鉆機井架底座有限元新模型建立與強度淺析

1、12000米鉆機井架底座有限元新模型建立與強度分析摘要：隨著油氣資源的不斷開發(fā)，鉆井面向更深的地層，超深井鉆機的應用成為必然。作為鉆機起升設備的重要組成部分井架和底座，在鉆井作業(yè)中起著重要的作用。與普通鉆機不同的是超深井鉆機的工作環(huán)境更為惡劣，名義鉆井深度和設備重量等顯著增加，井架和底座承受的靜載荷和動載荷更大。井架和底座的強度和安全性是鉆進得以正常進行的保障，所以對超深井鉆機井架底座的靜態(tài)特性研究是十分必要的。本文以ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座為研究對象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點應用pro/e軟件完成DZ900/12-X底座力學模型的建立。在選單元方面，考慮到12000m對于分析準確性有

2、更高的要求，本文以solid45建立超大規(guī)模的單元模型，而不是傳統(tǒng)的以梁作為單元建立模型，建立單元另外本文依據(jù)最新API Spec 4F鉆井和修井結(jié)構(gòu)規(guī)中載荷設計的原則，進行靜態(tài)特性分析，詳細分析得到的結(jié)構(gòu)應力分布和變形情況。最后根據(jù)靜態(tài)特性分析結(jié)果對底座結(jié)構(gòu)安全等級進行綜合評價。關鍵詞：超深井鉆機，井架底座，靜態(tài)特性。12000 meters drilling machine derrick base finite element new model building and strength analysisAbstract: With continuous oil and gas res

3、ources exploitation, drilling develops.To deeper formation, the use for ultra-deep drilling rigs is becoming necessity，Asthe important component of rig hoisting equipments derrick and substructure,which play a important role in drilling operation .Different from ordinaryrig ,ultra-deep drilling rig

4、working environment is evenworse ,nominal drilling depth and equipment ,asignificant in crease in weight ,derrick and substructure to with standthestatic load and dynamic load greater.The strength andsecurity for derrick and substructure is the protection of drilling to be normal,therefore,studyonst

5、aticanddynamic characteristicsofultra-deep drilling rig derrick and substructure is necessary.In this paper,ZJ120 /9000DB ultra-deep drilling rig derrick substructurefor the research object,according to its structural features ,application ANSYS finite element analysis software to completemechanical

6、 model derrick substructure-building .Based on the latest API Spec 4F"Specification for Drilling and Well Servicing Structures"in the payload design principles,focusing on selected conditions 1a,the completion of drilling rigs and staticcharacteristics of substructure of the overall analys

7、is ,obtained the structure of the stress distributionand deformation ,and gives thesafety 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 characterist

8、ics.43 / 49目 錄1 緒論11.1 石油鉆機底座概述11.1.1 鉆機井架底座介紹11.1.2鉆機井架底座的發(fā)展趨勢21.1.3 ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座的特點21.1.4 鉆井工藝對鉆機底座的基本要求31.2 對正常工作狀態(tài)的簡單描述31.3 課題容研究的意義41.4 課題研究的主要容42 底座承受的載荷分析52.1 概述52.2 12000m井架底座承受載荷分析52.2.1 恒定載荷52.2.2 工作載荷62.2.3 自然載荷62.2.4 安裝起升載荷62.2.5鉆機井架底座在鉆機整體拖運與運輸過程中承受的載荷62.3 底座載荷工況的確定72.4 本章小結(jié)73

9、鉆機井架底座有限元分析理論與方法83.1 概述83.2 空間問題的基本方程83.2.1 平衡方程93.2.2幾何方程93.2.3 物理方程103.3 四節(jié)點四面體單元103.3.1位移函數(shù)113.3.2 應力應變關系123.3.3 單元剛度矩陣133.4 六面體單元143.4.1 位移函數(shù)143.4.2 應變矩陣與應力矩陣163.4.3 單元剛度矩陣173.5 本章小結(jié)184 ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座模型的建立194.1 引言194.2 井架底座力學模型的簡化194.3 井架底座單元的實現(xiàn)194.4 井架底座力學模型的建立204.5 本章小結(jié)205 底座單個楔形立柱的分析21

10、5.1 引言215.1.1 工字鋼的模型215.1.2 基本假定225.2 撓度計算簡圖與公式225.2.1 ansys建模235.2.2 加載與計算結(jié)果對比235.3 分析穩(wěn)定性與臨界載荷。235.4.1楔形截面懸臂鋼梁臨界荷載公式推導245.4.2 ansys解和公式解的對比255.4 本章小結(jié)266 ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座有限元模型建立與靜強度計算276.1 引言276.1.1 許用應力的規(guī)定276.1.2 次應力的概念276.1.3 ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座技術參數(shù)286.2 設計載荷標準與建立有限元模型286.2.1模型建立與載荷的施加296.3

11、 求解分析變形與應力結(jié)果306.4 本章小結(jié)33結(jié)論34參考文獻35致371 緒論1.1 石油鉆機底座概述1.1.1 鉆機井架底座介紹石油鉆機井架底座是鉆機起升設備的機械核心, 用以安放鉆機井架、絞車、轉(zhuǎn)盤與放置立根和鉆井工具，提供鉆井作業(yè)操作的場所和井口裝置的安裝空間。底座是和井架相配套的鋼架結(jié)構(gòu)，根據(jù)設計的不同，底座的功用也有一定的差別，但大體上還是不變的。一般情況下，底座用于支撐整個鉆井設備的重量、安放井口裝置、調(diào)節(jié)井口中心位置等。除了頂部驅(qū)動鉆機外，底座轉(zhuǎn)盤還起著承受井下鉆具重量和產(chǎn)生持續(xù)鉆進扭矩的作用。雖然大多數(shù)井架底座的功用基本一樣，但由于地質(zhì)條件、鉆井工藝的要求和環(huán)境等條件的限制

