中前两种工况发生在正常钻井工况。最大钩