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。     

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。     

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。     

勘探三号海洋钻井井架动力特性测试与安全评估

为了准确地评估海洋钻井井架安全承载能力，提高海上石油钻探过程中钻井作业的安全，以勘探三号海洋钻井井架为例，提出了海洋钻井井架动力特性测试理论与技术。利用海洋波浪脉动激励反应来识剐井架结构模态参数，根据模态参数与物理参数之间的关系，分析井架物理性态，进而评估井架当前实际状态，定量确定井架实际承载能力。识别结果与计算结果比较，其误差不超过6％。此方法可应用于海洋平台上大型钢结构动力特性测试、承载力预测及安全评价。     

A型井架使用可靠性分析

根据可靠性理论基础，提出Ａ型井架采用应力测试方法和位移监测方法来评定在用井架的承载能力，从而评定其使用可靠性。认为应力测试和位移测试方法，是目前测试存在的初始缺陷和使用缺陷井架的有效方法。     

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。     

海洋修井机井架承载能力评估及结构改进分析

海洋钻修井机井架所处环境复杂,易产生缺陷,更换困难,对其承载能力研究意义重大。对某海洋修井机井架进行现场测试,发现该井架存在初始弯曲和应力集中等缺陷。考虑这些缺陷影响,对井架进行有限元计算和承载能力评估,结果和实际测试基本相符。针对井架主腿弯曲的情况,提出2种可行的结构加固方案,有限元计算表明：2种结构能增加井架稳定性,但对强度几乎无改善,不能有效提高承载能力。     

大腿应力集中损伤井架承载能力研究

目前,国内外对损伤井架承载能力的研究局限于宏观损伤。通过等效处理坑蚀引起的应力集中损伤,借助有限元软件ANSYS计算含有应力集中损伤井架的承载能力。与现场测试评定的结果比较,数值相差1%,证明ANSYS软件的计算精度可以满足应力集中损伤井架的承载能力评定需要。     

基于应力测试的海洋修井机井架承载能力评价

常规井架承载能力评价方法主要采用应力测试法或有限元法,单独采用应力测试法存在杆件考察不全面等问题,而采用数值模拟时则需要进行必要的假设,这与实际情况有出入。鉴于此,采用无线结构测试系统,对某在役HXJ180海洋修井机井架进行了应力测试,得出相应32个测点的应变应力,通过对测试结果进行数据拟合,获得井架在设计钩载下的应力,在此基础上修正有限元模型,并完成其承载能力评价。分析结果表明,被测井架3个危险杆件的最大强度系数均小于1,其中最大值为0.937 8,说明该井架具有足够的强度,在设计最大载荷下仍可安全工作。     

地锚桩安装位置与井架极限承载能力研究

在对修井机井架进行安全评价时,大部分研究者极少考虑到井架结构的承载能力与地锚桩之间的关系。为此,利用ANSYS软件建立井架-绷绳-地锚桩系统有限元分析模型,对地锚桩绷绳固定的理想修井机井架进行线性屈曲分析和双重非线性分析,以评定井架结构极限承载能力。以桩基础安装位置作为变量,并利用参数化编程方法,分析地锚桩位置与修井机井架极限承载能力的关系,进而得出井架承载能力的分布规律。该项研究结果可为井架现场施工提供理论依据。     

作业井架极限承载能力研究

以QJ30-18型作业井架为例,应用大型有限元分析软件ANSYS分析了该井架的极限承载力。计算结果表明,只有采用几何和材料双重非线性的方法才能准确评估结构的极限承载力。     

井架整体初弯曲对结构极限承载力的影响分析

采用与井架失稳时屈曲一致的初始缺陷波形模拟井架结构的整体初弯曲，建立有限元分析模型。通过双重非线性分析。得到了井架在具有不同程度整体初弯曲情况下结构的极限荷载．以及初弯曲对结构极限承载能力的影响。     