12、，井架與底座的結(jié)構(gòu)形狀也不盡一樣。前面論述了井架的發(fā)展歷程，伴隨著鉆機設計的不斷更新，底座的結(jié)構(gòu)也跟著不斷變化。層箱式、箱快式和自升式底座是底座發(fā)展歷程中最具有代表性的結(jié)構(gòu)形式，下面將一一論述其特點。所謂層箱式底座就是在普通的箱式底座基礎上的發(fā)展起來的，通過連接結(jié)構(gòu)桿件將一系列的箱形框架組合起來，其主要的特征是以箱型框架作為基本構(gòu)件，用一些桿件連接組成的。所謂層箱式底座，即箱形框架疊累而成的結(jié)構(gòu)，故又稱箱疊式底座。其鉆臺高度可以根據(jù)鉆井工藝的要求不斷改變，有雙層箱式，三層箱式底座，個別還有四層箱式，鉆臺高度可達4-10米。該底座的優(yōu)點是高度可調(diào)、設計，制造相對簡單，但該底座的結(jié)構(gòu)顯得笨重、復雜

13、，不易安裝和拆遷底座，高空作業(yè)需要大型的起重設備。箱塊式底座較層箱式底座有了一定的發(fā)展和優(yōu)化，選取了集成模塊的方案，把立根盒梁、轉(zhuǎn)盤梁和絞車梁分別制作成特定的箱快式模塊，組裝的時候只需要用高強度銷軸連接這些模塊即可。其主要的特征是：根據(jù)底座各部分的不同功用，分別設計成不同的箱形框架，組合梁與板塊，用銷軸連接組裝成整體。立根盒梁與絞車支架之間通過轉(zhuǎn)盤梁有銷軸連接起來，組成鉆臺。支架支撐于兩個側(cè)箱之上，以適應井架低位整體起升的要求。為克服重型絞車上高鉆臺的困難，絞車一般采用主絞車，貓頭絞車分離方案，主絞車放在機房底座上，貓頭絞車在鉆臺上，因此鉆臺與機房底座有較高的高度差。該底座的優(yōu)點是安裝和拆卸比

14、較方便，工作量小。自升式底座是近年來發(fā)展起來的一類鉆機底座，其主要的特征是：底座在地面組裝，組裝時的鉆臺高度一般為卡車的高度（約1.5m），同時將絞車，鉆盤，井架等在底座上安裝固定，然后通過底座自身配備的動力傳動系統(tǒng)或鉆井絞車的動力，將底座整體起升到鉆臺的工作高度。其代表了底座的發(fā)展趨勢，其優(yōu)點是可實現(xiàn)低位安裝起升，且鉆臺面鉆井設備（絞車、井架、人字架、轉(zhuǎn)盤等）均可一次性低位安裝在底座頂層上，而要動用重型起吊機械高位安裝。在某些程度上較小了勞動量，消除了人身安全隱患。自升式底座的結(jié)構(gòu)類型很多，按照起升方式可分為三種主要類型：彈弓式底座，旋升式底座，伸縮式底座。1.1.2鉆機井架底座的發(fā)展趨勢隨

15、著世界各國油氣資源勘探、開發(fā)的不斷進行，國際石油資源的競爭日益激烈，誰能在最惡劣的環(huán)境下實現(xiàn)鉆井和采油，誰就能獲取更多的經(jīng)濟效益。對于石油鉆機來說，這就對井架底座的設計提出了更高的目標，要求井架底座要向著社會需要的方向發(fā)展?？傮w來說，石油鉆機井架底座的發(fā)展趨勢有兩個明顯的方向：快速移運性和超深井這兩個方面。有很多井位相距較近或者是叢式井，鉆井完畢后，需要盡快的做近距離的搬遷，如果不能快速移動，勢必浪費了鉆井時間，造成經(jīng)濟損失。目前有相當一部分在國服役的中型和重型模塊鉆機井架底座均不能適應快速移運、快速安裝的要求。所以模塊集成化程度高、安裝和拆卸井架底座方便且具有快速可移的特點是新型鉆機井架底座

16、發(fā)展的一個重要趨勢。另外，隨著陸地油氣資源開采的不斷進行，鉆井向海洋和陸地的深井和超深井方向發(fā)展，這就要求鉆機井架和底座的設計要面向深井和超深井。對于超深井鉆機井架底座的設計，不僅要考慮最基本的設備連接、井架底座的強度、剛度和穩(wěn)定性等，還要根據(jù)超深井鉆機的工作特點，全面衡量其使用的安全可靠性以與對環(huán)境的適應程度等條件，所以鉆機井架底座面向深井、超深井服務也是其發(fā)展的一個重要趨勢。本文以ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座為例，研究井架底座整體系統(tǒng)的靜態(tài)特性。1.1.3ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座的特點目前世界超深井鉆機以9000米和12000米為主要代表，這里因為課題研究的

17、需要僅介紹12000米超深井鉆機井架底座的特點。12000米超深井鉆機配套的旋升式底座由上座、基座與之間的立柱構(gòu)成四邊形結(jié)構(gòu)，利用平行四邊形機構(gòu)的運動原理，依靠絞車動力通過井架導向滑輪的起升大繩來實現(xiàn)底座以與臺面設備的低位整體起升，這樣底座起升載荷較小，降低了底座的起升風險，同時增加了底座工作的整體穩(wěn)定性。井架支鉸銷接于底座基座之上，井架和底座起升相對獨立，起升穩(wěn)定性較好。底座處于低位時鉆臺向井口前方傾倒，起升時由前向后從低位整體起升到工作位置。底座設有緩沖裝置，起升到工作位置前，利用緩沖油缸使底座平穩(wěn)就位，再通過銷軸與井架相連，從而增強了底座安裝的穩(wěn)定性與可靠性。除以上所述，12000米超深

