（机械制造及其自动化专业论文）xjj60井架力学特性分析及稳定性研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： x j j 6 0 井架力学特性分析及稳定性研究 机械制造及其自动化 李郁( 签名) 鲍泽富( 签名) 摘要 井架作为修井机的重要部件之一，其钢结构杆件多、承受交变载荷，工作环境恶劣。 因强度不够、疲劳、失稳而破坏的情况在实际工作中多有发生。有绷绳修井机井架的研 究国内外已经很成熟，而无绷绳斜井井架设计、计算和力学特性的研究国内甚少；因此， 本文展开对无绷绳斜井修井机井架的分析和研究。 本文以南阳二机厂在役无绷绳斜井修井机井架x j j 6 0 为研究对象，针对井架x j j 6 0 的力学特性及稳定性进行了深入研究。通过对整个设计过程的设计变量的研究和分析， 利用三维软件p r o e 建立起井架的数字化模型，籍此可改变设计参数实现变型设计；运 用有限元分析软件a b a q u s 对井架在4 5 。和7 5 。两种工作角度下的四种典型工况进行了 有限元静力分析，得出井架的应力、应变特性，检验了井架的静刚度，并针对井架的薄 弱环节进行局部结构优化，优化后强度提高约2 0 ；利用a b a q u s 软件对井架进行模态分 析，得到井架的前1 0 阶固有频率和振型，分析证明这种结构的无绷绳修井机井架在正常 环境工作时不会与外界发生共振；通过瞬态响应分析得到井架在瞬态冲击下的应力、位 移变化规律。在整个振动周期中，井架以前后振动为主，左右振动次之，上下振动位移 幅值最小的结论，为产品改型设计和大载荷设计提供了依据和方向。还借助a b a q u s 软件 的屈曲分析模块对井架进行了稳定性研究，得到该井架的临界载荷大于额定载荷，表明 该井架在工作状态下不会发生失稳现象。 关键词：无绷绳修井机；斜井井架；有限元；力学分析；稳定性； 论文类型：应用研究 l i 英文摘要 s u b j e c t ：a n a l y s i so fm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dr e s e a r c ho fs t a b i l i t yf o rx j j 6 0 d e r r i c k s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n d a u t o m a t i o n n a m e ：l i y u ( s i g n a t u 嘲独 i n s t r u c t o r ：b a oz e f u ( s i g n a t u r e ) a bs t r a c t 1 1 1 ed e r r i c ki so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so fw o r k o v e r r i gw i t l lt h es t e e lb a r 、u n d e ra l t e r n a t i n g l o a da n db yt h ep o w e rc o n d i t i o n s t h ei n s t a b i l i t ya n dd e s t r u c t i o nh a st a k e n p l a c ef r e q u e n t l yi n t h ea c t u a lw o r k d u et oh a r s he n v i r o n m e n t 、f a t i g u ea n di n s u f f i c i e n ts t r e n g t h t h es t u d i e so fr o p e s t r e t c h e dd e r r i c kh a v eb e e nv e r ym a t u r e , a n di ti sv e r yl i t t l eo fw o r k o v e rr i gw i t h o u tg u y l i n ei nd e s i g na n dc a l c u l a t i o nd o m e s t i cr e s e a r c h t h e r e f o r e ，a n a l y s i sa n dr e s e a r c hh a v eb e e n d o n ei nt h ep a p e rf o rw o r k o v e rr i gw i t h o u tg u yl i n e t i l i sp a p