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。     

基于非线性屈曲分析的井架承载能力评估方法

介绍了井架承载能力的评估方法,分析了小井架轴向载荷与一阶固有频率平方之间的关系,认为在轴向载荷较小时结构的非线性程度较低,可以忽略非线性的影响,但是当轴向载荷接近临界载荷时其非线性程度不能忽略,需要用非线性屈曲分析来获得结构的临界载荷。为此,提出了一种基于非线性屈曲有限元计算与模态试验相结合的井架承载能力评估方法,即利用模态试验结果对有限元模型参数进行修正,通过ANSYS的非线性屈曲分析功能确定井架结构的临界载荷。计算结果表明,基于模态试验修正后的有限元计算结果更接近结构的实际临界载荷。     

非线性对石油井架承载力的影响

对JJ300/43-A型井架进行了非线性有限元分析,采用空间梁单元,通过包含单元几何刚度阵和变形刚度阵的增量切线刚度法考虑大变形问题,采用弧长法迭代计算,最终得到考虑几何和材料双重非线性情况下井架钢结构的极限承载力.计算结果表明,采用几何和材料双重非线性的分析方法能准确评估井架的极限承载力.为深入研究井架结构的安全度和可靠性评定提供了分析基础.     

基于曲率模态的K型井架支座沉降缺陷评价

井架立柱支座沉降会导致井架的整体承载能力下降。基于曲率模态的损伤识别理论,利用ANSYS有限元分析软件建立井架计算模型,对不同缺陷位置和角度参数的石油井架位移模态规律进行模拟计算和分析,得到不同缺陷位置和角度参数对井架位移模态的影响规律。以仿真井架与实验室模型井架相应单元杆件的应力数据和位移模态数据为基础,建立优化目标函数,采用一致逼近优化算法对仿真井架模型进行修正,得到与实验室模型井架的应力数据和位移模态数据相等效的仿真井架模型,并依据仿真模型计算出井架的最大承载能力。     

基于应力测试数据的K形井架模型修正仿真研究

为建立与在役K形井架相似的仿真模型,提高仿真模型的应力、损伤数据精度,提出以井架实测应力与仿真模型对应单元应力的均方差构建目标函数,以损伤缺陷类型、位置、程度等为优化变量,杆件材料的许用应力为约束条件,先后运用ANSYS零阶和一阶优化算法的模型修正方法对含损伤缺陷的参考仿真井架进行了模型修正。结果表明:修正后模型与参考井架的测点处杆件应力相对误差在0.6%左右,该方法用于钻井井架结构承载能力检测和评定是可行和有效的。为钻机系统安全运行提供了参考依据。     

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。     

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。     

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。     

井架模型极限载荷试验

为了研究井架承载至破坏整个过程,利用相似模型进行井架试验是非常必要的。应用相似理论制作了1∶13.3的JJ315/43—A型井架相似模型,在该模型上进行了井架安全承载试验与井架压溃破坏试验。由井架安全承载试验结果可知:井架上段为受力较大部位;井架立柱测试应力与大钩作用载荷呈线性关系。井架压溃试验发现:井架破坏发生在井架上段;实测井架模型大钩极限载荷为19.0kN,与双重非线性有限元分析计算结果基本一致,其相对误差在5.0%以内,证明以这种方法预测井架原型极限载荷是可行的。     

基于ANSYS优化设计的井架模型修正

建立一个能够反映井架真实结构状态和实际工作性能的有限元模型是进行井架检测和安全评估的第1步。根据实验室井架模型的实测模态数据,采用基于特征值灵敏度的优化设计方法对实验室井架模型进行了有限元模型修正,分析结果为实际工作井架的检测和安全评估工作提供了重要依据。     

半潜式钻井平台上钻机井架振动分析

以某半潜式钻井平台上钻机井架为实例,借助于ABAQUS非线性有限元分析软件对井架结构进行简化,并建立有限元模型。通过对井架结构的模态分析和随机振动分析,分别得到该井架的自振特性(包括固有频率及阵型)和井架结构在地震、波浪激励下的动态响应随时间、频率的变化规律,分析结果有助于在设计井架结构时避开其共振频率范围,进而为选择平台上有振动特性的配套设备提供理论依据。     

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。     

ZJ40/2250DB型钻机井架及底座静动态特性研究

根据ZJ40／2250DB型钻机井架及底座的结构特点，建立了三维有限元模型，应用有限元分析软件对井架及底座进行了静、动态特性分析。在静态分析中，按2种工况给模型加载，并获得了可靠的计算结果。在模态分析中，计算出前4阶固有频率及其相对应的主振型，并对各阶主振型进行了分析。通过对井架及底座的固有频率与钻机设计工作转速比较，得出前4阶固有频率都在转盘的扰动频率范围内，容易发生共振。建议在钻井过程中注意检测转盘转速，避免发生共振。     

HJJ31547海洋钻机井架的风动力学分析

对大多数的石油井架来说,一般都只采用等效静力计算方法来验证或指导井架使用。通过预应力模态分析、谐响应分析,对HJJ31547海洋钻机井架进行了风动力学计算,计算结果表明,HJJ31547海洋钻机井架没有全包覆式防风墙,也不存在大跨屋盖结构,其低阶固有频率超过2.00 Hz,井架不属于风敏感结构;海洋钻机旋转设备的振动不会引起井架共振;当暴风作用频率接近4.30 Hz时,可能对井架产生共振破坏。该项研究可有效指导井架的设计和现场应用。     

XJ350修井机起升系统动力学仿真

在合理假设的基础上,考虑了井架的弹性及钢丝绳与滑轮间的缠绕关系,应用ADAMS软件建立了XJ350修井机起升系统的仿真模型。通过不同工况下的分析运算,得到起升系统传动轴、大锥齿轮轴、滚筒轴、水刹车轴、快绳、死绳、吊环及井架起升和下钻过程较为准确的动载特性参数。仿真分析结果与以往的试验结果非常接近,表明仿真结果已达到较高精度。最后根据仿真结果,对XJ350修井机起升系统的设计和使用提出了建议。     

基于I-DEAS的石油井架模态分析

文章运用I-DEAS软件强大的有限元分析功能，对JJ160/41-K型钻机井架进行模态分析。从数学概念出发,系统的结构模态是振动系统特性的一种表征，石油井架模态分析所得出的固有频率和振型，是井架承受动态载荷时的重要特性。根据固有频率和振型可以预测井架在各种振源作用下的实际振动响应和由于结构设计所产生的薄弱环节。文章通过分析在设计钩载为1568 kN时的前10阶自振频率和各阶主振型，得出了以下结论：井架以整体弯曲振动为主，四根立柱为主要承载构件，且前两立柱承载能力最为薄弱。并建议通过改变立柱截面大小和材料提高井架的稳定性和承载能力，可通过优化截面参数提高立柱刚度。同时，证明了运用模态分析方法来研究钢结构的动力特性是便捷有效的。