18、井鉆機井架與底座在選材和結(jié)構(gòu)尺寸方面較一般鉆機井架底座有明顯不同主要表現(xiàn)在以下幾個方面：桿件結(jié)構(gòu)尺寸增大；結(jié)構(gòu)材料防腐蝕、耐低溫特性好；大鉤載荷與名義鉆井深度相比有較大的增加；鉆機配重設備的質(zhì)量.底座采用高臺面、大空間的結(jié)構(gòu)，BOP移動導軌承載能力按2x400kN設計，滿足超深井鉆機對井口安裝防噴器高度的要求，保證泥漿回流管有足夠的回流高度。1.1.4 鉆井工藝對鉆機底座的基本要求第一，應有足夠的承載能力，以保證起落井架、拖運、下套管、起下鉆具等各種工況正常進行。第二，應有合理的高度與空間，以便滿足鉆井工藝要求和方便工人操作。第三，便于拆裝、移運、盡量縮短非鉆進輔助時間。對中、小型鉆機底座，設

19、計時必須考慮鉆機整拖要求。第四，應有合理的經(jīng)濟指標，即在滿足上述使用要求的同時，力爭結(jié)構(gòu)簡單。目前一般陸上鉆機，底座井架的重量約占鉆機總重量的3040%為宜。1.2 對正常工作狀態(tài)的簡單描述正常工作狀態(tài)。1.正常鉆進 正常鉆進又稱純鉆進，是鉆井生產(chǎn)獲得進尺的唯一手段。其過程為：啟動轉(zhuǎn)盤（或井底動力鉆具）通過鉆桿柱帶動井底鉆頭旋轉(zhuǎn)，借助剎車，給鉆頭施加適當?shù)膲毫Γㄣ@壓）以破碎巖石。與此同時，開動泥漿泵循環(huán)泥漿，沖洗井底，攜出巖屑，保護井壁，冷卻鉆具。只要根據(jù)不同的地層情況、鉆進深度、鉆頭類型等，使轉(zhuǎn)速、鉆壓、排量和泥漿性能各自都處于最佳參數(shù)值，就能獲得最快的鉆進速度。2.下鉆 將由鉆頭、鉆艇、方

20、鉆桿組成的鉆桿柱下入井中，使鉆頭接觸井底，準備鉆井，這樣的過程叫做下鉆。首先，起掛吊卡，以高速檔提升空吊卡到達一立根的高度，同時在二層臺處，由操作工扣上吊卡，然后將立根稍提移至井眼中心，對扣，再拉貓頭懸繩或懸繩器上扣，接著用貓頭和大鉗緊扣，稍稍提起鉆柱，將其移出吊卡（或提出卡瓦），用機械剎車或水剎車（或其它輔助剎車）控制下放速度，使鉆柱下放到一立根距離，最后借助吊卡（或卡瓦）將鉆柱輕輕座在轉(zhuǎn)盤上，從吊卡上脫開吊環(huán)，如此重復操作，直至下所有立根，接上方鉆桿就可以準備鉆進了。隨著正常鉆進的繼續(xù)進行，井眼不斷加深，需要不斷地接長鉆桿柱，故而中間要簡單完成接單根操作（每次接入一根鉆桿），以保證鉆進的連

21、續(xù)性。3.起鉆 鉆進到一定程度，鉆具磨損，需要更換新的鉆頭，便將井中全部鉆桿柱取出，即起鉆操作。整個起鉆過程首先由起升設備上提鉆具，全露方鉆桿，讓鉆柱座在轉(zhuǎn)盤上，接著旋下方鉆桿，將方鉆桿水龍頭放進大鼠洞里，然后提升鉆柱到一立根高度（一般指23單根的組成長度），使用吊卡或卡瓦使鉆柱座在轉(zhuǎn)盤上，由大鉗和貓頭（或松扣氣缸）松扣，接著由上鉗卡住接頭，正向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤卸扣，同時移動立根進入鉆桿盒和二層臺指梁中，摘開吊卡，再下放空吊卡到井口，如此重復上述操作，完成連續(xù)起下立根，每一立根構(gòu)成一起鉆操作循環(huán)。1.3課題容研究的意義超深井鉆機井架底座的設計理念是一種新的趨勢，在鉆井過程中，井架底座不僅要承受設備的恒

22、載作用，而且要承受各種動力載荷的作用。超深井鉆機井架底座的安全性能直接影響到鉆井的經(jīng)濟效益和現(xiàn)場工作人員的生命安全。由于特殊的工作環(huán)境，對于超深井鉆機井架底座來說，從設計到產(chǎn)品實現(xiàn)這期間投入的人力、物力和財力要遠大于一般鉆機，更重要的是在工作過程中要保證靜動態(tài)等各項指標的安全性。因此，應用有限元分析軟件ANSYS建立合理的ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座整體的力學模型，對其進行整體的靜動態(tài)特性分析，詳細了解惡劣工況下的位移和應力分布情況。分析井架底座起升過程中鉸支座的受力變化情況。所有這些對于我們深入了解該鉆機井架底座的力學性能提供強有力的幫助，可以有效避免鉆井現(xiàn)場危險事故的發(fā)生，計

23、算結(jié)果可反過來指導超深井鉆機井架底座結(jié)構(gòu)的改進設計，指導井場作業(yè)人員的操作，對我國石油鉆機井架底座的設計制造有著積極的指導作用。1.4 課題研究的主要容本課題主要研究超深井12000米鉆機井架底座整體系統(tǒng)的靜態(tài)特性，詳細可分為以下幾各方面：1.底座承受的載荷分析。2.鉆機井架底座有限元分析的理論與方法3.ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座系統(tǒng)有限元模型的建立。主要容包括：ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座結(jié)構(gòu)模型的簡化，井架底座單元solid45的實現(xiàn)。4.運用ANSYS軟件完成ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座的靜態(tài)特性分析。主要容包括：確定鉆井結(jié)構(gòu)計算的許用應力與安

