钻机井架安全承载能力评定方法研究

钻井是石油天然气勘探与开发的一个重要环节，钻机井架作为钻井设备的关键部分，其承载性能直接关系到整套钻机系统的安全运行。为了准确评定出钻机井架的安全承载能力，提出了以测试应力为基准定量评定含损伤缺陷钻机井架安全承载能力的新方法。首先建立了以测试应力为基准的参考应力修正数学模型，其次推导出以截面锈蚀、杆件初弯曲、载荷偏心等主要损伤缺陷指标所确定的修正函数，得到真实反映含损伤缺陷钻机井架力学行为的数值修正模型，实现对安全承载能力的预测。对现场某型号钻机井架进行逐级加载试验，得到了载荷与应力的关系曲线；结合现场钻机井架实际的损伤缺陷状况修正数值模型，并进行了数值仿真模拟加载试验，实测值与仿真值误差在5%以内，验证了该数值模型的准确性。最后根据仿真预测结果对该井架安全承载性能进行了评定，为提高油气勘探开发过程中钻机系统的安全运行提供了参考。     

有支座沉陷缺陷的钻机井架有限元仿真研究

井架在油田服役多年后,会出现各种服役缺陷(如井架支座沉陷),这对井架结构承载能力的影响非常大。鉴于目前各油田对井架进行检测的方法受现场工况条件所限,不能真实测出井架实际设计载荷的情况,提出一种有支座沉陷缺陷钻机井架的建模方法,利用计算机仿真方法,模拟井架加载试验。该仿真分析模型对有服役缺陷钻机井架的可靠性处理、剩余寿命计算、维修技术等具有较大的应用价值。     

ZJ15D型石油钻机井架的瞬态响应研究

传统的通过静力或者利用最大设计大钩载荷乘以动载系数代替动载荷的研究方法对石油钻机井架进行结构分析，已经不符合现场石油钻机井架在复杂时间载荷作用下的真实动响应情况，尤其在起下钻和钻进时，钻机井架要承受瞬态冲击、钻机振动等随时间变化的载荷作用。为此，运用时间历程方法，通过模拟井架钻井时的情况，结合大型有限元ANSYS软件，对大庆油田普遍采用的ZJ15D型石油钻机井架进行了动响应计算。得出了以下结论：①在瞬时冲击下，井架动力响应的产生在钻具立柱轴向、井架侧向和前开口方向具有同时性，但最大值出现的时刻不同；②严重冲击载荷作用下，井架顶部开口方向响应最为强烈，危险时位移可达4 cm。     

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基于井架结构对称，其轴向载荷分布也对称的基本假定，将井架的总体稳定校核及承载能力计算，化作单根弦杆的稳定校核及承载能力计算；进而从某井ＭＡ—３２０井架弯曲变形的实例出发，分析了井架弦杆弯曲变形后的受力性质，列出了弯曲变形段弦杆的挠曲轴微分方程；从而推导出了弯曲变形段弦杆挠曲轴方程、弦杆截面转角方程和弦杆弯矩方程，以及弯曲变形段弦杆最大挠度、最大转角、最大弯矩、最大压应力和弯曲变形井架的稳定校核、许可载荷等８个校核计算公式     

基于振动参数的钻井井架安全承载力评定

通过井架结构振动理论、有限元分析和实验室简易模型的试验研究，提出了以振动频率为基准，载荷下降系数为依据诊断钻井井架结构安全承载能力的方法。根据井架的具体结构形式和受力特征，将井架简化成一根沿长度上质量均匀分布、刚度恒定的简支梁，用振动理论推导出了井架固有频率的平方与作用载荷之间存在着线性关系，并通过有限元分析对这一关系进行了验证；提出了通过测试井架在两种不同栽荷作用下的固有频率推算井架临界承载并以此评定井架安全承载能力的方法；在实验室内制作了与A型井架相类似的模型，进行了逐级载荷下的固有频率测试，分析总结出适用于井架现场评定的具体方法，最后应用此方法对现场在役井架进行了测试与安全承载能力评定。该评定方法为井架测试、安全评定提供了一个新的发展方向，对保证钻井安全将起到重要的作用。     