e rt a k e sx j j 6 0d e r r i c ko fr gp e t r o 一队c h i n e r y ( g r o u p ) c o l t df o rt h e r e s e a r c ho b j e c t i v e ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo fx j j 6 0h a v eb e e ns t u d i e d t h e d e s i g no fr e s e a r c h a n da n a l y s i so fv a r i a b l e si ss t u d i e di nt h ee n t k ed e s i g np r o c e s s t h r e e - d i m e n s i o n a ld i g i t a ld e r r i c km o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e db ye n g i n e e r i n gs o f t w a r ep r 0 e s ot h a tt h ew h o l ed e s i g np r o c e s sa c h i e v e sp a r a m e t e r sd e s i g n af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea b a q u si su s e dt ow o r ko nt h es t a t i ca n a l y s i sf o rt h ed e r r i c ko ft h e 4 5 0 a n d7 5 0 u n d e r t h ef o u ro p e r a t i n gc o n d i t i o n s i ti sm a i n l ya b o u tt h ec o n t e n to fs t a t i ca n a l y s i so ft h ed e r r i c k s t r e s s ，s t r a i n , s t i f f n e s s t e s t i n gt h ed e r r i c ko ft h es t a t i cs t i f f n e s sa n daw e a kl i n kf o rt h ed e r r i c k t oc a r r yo u tl o c a ls t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n , w h i c hi n c r e a s e db ya b o u t2 0 i nt h ei n t e n s i t y ：m o d a l a n a l y s i sh a se x t r a c t i o no ft h ef r e q u e n c yb a n d so ft h et o pt e na n dm o d es h a p e sb ya b a q u s s o f t w a r e ，t h ec o n c l u s i o ni sp r o v e dt h a tt h ed e r r i c kr e s o n a n c ew i l ln o to c c u r 、析t l lt h eo u t s i d e w o r l d ；t r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i sh a sb e e nt h ei m p a c to ft r a n s i e n td e r r i c ks t r e s sa n d d i s p l a c e m e n tc h a n g e s ，n l ed e r r i c kv i b r a t i o ni sb a s e do na f t e rt h eb e f o r em a i nv i b r a t i o n ，t h e v i b r a t i o na r o u n di st h es e c o n d ，t h es m a l l e s ta m p l i t u d eo fv i b r a t i o ni su p p e ra n dl o w e rv i b r a t i o n i