24、全系數(shù)，分析載荷設計標準的計算方法。最后根據(jù)最新API Spec 4F 鉆井與修井結(jié)構(gòu)規(guī)載荷設計的要求，進行ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座整體系統(tǒng)的靜力學有限元仿真。2 底座承受的載荷分析2.1 概述石油鉆機井架底座是鉆井設備系統(tǒng)的重要組成部分，在運移、安裝、起升與操作過程中承受多種靜、動態(tài)載荷的作用。為保證鉆機井架底座在使用壽命期限能安全可靠地承受設計載荷，不能發(fā)生強度破壞與較大程度的變形或失穩(wěn)，否則將影響正常的鉆井操作，嚴重情況下將導致井架傾覆，造成設備和人身的重大損失。因此，對其進行精確的結(jié)構(gòu)分析，以便發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，是十分必要的。另外，石油鉆機井架底座要使用大量的鋼材，

25、過分保守的結(jié)構(gòu)設計將造成鋼材的不必要浪費。通過結(jié)構(gòu)分析可以弄清楚底座結(jié)構(gòu)有哪些部位屬過剩環(huán)節(jié)。精確的結(jié)構(gòu)分析取決多個因素，首先應當明確鉆機井架底座的載荷工況，在運移、安裝、起升與操作過程中，鉆機井架底座處于不同的工作狀態(tài)，工作狀態(tài)的不同，承受載荷也不同。鉆機井架底座的主要工作狀態(tài)是鉆井操作，承受的載荷包括鉆井設備自重、井架自重、底座自重以與在鉆井作業(yè)過程中動力傳動對底座產(chǎn)生的作用負荷、套管負荷、鉆柱負荷、鉆井作業(yè)動負荷、解卡鉆等處理事故負荷。由于鉆機井架與其底座承受載荷的復雜性，在結(jié)構(gòu)分析中，選擇合適的載荷工況是至關重要的，載荷工況選擇不當，分析計算結(jié)果將不能反映鉆機井架與其底座的實際承載情況

26、，就失去了結(jié)構(gòu)分析的意義。2.2 12000m井架底座承受載荷分析鉆機井架底座在運移、安裝、起升與鉆井操作過程中承受多種載荷作用，另外井架底座承受的載荷在一定程度上具有不確定性，合理確定和計算井架底座所承受的載荷，對于精確地進行結(jié)構(gòu)分析是十分重要的。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研與有關文獻，鉆機井架底座所承受的載荷主要包括：恒定載荷、工作載荷、自然載荷、安裝載荷、整體拖運和運輸載荷，動態(tài)井架的動力載荷。2.2.1 恒定載荷恒定荷載主要是井架底座結(jié)構(gòu)的自重，機械設備與工具的重量。鉆機底座承受的恒載，除底座構(gòu)件的自重外，主要是轉(zhuǎn)盤、絞車與其它設備的重量。對新設計的的結(jié)構(gòu)，根據(jù)設計經(jīng)驗，有兩種估算結(jié)構(gòu)自重荷載的方法：

27、（1）參照現(xiàn)有類似結(jié)構(gòu)的重量來確定；（2）利用結(jié)構(gòu)自重計算公式來計算。設備與工具的重量，可根據(jù)選用的設備與工具的規(guī)格，從產(chǎn)品目錄和技術手冊中查取。2.2.2 工作載荷工作載荷是指鉆機井架底座在鉆井操作過程中所承受的載荷。井架底座的工作載荷包括：最大的套管柱重，立根和立根盒載荷等。（1）立根載荷和立根盒載荷立根載荷是在鉆井過程中靠放在鉆臺上的立根對底座產(chǎn)生的作用力。由立根自重與立根排所受風載（風載的大小與最大承風面積有關）引起的立根載荷，它通過二層臺指梁按水平方向作用到井架相應節(jié)點上，在垂直方向直接作用在底座立根盒梁上。立根盒載荷是立根盒所存放的帶接頭的鉆桿和鉆鋌的重量。（2）最大的套管柱重量最

28、大的套管柱重是作用在鉆機底座的轉(zhuǎn)盤梁的載荷。最大的套管柱重量需根據(jù)鉆井工藝要求的精神結(jié)構(gòu)來定，以鉆機工作地區(qū)的最大尺寸的技術套管柱或最深的油層套管柱尺存為依據(jù)。2.2.3 自然載荷井架與其底座承受的自然載荷包括：風載荷、冰雪載荷、溫度載荷和地震載荷。一般情況下設備結(jié)構(gòu)上的堆積冰雪，能與時清除，所以井架底座可以不必考慮冰雪載荷。自然載荷對鉆機井架底座的施加具有一定的隨機性，而且受鉆機的使用地區(qū)與鉆井地區(qū)環(huán)境的影響較大，目前在鉆機設計中，對風載荷的影響已有規(guī)可查。在鉆機井架底座的設計中是否考慮地震載荷，應根據(jù)鉆機使用地區(qū)的特殊需要，一般不作考慮。溫度變化使得結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生溫度應力，井架底座的工作

29、環(huán)境一般是露天，工作條件惡劣，晝夜溫差變化大，且結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，因此，在一些溫度變化大的地域工作的井架底座應考慮溫度的影響。2.2.4 安裝起升載荷安裝載荷是指井架底座在安裝起升過程中所承受的載荷。本文研究的井架底座是旋升式底座，所有的鉆井設備在鉆機使用前可全部安裝在底座上，開始使用鉆機時，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鉆機自身的絞車動力，底座承受的載荷主要有繃繩力與井架支腳對底座的作用力。2.2.5鉆機井架底座在鉆機整體拖運與運輸過程中承受的載荷鉆機在平原地區(qū)油田鉆井時，遷移新井位一般采用整體拖運的方式。在鉆機整體拖運過程中，作用在鉆機井架底座上的載荷主要是