含弯曲杆件的井架承载能力有限元分析

服役多年的钻机井架常会出现局部杆件弯曲现象。提出一种含杆件弯曲缺陷井架的建模方法，介绍了含该缺陷的井架承载能力的分析过程，并利用ANSYS9．0有限元分析软件，以ZJ40型钻机井架为例建立了含杆件弯曲井架模型，约束、加载并求解，根据计算结果分析了杆件单元应力的变化规律。     

在役钻机井架承载能力极限状态评定方法及应用

为了准确评定在役钻机井架的极限承载能力,以极限状态评定理论为基础,给出了以应力表示的井架承载能力极限状态评定表达式。以某在役JJ300/43-A型井架为例,说明了井架剩余承载能力极限状态评定方法的具体应用过程。应用情况表明这种极限承载能力评定方法具有应用简单、评定结果可靠等优点。     

动力参数法预测钻机井架结构承载能力研究

为及时准确地识别在役钻机井架结构损伤,提出了基于动力参数预测井架结构承载能力的方法。利用模态分析技术,识别出理想情况下井架结构的动力特性参数(如固有频率、振型等),与结构实测动力特性参数进行比较,由此来判断井架结构的损伤程度。通过对动力测试参数关于井架结构待识别参数的灵敏度分析形成识别过程中的残差方程,采用优化方法求解当前井架结构的参数真值,进而预测井架结构的承载能力。该方法为在役钻机井架结构的损伤识别和安全监测提供了一条有效的途径。     

结构损伤井架的承载能力研究

以受损的JJ450/45K钻机井架为研究对象,从有限元分析和应力测试2个方面,对井架结构损伤情况下的承载能力进行研究。计算了井架在最大钩载下的受力情况,得到了损伤杆件变形部位的应力分布。数值计算与试验结果表明,结构较小的损伤对井架的承载能力影响不大,不影响其正常使用;有限元分析结果与试验结果较接近。因此,在不具备试验条件的情况下,可通过有限元分析对井架结构损伤部位做保守的承载力评估。     

载荷对石油钻机井架动力特性的影响分析

根据石油钻机井架的结构特点,采用有限元方法对井架结构进行有限元离散,主弦杆和斜横撑杆采用2种单元截面形状的空间梁单元模拟,建立了精细的井架有限元模型,共分析计算了8种工况下的井架动力特性。探讨了石油钻机井架的自重载荷,特别是大钩载荷产生的预应力对井架动力特性的影响,得出了一些有价值的结论。     

基于SAFI的海洋塔形井架的拖航计算分析

由于海洋环境恶劣,为了保证自升式平台配备的塔形海洋井架的结构安全,除了静载工况外,研究井架在拖航运输过程中的载荷变化过程很有必要。用SAFI软件对海洋塔形井架的拖航运输工况进行了计算分析,包括拖航过程惯性载荷和动态分析。该方法还可为深海钻井平台上的动态海洋井架设计提供借鉴。     

基于ANSYS5.4的A形井架结构综合分析

以JJ30 0 / 4 3—A形井架为例 ,采用有限元分析软件ANSYS5 4对井架进行了模态、瞬态动力、稳定性等分析。在建模时 ,省略掉了人字架、井架各段销子连接处 ,没有考虑排满立根等情况 ;通过模态分析得出 ,井架结构前 3阶振型以侧向和前后振动为主 ,第 1、 2阶振型能反映出井架的整体振动 ;通过瞬态动力分析得出 ,在动力载荷作用下 ,井架以前后振动为主 ,上下振动幅值小于前后振动幅值 ;通过稳定性分析得出的数据与现场数据吻合。但力学分析方法还需与实验方法结合 ,才能提高分析结果的可靠性     

海洋钻机井架剩余承载能力测试和计算

运用ANSYS有限元软件建立了某海洋钻井井架的三维分析模型,计算了钩载为424 kN时的应力,与测试结果吻合。应用该模型对原设计井架和现役腐蚀减薄井架分别进行了受力计算,结果表明,由于型钢壁厚减薄,井架中轴向应力增加了22%,为保证安全作业,井架需降级使用。计算该井架的剩余承载能力,最大钩载降到4 920 kN是安全的。     