tp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ed e s i g na n dd i r e c t i o no fm o d i f i e dd e s i g nu n d e rt h eb i gl o a d l a s t l y ， 、枷t hb u c k l i n ga n a l y s i sm o d u l eo fa b a q u ss o f t w a r eo nt h es t a b i l i t yo fad e r r i c k t h ec r i t i c a l l o a dw h i c hi sg r e a t e rt h a nt h er a t e dl o a di so b t a i n e df o rt h ed e r r i c k i ts h o w st h a td e r r i c kd o e s n o to c c u ru n d e ras t a t eo fi n s t a b i l i t yp h e n o m e n o ni nt h ew o r k p l a c e k e yw o r d s ：w o r k o v e rr i gw i t h o u tg u yl i n e ；i n c l i n e dd e r r i c k ；f i n i t ee l e m e n t ： m e c h a n i c s a n a l y s i s ：s t a b i l i t y t h e s i s ：f u n d a m e n t a ls t u d yf o ra p p l i c a t i o n i l l 主要符号表 基本风压，p a ； 工作风压系数； 风压高度变化系数； 风压体型系数； 风振系数； 单元长度，m i i l ； 拉压弹性模量，g p a ； 密度，k g d ： 屈服强度，m p a ； 抗拉强度，m p a ： 泊松比： 主要符号表 v i i k魄k三e 户吒 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：雄 日期：上扛也 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：婢 导师签名： 日期：皇2 1 墨塑 日期：掣 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 近几年来，随着油气勘探开发的加快及石油行业“走出去 战略的实施，我国石油 修井装备在稳定国内市场、进军国际市场的步伐上明显加快，石油装备制造业处于高速 发展的黄金时期。由于我国东部油田大都已进入开发中、后期，采油的难度越来越大、 工艺和井况也越来越复杂，修井任务也越来越繁重。而西部油田的油井较深，自然及环 境条件十分恶劣，所以对修井设备的要求也越来越高。石油修井机是实现修井作业的 关键设备。国内大部分油田开发已经进入“三高”时期，井下作业成为油田稳产的重要 措施。因此，为油田公司提供技术先进的、安全可靠的、高度环保的修井机，对实施“低 成本战略”具有十分重要的意义晗1 。 本文以在役x j j 6 0 修井机井架为研究对象，通过对井架数字化模型的建立以及其静 动态受力分析和稳定性的研究，找出井架应力集中的薄弱部位，指出井架可能出现失效 主要部位并加以结构优化，为在役井架及新井架承载能力以及实际井架的维修方案提供 有效的参考依据。 1 1 修井机概述 在石油与天然气勘探开发的各项施工中，修井作业是一个重要的环节。修井设备主 要用来完成各种修井作业，如油井完钻后的试油求产、分层采油以及处理生产井中检泵、 造扣、解卡、拔脱、钻塞、扩眼、防砂、冲砂、清蜡、打捞、通井、侧钻、验套、套铣 等起下及旋转作业口1 。 修井是指向油、气、水井套管中下入或更换生产管柱、排除各种井下生产故障、处 理井下生产事故、配合各种工艺措施( 压裂、酸化、工程测井和堵水等) 作业的要求。根 据修井作业的难易程度，常将修井分为小修和大修。若只需要起下作业和冲洗作业就能 完成的修井项目称为小修，如更换生产管柱、检泵、清蜡、冲砂、简易打捞等井下作业， 也称为油、水井日常维修。而大修则是指工艺复杂、动用工具和设备较多的一些井下作 业，如繁杂打捞、套管修复、电泵故障井处理、侧钻及生产井报废等井下作业都属于大 修范围。修井动力设备主要是为井下作业提供动力，用以起下钻具、吊升设备、驱动转 盘等。油田上专用修井动力设备分为修井机和通井机两种类型h 嵋1 。 