30、拖運牽引力和拖運啟動或停止時產(chǎn)生的慣性力。經(jīng)過測試和理論分析，拖運的牽引力為鉆機底座在地面間的摩擦力，它等于底座耕犁地面和淤積于底座結(jié)構(gòu)部的泥土產(chǎn)生的綜合阻力二者之和。井架底座的構(gòu)件在運輸過程中遇到下列載荷：構(gòu)件自重，運輸時產(chǎn)生的慣性力和沖擊力。構(gòu)件的慣性力和沖擊力可用比例系數(shù)乘以構(gòu)件的自重來考慮。運輸載荷與其它載荷相比較小，并且只在運輸過程中發(fā)生，在構(gòu)件中產(chǎn)生的應力數(shù)值不可能超過設計強度。但在優(yōu)化設計中，對某些在工作狀態(tài)受力很小的構(gòu)件，運輸載荷可作為它們的截面設計的約束條件之一。如果鉆機井架底座在運輸過程中產(chǎn)生了損傷，將對其承載能力有較大的影響，與時檢測并發(fā)現(xiàn)井架底座出現(xiàn)的損傷，通過結(jié)構(gòu)分析

31、，對其承載能力作出合理地評價，可避免鉆井設備發(fā)生意外事故。2.3 底座載荷工況的確定以上分析研究了鉆機井架底座可能承受的載荷，實際上上述載荷并不是同時作用在鉆機井架與其底座上，要進行分析必須確定對其影響最大的工況。根據(jù)以上分析，井架底座的載荷工況可劃分為：正常鉆井工況、安裝工況與拖運工況。至于附加作業(yè)與處理事故工況，在井架底座的結(jié)構(gòu)分析是無法考慮的，除非結(jié)合一次具體的附加作業(yè)事故處理。井架底座的每一種載荷出現(xiàn)的概率是不同的，結(jié)構(gòu)分析所選用載荷組合的基本原則是按對井架底座最不利的情況，合理地把可能出現(xiàn)的載荷都組合起來作為結(jié)構(gòu)分析的計算載荷。鉆機井架底座的主要載荷工況為轉(zhuǎn)盤梁靜載荷工況?？紤]到所有

32、可能出現(xiàn)的載荷對井架底座產(chǎn)生的最不利的影響，最大轉(zhuǎn)盤梁載荷為最大套管柱重量、立根載荷、所有鉆井設備的自重、風載等載荷的組合。鉆機井架底座的安裝載荷工況包括井架底座的起升，相比之下，對井架底座的強度影響都比較小。歸納以上關于鉆機井架底座的載荷工況分析，底座的靜力結(jié)構(gòu)分析應主要按最大轉(zhuǎn)盤梁載荷工況考慮。2.4 本章小結(jié)1.精確的結(jié)構(gòu)分析應首先明確載荷工況，井架底座的主要工作狀態(tài)是鉆井操作，此工作狀態(tài)承受的載荷比較復雜，選擇合適的載荷工況，才能反映出鉆機井架底座的實際承載情況。2.本章分析了鉆機井架底座可能承受的載荷，實際上這些載荷并不是同時作用，需選擇對井架底座影響最大的工況，根據(jù)載荷組合的基本原

33、則，確定底座的主要載荷工況是鉆井工況。3.鉆井過程包括起下鉆和下套管，由于兩種作業(yè)不是同時進行，鉆井工況又可分為大鉤靜載荷工況和轉(zhuǎn)盤梁靜載荷工況，考慮到所有可能出現(xiàn)的載荷所產(chǎn)生的最不利影響，而對井架底座來說，主要按一種工況考慮，即最大轉(zhuǎn)盤梁載荷工況。3 鉆機井架底座有限元分析理論與方法3.1 概述前開口形井架底座是一個空間剛架結(jié)構(gòu)，對其進行結(jié)構(gòu)分析最有效的方法是有限單元法。應用有限元法對剛架結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，分析步驟是先建立單元剛度矩陣，考慮到單元局部坐標系與結(jié)構(gòu)的整體坐標系不一致，需要將在局部坐標系的單元剛度矩陣轉(zhuǎn)換為整體坐標系的單元剛度矩陣，然后按照整體剛度矩陣的集成原理將所有的單元剛度矩

34、陣合成為整體剛度矩陣，最后得到整個結(jié)構(gòu)的平衡方程。如果節(jié)點載荷和邊界約束為已知，求解平衡方程式，即一組線性方程，就可得出節(jié)點位移。3.2 空間問題的基本方程空間彈性結(jié)構(gòu)在載荷作用下，任一點的應力狀態(tài)可用如下圖3-1所示的六面體表示，有三個正應力分量，根據(jù)剪應力互等定律，有三個獨立的剪應力風量。應力分量的正負號規(guī)定為，如果某一方面的外法線方向與坐標軸正向一致，這個面上的應力分量就以沿坐標軸正向方向為正，與坐標軸反向為負，如果某一方面的外法線方向與坐標軸一致，這個面上的應力分量就以沿坐標軸正向方向為正，與坐標軸反向為負。圖3-1 空間應力向量6個獨立的應力分量表示為 （3-1） 三個位移向量表示為

35、 （3-2）6個獨立的應變分量用向量表示為 （3-3）3.2.1 平衡方程在空間彈性體任一點沿直角坐標x,y,z,方向的平衡方程。（ （3-4），是單位體積力在x,y,z方向的分量。用矩陣表示為 （3-5） 其中H是微算子矩陣f為體積力向量，f=3.2.2 幾何方程幾何方程表示應變與位移間的關系，在微小位移和微小變形的情況下，略去位移的高階微量，則應變與位移間的關系為（3-6）用矩陣表示為3.2.3 物理方程物理方程為（3-7）將應力用應變表示出來，寫成矩陣形式有，其中D稱為空間問題的彈性矩陣，表示為 （3-8）3.3 四節(jié)點四面體單元在空間問題有限元分析中，最簡單的空間單元是4節(jié)點四面體單元