井架承载能力评估软件开发与应用

针对井架承载能力评估工作中数据繁琐易出错的问题,应用VC++软件开发工具,依据井架评估原理,编写了井架承载能力计算软件。该软件系统的程序模块包括参数输入、应力查看、回归曲线及评估结果等,以新、旧2种井架评估规范计算井架承载能力,便于对比分析井架承载能力评估结果。现场应用表明,编写的软件系统计算井架承载能力结果与井架实际承载能力基本相符,软件运行正确,应用方便,简化了井架承载能力评估工作。     

TZJ40(B)直立井架拖挂钻机的研制

针对常规车装钻机井架需采用绷绳固定,对井场地质要求高,占用井场空间大,不能满足丛林、山地、丘陵、沙漠等特殊地区油气开发需要的问题,研制了TZJ40(B)直立井架拖挂钻机。该钻机配套井架为双节套装直立式可伸缩K形井架,前开口、无绷绳、液压伸缩、液压起放,井架与钻台直接连接,钻台增加了侧面支撑与台体斜撑,保证了井架的稳定性。有限元分析及试验表明,该钻机的最大钩载达到设计要求,各项指标均符合API相关规范,可满足114mm钻杆4000m的钻井能力。     

在用井架剩余承载能力极限状态评定方法

钻井井架因长期使用，各构件、构件间连接及井架整体都会产生不同程度的损伤与缺陷，严重影响井架的承载能力。与承载能力降低的同时，井架结构的应变参数也发生相应的变化。对此，为提高井架的使用安全性，提出以实测应变参数为基础的井架剩余承载能力极限状态评定方法，即采用以应变参数测试为主，辅以结构变形测量、腐蚀测厚、焊缝探伤等综合测试方法检测在用井架结构性能，应用权限状态理论评定在用井架剩余承载能力。应用该方法已测试与评定了98部在用井架，取得了满意的效果。     

起升中四腿落地式K型井架及底座的应力分析

针对在用四腿落地式K型井架在起升中井架与底座存在的问题,文章以JJ162/42-K型井架为例,采用I-DEAS有限元软件对起升过程中处于各角度时的井架及底座做了应力分析,并将其结果与两腿落地式K型井架进行了比较。分析表明,四腿落地式K型井架及底座在井架刚起升时,应力值较大,存在安全隐患。为了增强在井架起升过程中底座的安全性,建议在底座上井架2个铰支座之间加焊加强钢板,并加大井架前立柱铰支座的尺寸。     

基于半刚性连接的石油井架安全承载性能研究

焊接是石油钻机井架钢结构主要的节点连接方式。对石油井架结构进行安全评定和仿真计算时,传统上大都按照刚性节点处理,忽略了焊接节点半刚性连接对于井架结构整体承载性能的影响。通过建立半刚性连接的石油井架钢结构节点构造模型,计算焊接节点单元初始刚度,完成了空间框架结构半刚性节点弯矩与转角的力学描述。结合有限元法,运用双向变刚度零长度螺旋弹簧模拟节点半刚性,实现了相同边界条件下刚性和半刚性井架有限元仿真计算。对比结果表明,刚性和半刚性连接对于井架竖向荷载作用下的位移变形与应力影响不大,但横向荷载作用时.计算结果表现出明显的差异性。由此提出,对在役井架承载安全评定时,除考虑竖向荷载外,还应充分考虑风载、管柱靠力等横向荷载作用时焊接节点的半刚性影响。该认识成果为大型钢结构半刚性力学研究和石油井架安全评定提供了新的思路。     

实验室井架模型的动态测试研究

井架倒塌事故时有发生,因而合理地预报出井架结构的实际承载能力,已成为石油井架安全评定理论研究的重要内容。首先用振动分析理论研究了井架结构承载能力与其动态参数之间的关系,并通过实验室井架模型的动态测试结果从实验方面验证了二者之间的关系。在此基础上,提出井架结构安全承载力动态参数评定方法,并应用此方法对实验室井架模型进行了安全评定。为了保证评定结果的可靠性,提出在实际应用中测试大于井架额定钩载的10%的2种不同载荷值下,井架结构固有频率的井架安全承载力评定方法。该方法揭示了井架承载能力与其结构固有频率参数之间的关系,开辟了石油井架动态测试与安全评定新的途径。