1 1 1 修井机的基本构造 修井机是油田勘探开发中必不可少的关键设备，常规修井机作业时井架一般处于直 立状态，但在油气开采中为适应特殊的地理环境或地质构造，有时还需要打斜直井进行 作业。这就要求修井机井架要保持一定角度的倾斜，使井架与井斜方向处于同一直线上。 然而，由于该设备的设计制造难度相当大，它一直是我国石油装备制造行业的空白。为 了尽快结束这个空白历史，南阳石油机械厂与河南油田采油二厂在2 0 0 1 年合作开发了这 种斜井修井机，它适用于斜式油、水井的小修作业，小修井深可达1 5 0 0 米，井架倾角范 西安石油大学硕士学位论文 围为4 5 。7 5 。在此范围内每间龋15 度就可调节井架不同倾斜角。 修井机是一套综合机组，是用来完成油井井下作业的专用机械，是石油井维修作业 中进行起下油管、抽油杆、加油泵、钻杆或提捞抽汲等井下作业用的主要设备“3 。它与 其它机器一样，由动力系统、传动系统、工作机构和辅助设备四部分组成，如图卜l 所 承。 固卜l 车装恬井机实物圈 根据井下作业t 艺技术中各工序的要求以及现代技术水平的条件，一部完整的修井 机必须具有下列各项设备：( i ) 动力系统：动力系统是修井机中用于驱动绞车、修井泵 和转盘等工作机组的动力设备，可以是柴油机和交流电动机或直流电动机。在白走式修 井机中应用最多的是柴油机驱动；( 2 ) 传动机构：是联系修井机动力机与工作机的传动 设备，主要是由传动系统和控制系统组成，用来传递能量并进行能量分配。为了使各机 组协调进行工作，修井机还装备了各种控制设备便于操作。气动或液动控制设备( 各种开 关、调压阀、) 电控制设备( 各种电控开关、变阻器、启动器、电动机等) ，以及集中控制 台、和观察记录仪表( 水温表、机油压力表、柴油压力表、气压表、指重表等) ；( 3 ) 工 作机构：是修井机进行具体井下作业的设备。它主要由行走系统、地面旋转设备、提升 系统和循环系统组成。提升系统设备：为了起下井管，更换采油、注水、起下其它井下 作业工具，修井机必须装备一套起升设备，以完成各项井下作业。这套设备由绞车、天 车、井架、游动大钩、钢丝绳以及其它井口起下钻操作的机械上具( 吊卡、液压卡瓦、气 动卡瓦、机械手动卡瓦、液压或机械油管上卸器、油管运渗机构等) ；( 5 ) 辅助设备：为 了适应野外井下作业，成套修井机还必须配备值班房、照明设备、消防设备以及其它配 合井下作业用井1 3 工具( 如防顶安全卡瓦、防喷器、各类连接接头等) 。 1 1 2 修井机的国内外研究现状 ( 1 ) 国外现状 目前，国外生产修井机的国家主要有美国、俄国、德国、加拿大和罗尼亚等。从产 品的产量、技术水平、品种规格和先进性综合来看，美国修井机处于领先地位。国外生 第一章绪论 产海洋修井机的公司主要有美国i r i 公司、n a t i o n a lo i l w e l l 公司、c o o p e r 公司、h r i 公司和挪威m a r i t i m eh y d r a u l i c s 公司n 训。国外修井机发展现状主要有以下几个特点： 提高修井机效率，主要是提高修井的起下速度和设备移运安装速度。 提高自动化水平，液压修井机可以显著减轻工人劳动强度，提高自动化水平。另 外，动力水龙头、动力油管钳、动力卡盘、液压转盘的使用也越来越普遍。液压盘式刹 车易于实现作业过程的监控和自动化，气控水冷辅助刹车，调速性能好，必要时可作主 刹车使用，这两项新技术己经用于修井机绞车上。 开发深井、超深井修井机。 发展特型修井机，代表产品有加拿大的全地形修井机，美国n a t i o n a lo i l w e l l 公司和加拿大k r e m c o 公司的折头转向全地形修井机已批量供应到西伯利亚油田。 提高h s e 要求，国外对修井机的安全性、可靠性非常重视，如修井机使用低压照 明系统、二层台逃生装置、井架起落伸缩的信号警示、远距离操纵技术、全天候驾驶舱 等在海洋修井机上使用q 糊1 。 ( 2 ) 国内现状： 随着石油工业的发展，油田使用的修井作业机已从8 0 年代引进、消化国外先进技 术到研制适合我国油田使用的修井作业机。广大科技工作者和石油工人经过2 0 多年来的 艰苦拼搏，使我国修井机形成一系列产品。据不完全统计，目前在役的修井作业机约1 5 0 0 台均属国产。可以自豪地说，我国石油机械制造厂生产的修井机已满足国内市场的需求， 而且还参与国际市场的竞争。 1 9 9 2 1 9 9 5 年，原石油工业部机械制造司委托原石油勘探开发科学研究院机械所、 石油大学( 华东) 开发修井机计算机辅助设计系统。后来，该系统通过了专家评审，为修井 机的设计与计算奠定了良好的基础。该计算机辅助设计软件基本包括了所有修井机基础 设计的理论研究成果n 鄹： 修井机变参数绘图软件。