36、，四面體的四個頂點為節(jié)點，每個節(jié)點有三個自由度，設單元的四節(jié)點編號為1，2，3，4，單元的節(jié)點位移向量， (3-9)圖3-2 四面體單元3.3.1位移函數(shù)設各節(jié)點的坐標為（）（為1，2，3，4）單元各點的位移用節(jié)點位移的線性多項式表示 ( 3-10)其中(為12個待定系數(shù)，他們有單元節(jié)點上的位移和坐標決定，將4個節(jié)點的坐標和u方向的位移代入式（3-10）的第一個式子中，各節(jié)點在x方向的位移為（3-11）解式（3-11）表示的線性方程組，求出，并將其式3-10的第一個式子中，得（3-12） 四邊體單元的形函數(shù)（3-13）其中, 在各參數(shù)的下標按循環(huán)輪轉(zhuǎn)變化，就可以求出全部16個系數(shù)，用同樣的方法

37、可以可以求出,這樣單元任一點三個位移的函數(shù)為(3-14）用矩陣表示為u= （3-15） 形函數(shù)矩陣的分塊可表示為 （3-16）由于位移函數(shù)是線性的，并且包含了常數(shù)項，相鄰單元交界面上的位移是連續(xù)的，所以4節(jié)點四面體單元是完備性的協(xié)調(diào)元。3.3.2 應力應變關系已知單元任一點的位移后，將式(3-14)代入空間問題的幾何方程式（3-6）中作微元運算，結(jié)果用矩陣表示為 （3-17）其中（3-18）表明應變矩陣B中的所有元素都是元素都是常數(shù)，4節(jié)點四面體單元是常數(shù)單元。在得出單元任一點的應變后，將式(3-17)代入空間問題的物理方程（3-7）中，則單元任一點的應力與節(jié)點位移關系為令稱為應力矩陣，根據(jù)（

38、3-8）式和（3-18）式進行計算，得出 （3-19），顯然4節(jié)點四面體單元也是常應力單元。3.3.3 單元剛度矩陣在得出的單元的應變矩陣后，將應變矩陣B，和彈性矩陣D代入單元剛度矩陣計算的積分式（）中，因4節(jié)點四面體單元的B和D矩陣都是常量陣，與積分無關。將B,D陣代入計算，把單元剛度矩陣按節(jié)點分塊形式表示。 (3-20)其中任一分塊 (3-21)（3-22）四面體單元對邊界的適應強，但結(jié)構(gòu)剖分復雜，對復雜結(jié)構(gòu)，不易區(qū)分單元的形狀，給結(jié)構(gòu)剖分和計算結(jié)果處理帶來一定的困難。3.4 六面體單元由于四面體單元結(jié)構(gòu)剖分易出錯，所以在空間問題有限元分析中，常采用六面體單元。六面體單元有各種不同的類型，

39、如8節(jié)點正六面體單元，8節(jié)點斜直邊六面體單元，20節(jié)點曲邊六面體單元。正六面體在實際應用中對結(jié)構(gòu)邊界的適應差，但它是研究其他正六面體單元的基礎，斜直邊六面體單元和曲邊六面體單元都可用正六面體為母單元，經(jīng)坐標變換，進行處理。這里主要討論8節(jié)點正六面體單元，其他的六面體單元將在等單元的容中討論。3.4.1 位移函數(shù)8節(jié)點正六面體單元每個節(jié)點有三個位移分量，節(jié)點位移向量為 （3-23）取局部坐標系，原點位于正六面體形心位置，如圖3-3所示，設正六面體單元的三條棱邊長分別為a,b,c.局部坐標系，與整體坐標系oxyz的關系為圖3-3 正六面體單元 （3-24）其中設單元任一點的位移與節(jié)點的位移間的函數(shù)

40、關系為 (3-25)在8個節(jié)點上，局部坐標值分別為，。將各節(jié)點的坐標值和位移代入式（3-25）中，類似與4節(jié)點矩陣單元的處理方法，很容易得出形函數(shù) （3-26）這樣位移函數(shù)為（3-27）用矩陣表示為（3-28）3.4.2 應變矩陣與應力矩陣將式(3-28)代入空間問題的幾何方程（3-6）中，得出其中可見分塊矩陣中只有三個獨立元素，它們分別為：（=1，2，···，8） （3-29）將應變關系代入空間問題物理方程式中，有：=DB1B2 B3 ··· B8應力矩陣S=YS1S2S3 ··· S8，任一分塊（3-

41、30）由于，都含有坐標，所以8節(jié)點正六面體單元，不是常應力和常應變單元，單元各應力和應變是坐標的線性函數(shù)。3.4.3 單元剛度矩陣將式（3-29）和式（3-8）代入中，計算單元剛度矩陣：將整體坐標化為局部坐標：積分得出單元剛度矩陣的分塊表示：（3-31）任一分塊 （3-32）其中：（3-33）；。3.5 本章小結(jié)本章主要介紹了井架底座進行結(jié)構(gòu)分析最有效的方法是有限單元法，分析步驟是先建立單元剛度矩陣，在局部坐標系的單元剛度矩陣轉(zhuǎn)換為整體坐標系的單元剛度矩陣，然后按照整體剛度矩陣的集成原理將所有的單元剛度矩陣合成為整體剛度矩陣，最后得到整個結(jié)構(gòu)的平衡方程，給出邊界條件，求解平衡方程，即可得出節(jié)點