提高A形井架承载能力的两种方法

我国各油田拥有的A形井架大多数已服役8年以上，其承载能力都有明显下降。为了确保钻井生产的安全和可靠，大港油田钻井工程公司采用电测应力法和动态参数法，于1993、1995和1997年对在用A形井架进行了3次安全性评定，并在此基础上探索出井架大修和现场加固两种提高井架承载能力的方法。A形井架大修主要是针对井架存在的立柱局部磨损，横杆及斜杆的变形、断裂、弯曲、凹陷、磨损、开焊和裂缝等缺陷，分别进行补焊、更换、校正和贴补焊接。现场加固主要是对井架的立柱利用专用卡子、势块和钻杆进行加固。实践证明，通过大修和现场加固的A形井架，其承载能力都有明显提高。每大修一部A形井架及底座可节约资金101．3万元，经济效益十分显著。     

中型钻机前开回井架外形结构分析

在静力结构电算和现场实际电测的基础上，对中型钻机前开口井架的弦杆斜度不变井架和弦杆斜度折线变化井架，从位移、受力和应力等三方面进行系统的对比分析，结果表明：弦杆斜度不变井架比弦杆斜度折线变化井架的刚度好，承载能力强。建议设计井架时，优先选用弦杆斜度不变的外形结构；使用井架时，应避免发生弦杆不共线问题。     

服役塔形井架承载力的二级模糊综合评判

目前，油田对服役井架类别划分的一刀切标准不够合理。服役井架承载力随已有缺陷的增加而降低的过程是渐变的，所以服役井架分类标准存在着模糊性。在讨论了服役塔形井架划分等级的模糊性后，研究了立柱弯曲度与弯曲数、螺栓孔胀大量、拉筋弯曲度、锈蚀率和钻机月等因素对各个评定等级的隶属函数及隶属度的确定。综合考虑井架、天车、底座和附件的状况，给出了确定服役塔形井架安全承载力的二级模糊综合评判公式。工程实际算例表明，文中所述方法合理可行。     

初始弯曲对塔形井架承载能力的影响

本文以文献[1]为基础,根据塔形井架的结构特点,应用弹性稳定理论,在考虑构件(主弦杆)初始弯曲和井架整体初始弯曲同时存在的情况下,确定初始弯曲程度与塔形井架承载能力之间的关系,并绘制成图表,可供现场人员判定塔形井架安全工作能力之用。     

在役石油钻机井架极限承载仿真模型研究

针对在役石油钻机井架的力学特征,建立了基于双重非线性理论的极限承载仿真模型。研究了以在役钻机井架杆件的测试应力为重要指标,与应力有关的设计参数作为修正对象的仿真模型修正理论。对实验室内钻机井架模型进行的极限承载性能实验和仿真预测研究结果表明,井架模型的实际破坏位置与仿真预测结果基本一致,极限承载力误差很小。依据现场动载应变试验,应用该仿真模型分析了在油田上广泛使用的A形和K形石油钻机井架的极限承载性能,得到了井架结构的极限承载力、载荷与应力的关系以及井架破坏形式和危险部位,为钻机井架的安全平稳运行提供了重要的参考依据。     

现役钻机井架仿真系统的研究和开发

现役钻机井架仿真系统包括现役井架模型数据库，完好井架和带缺陷杆井架的静力、动力特性和稳定性有限元分析，以及结构的可靠性分析和局部加固方案有限元分析等。系统开发应用面向对象有限元技术，利用C 面向对象语言实现整个系统的开发， 系统具有很好的可扩展性和维护性。将系统实际应用于F320-A型钻机井架的仿真，验证了系统的可靠性和应用的灵活性。     

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。     

石油钻机井架的现状与发展趋势

介绍了国外及我国石油钻机用塔形井架、Ａ形井架、Ｋ形井架和桅形井架等的现状与发展趋势。在对各类型井架结构特点和发展过程进行分析的基础上，提出了发展我国井架的若干设想：淘汰塔形井架；优先发展Ｋ形或Ａ形井架；积极开展顶驱井架的理论研究，同时为适应顶驱装置安装开展老式井架的改造；大力开发井架上的机械化、自动化设施；着手研究超深井大型井架。建议我国钢铁生产部门开发新的型钢品种，以进一步改善井架构件的受力状况。