42、位移。4 ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座模型的建立4.1 引言建立合理的石油鉆機井架底座的力學模型，是進行力學計算分析的基礎，計算模型實際上就是現(xiàn)實鉆機井架底座的數(shù)學抽象。模型的建立要符合以下兩個條件：第一，就是所建立的模型必須能夠反映實際井架與底座的主要結(jié)構(gòu)特征；第二，從力學的角度出發(fā)，所建立的模型必須滿足實際井架與底座自由度和受力特點的要求。石油鉆機井架底座結(jié)構(gòu)復雜，受力特點以與邊界條件多變，應用解析法完成計算分析顯然是不現(xiàn)實的，所以必須借助于數(shù)值計算的方法來完成。本章將利用pro/e軟件完成ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座力學模型的建立，為后面章節(jié)中的靜態(tài)特性研究做

43、好鋪墊。4.2 井架底座力學模型的簡化ZJ120/9000DB超深井鉆機底座中層包括斜立柱，前立柱和后立柱這三部分，底座頂層由左右上座，立根臺、絞車梁，轉(zhuǎn)盤梁，立根盒等組成。安裝時采用地面低位安裝，并且井架通過左右上座箱橫梁的銷子與底座相連接置立于鉆臺面上。起升時，先利用絞車的動力通過鋼絲繩和人字架起升井架，此時底座仍折疊于地面上。待井架起升完畢，利用井架作為依靠，鋼絲繩繞過井架導向滑輪起升底座。由于實際井架底座的復雜程度，在建立有限元模型時需要做一些簡化處理：（1）抓住主要因素，忽略次要因素，以井架底座主要承載結(jié)構(gòu)和構(gòu)件為目標建立有限元模型。（2）選取井架底座的自然焊接點、鉸接點、變截面處等

44、作為有限元中的基本節(jié)點。（3）由于在計算中要約束底座基座，所以在建模中不必要建立底座基座，而直接約束底座中承立柱下部節(jié)點。（4）由于未考慮附件的重量，井架底座有限元模型的重量肯定小于實際的重量，額外的負重通過施加密度和重力加速度予以解決。如上所述，對井架與底座實際模型做出適當?shù)奶幚砗螅覀兛梢越⑵溆邢拊Ｐ汀?.3 井架底座單元的實現(xiàn)對于空間的實體單元，可采用solid46，solid185等，本論文將采用solid45來模擬井架底座的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，solid45單元用于構(gòu)造三維實體結(jié)構(gòu)，如下圖4-1所示單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著xyz方向的平移自由度.Solid45單元的幾

45、何形狀，節(jié)點位置，坐標系如上圖所示，該單元可定義8個節(jié)點和正交各向異性材料，正交各向異性材料的方向?qū)趩卧淖鴺朔较颉D4-1 solid45單元4.4 井架底座力學模型的建立底座包括立根盒、轉(zhuǎn)盤梁、左右上座、絞車梁和底座中承。 其次我們必須統(tǒng)計井架底座各單元的截面參數(shù)與材料，這一步是建模中最為重要也最為繁瑣的環(huán)節(jié)，一定要細心認真。對于井架底座各段單元按照一定的順序要逐一對照檢查，防止新的截面參數(shù)丟失。由于要利用三維實體作為單元，并且井架底座很復雜，在ansys中難以建立。因此本人利用pro/e建立模型，在pro/e中，由于是工字梁，先建立各個梁的翼緣和腹板，然后再裝配成一個工字梁，最后裝配

46、。直立柱型號為400*360*30，中間斜立柱的型號為700*300*30，上柱梁的型號為700*300*30,轉(zhuǎn)盤梁的型號為700*500*50.最后在pro/e中建模結(jié)果為下圖所示。圖4-2 力學模型圖4.5 本章小結(jié)本章主要介紹了井架底座模型建立的簡化原則，solid45單元特性，建立模型的注意選項，以與建立力學模型，建立合理而準確的有限元模型對后續(xù)工作的開展起著關鍵性的作用。5 底座單個楔形立柱的分析5.1 引言隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，特別是輕鋼廠房越來越多的出現(xiàn)，隨之也誕生了由楔形構(gòu)件組成的鋼結(jié)構(gòu)這樣一種新穎的結(jié)構(gòu)形式，楔形構(gòu)件尤其適用于門式或山形剛架，此類結(jié)構(gòu)最大彎矩發(fā)生在檐口附近，

47、在基座處彎矩處常遞減為零.如果在這種受力形式情況下，仍用等截面構(gòu)件，勢必造成大的浪費，而結(jié)構(gòu)形式也不夠合理。楔形構(gòu)件的最大優(yōu)點就是:可以根據(jù)結(jié)構(gòu)各部位力的不同，將構(gòu)件的截面形式設計為不同大小，符合受力特點，即構(gòu)件的力分布與截面形式接近，因此就可有效地節(jié)約材料，減輕自重，使得結(jié)構(gòu)形式更合理，并且具有良好的經(jīng)濟效果，故楔形構(gòu)件在建筑結(jié)構(gòu)中的應用越來越廣泛。本章以一個楔形工字鋼立柱為例，分析立柱的應力分布和穩(wěn)定性情況，然后利用ansys驗證結(jié)果的正確性。5.1.1 工字鋼的模型圖5-1 模型圖本章主要研究的是工字鋼為翼緣寬度和厚度，以與腹板的寬度均不變，只有腹板高度線性變化的雙軸對稱工字型截面。要研

48、究的尺寸如下：梁的長度L=12000mm。表5-1 小頭截面的尺寸（單位mm）翼緣寬度翼緣厚度腹板寬度腹板高度3003030700表5-2 大頭截面的尺寸（單位mm）翼緣寬度翼緣厚度腹板寬度腹板高度30030308005.1.2 基本假定根據(jù)變截而構(gòu)件與其滿足變形理論假定，在變截面梁整體穩(wěn)定分析過程中采用以下假設:（1）材料是彈性體，且為各向同性的;(2) 梁的長度大小同截而的尺寸相比是很大的;(3) 每個截而在它自身的平面是剛性的;(4) 構(gòu)件中性面上的剪切變形可以忽略不計;(5) 構(gòu)件的加載過程為簡單加載;(6) 荷載作用在腹板平而，無偏心;(7) 外荷載作用點發(fā)生位移時，假定荷載作用線方

49、向保持不變;（8）變形微小。5.2 撓度計算簡圖與公式圖5-2 計算簡圖應用文獻（18）的結(jié)果，分析得到在集中力p的作用下，其豎向位移為 = （5-1）其中為集中力作用點的彎矩，為集中力作用點處作用單位力在該點處的彎矩。為端大端對大端的約束剛度,為段小端的線剛度，即，為段小端和大端的慣性矩比值，。為小端對小端的約束剛度,為段小端的線剛度，即，為段小端和大端的慣性矩比值，。5.2.1 ansys建模以solid45為單元，表5.1的尺寸作為依據(jù)來建模，同樣的以Q345為材料，其泊松比為3.0，彈性模量為，密度為7850。建成之后，其模型樣子為圖5-3ansys模型圖 圖5-4 位移圖5.2.2

50、加載與計算結(jié)果對比在最中間處即6m處加載向下的集中力30KN,約束方式為簡支梁，加載后其位移圖如上圖5-4所示表5-3 公式5-1和ansys軟件計算結(jié)果的對比截面尺寸(mm)長度（m）P(KN)公式解(mm)軟件解(mm)800-700*300*30120.5300.50.4855.3 分析穩(wěn)定性與臨界載荷。穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)的突出問題，因為鋼材具有高強度、輕質(zhì)、力學性能良好的優(yōu)點，是制造結(jié)構(gòu)的一種極好的建筑材料。鋼結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)中應用廣泛的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，在兩者承擔一樣的受力功能的情況下，具有截面輪廓尺寸小、構(gòu)件細長和板件柔薄的特點。對于受壓、受彎和受剪等存在受壓區(qū)的構(gòu)件和板件，如果技術

51、上處理不當，就可能使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象.防止構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定破壞并非使它們的實際應力低于某個規(guī)定值，而是要防止一種特殊的不平衡狀態(tài)的發(fā)生.這種狀態(tài)的特征是:當荷載僅有微量增加時，應力應變不按比例發(fā)展，應變顯著增長，且增長量無法確定?？梢哉J為:構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞是它們部抗力的突然崩潰，這就是鋼結(jié)構(gòu)屈曲現(xiàn)象的特征，由于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的失穩(wěn)破壞比較突然，屈曲一旦發(fā)生，結(jié)構(gòu)隨即崩潰，因而遠比強度破壞危險.因此鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定在設計中是必須考慮的一個重要問題，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定以與局部予結(jié)構(gòu)或單個構(gòu)件的穩(wěn)定性都是鋼結(jié)構(gòu)設計的重要容。5.4.1楔形截面懸臂鋼梁臨界荷載公式推導由于變截面構(gòu)件的截而尺寸是連續(xù)變化的，所以

52、在分析過程中要考慮截面變化傾角的影響。在本節(jié)研究變截面懸臂鋼梁的整體穩(wěn)定性，變截面鋼梁應滿足三個基本條件:(1)截面為雙軸對稱工字型截面;(2)翼緣尺寸不變;(3)腹板厚度不變，高度隨鋼梁長度線性變化。圖5-5 計算簡圖自由端上翼緣集中載荷臨界值的簡化公式 應用文獻（17）的公式 （5-2）式中 其中E,G,為彈性模量和剪變模量，A,B,F,H,K與M是與截面特性有關的常數(shù)，他們分別為由5-2式解的值，取得較小的值即為臨界載荷，由臨界載荷可得上翼緣自由端受集中力時的臨界彎矩為5.4.2 ansys解和公式解的對比在ansys中，建立模型為懸臂結(jié)構(gòu)，取大端全部約束，小端自由，然后在小端的翼緣頂端

53、加載力P,即為如下圖圖5-6 計算簡圖 圖5-6 ansys有限元模型圖至于實際的大端尺寸和小端尺寸和表5-1都是一樣的，模型的建立如上圖如上圖所示，約束大端，小端自由，在小端的上翼緣中間加上兩個單位載荷-1.然后進行分析。屈曲分析得到的結(jié)果為圖5-7 ansys屈曲結(jié)果圖則得出其臨界載荷為155856N. 計算結(jié)果和公式對比尺寸Ansys解公式5-2解800-700*300*30155856N15800N5.4 本章小結(jié)本章主要研究的是楔形梁的計算方法在ansys中和公式解中的結(jié)果比較，從而證明出在ansys中的解法是正確的。另外研究了楔形梁的撓度和穩(wěn)定性。6 ZJ120/9000DB超深井

54、鉆機井架底座有限元模型建立與靜強度計算6.1 引言石油鉆機井架底座是鉆井工程的關鍵裝備，關于井架底座設計計算一直備受世界石油裝備領域的關注。為了規(guī)定設備性能，包括設計和工藝規(guī)，負責石油和天然氣工業(yè)用設備的標準化工作，由美國石油學會A PI（American Petroleum Institute）制定的API Spec 4F鉆井和修井結(jié)構(gòu)規(guī)來規(guī)石油鉆機井架與底座的設計計算。目前，API Spec 4F 在石油裝備領域發(fā)揮越來越大的“指揮棒”作用，石油裝備的生產(chǎn)、實驗和驗收等都要完全符合API 規(guī)的要求。只有被授予了API標志的石油裝備才被認為是可靠、安全的設備。6.1.1 許用應力的規(guī)定按照API Spec 4F 鉆井和修井結(jié)構(gòu)規(guī)2008 年1月第三版中許用應力的要求，鋼結(jié)構(gòu)設計以“彈性設計法”為準則，必須遵循AISC 335-89的許用應力設計法，該方法將用于設計許用應力。關于許用應力的設定，以與次應