设计人员只要输入有关参数，井架结构形式就会自动显 示到屏幕上，可根据需要随时修改，所生成的图形文件自动转换到有限元环境下并对其 分析计算，计算结果自动显示到屏幕上。 对2 种修井机( i d e c 0 4 6 8 5 型，8 0 0 k n 和i d e c 0 3 1 6 5 型，5 0 0 k n ) 载荷谱的现场实测， 这项工作国内外无人做过。当时完成后，成功地求得它们在起下钻作业的时域、幅值域和 频域统计特性，从而为修井机的结构疲劳强度设计和关键零部件的疲劳寿命分析提供了 科学依据。 国内科研单位和制造厂从产品引进、消化到自行开发研制，使修井机的设计制造形成 了完整的制造和加工体系，并且形成了系列产品其产品型号有x j l 5 、x j 2 0 、x j 3 0 、x j 4 0 、 x j 5 0 、x j 6 0 、x j 8 0 、x j l o o 和x j l 2 0 型，涵盖有自走式、车载式和橇装式。南阳石油机械 厂还研制出沙漠用修井机、滩涂修井机、斜井修井机。南阳石油机械厂和江汉石油管理 3 西安石油大学硕士学位论文 局第四石油机械厂分别研制出海洋用修井机。虽然国内的修井机研制取得了一系列瞩目 的成绩，但与其他发达国家相比我们还要在以下两个方面作努力： 老产品的改造：( 1 ) 传动系统的优化设计；( 2 ) 主要部件的国产化，若传动系统中 的柴油机和a l l i s o n 液力传动箱主要部件国产化了，就可以大大节省财力。 新产品的开发：( 1 ) 液压修井机用顶部驱动系统代替原转盘传动系统，使传动系统 结构简化；( 3 ) a c 变频修井机a c 变频驱动可以精确调节工作转速和输出扭矩、可以实 现正转和反转，而且过载能力强、可靠性能好、质量轻并对环境无污染。 1 2 修井机井架的国内外研究现状 1 2 1 国外发展现状 回顾井架设计技术的历史，国际上大约在七十年代初开始把结构的有限元分析技术 应用于井架的静力设计，利用计算机对井架结构进行有限元分析的技术，使得所设计出 的井架的承载能力和工作的可靠性都获得空前的提高。这实际是井架设计技术上的一次 真正的革命n 喇1 。一般地，井架结构应视为空间刚架结构，对井架结构破坏形式的现场 调查表明，经过准确的加工制造后，刚开始投入使用的井架结构可被近似视为处于理想 状态。由于进行了静强度校核和稳定验算，其极限承载力一般都远远高于使用载荷，人 们不必担心这些井架的安全性。研究人员真正所关心的是大量处于长期使用以后，其实 际状态已经与设计制造初的理想状态相去甚远的井架结构。特殊的工作环境，使得井架 经常面临拆卸、移动、锈蚀和偶然冲撞等外部作用，导致结构产生各种损伤和缺陷。这 样大大降低了在用井架结构的承载能力。出于经济上的考虑，人们不可能让那些产生了 一定程度损伤和缺陷的在役井架立即报废，停止使用，而是希望能够充分利用它们现有 的承载能力，能继续使用的继续使用，不能再承担设计载荷但可承担较低载荷继续使用 的让其降级使用，已经没有使用价值的损伤严重井架才让其报废。这便是现在石油钻井 工业中面临的一项重要工作一在役井架的安全性评定。而安全性评定工作中的首要问题 是怎样来确定这些在役井架的安全承载能力。 在国外；井架一般由专门的厂商按标准系列独立生产，由钻机生产商或油田选配早 期国外对井架的安全评定偏重于外观查测、简易诊断和一般处置与预防等三个方面。从 查测的内容来看，主要是井架构件变形、损伤、磨损、腐蚀等，诊断的结论多偏重于定 性分析，处理与预防也不够具体。九十年代起，国外开始重视井架检测新技术开发与诊 断理论的研究工作，发表了多篇研究论文，同时申请了n o n d e s t r u c t i v ei n d u s t r i a l c o n d i t i o nt e s tp r o c e s sf o rd r i l l i n gd e r r i c k s 和t e s t i n gl o a d e dd e r r i c ko f r o t a r yd r i l l i n g 等多项发明专利。这些专利中包括井架的查测参数、实施的测试技术 以及故障诊断理论等，反映了当前井架安全评定理论与应用研究的新水平犯蚴l 。 对于石油井架的承载能力、动力特性和安全评定的研究工作一直在进行中。早在8 0 年代，前苏联石油工业安全评定条例中就有规定，一部井架在使用6 年后，至少要进行 4 第一章绪论 一次全面的检测；美国对在用石油井架的检测、维修、更换及报废很重视，a p l 4 a 、4 d 及4 e 、4 f 等钻井井架和修井机井架的规范中都给出了在用石油井架现场外观检测的具体 内容和方法，并发表了多篇研究报告。9 0 年代就开始针对油田在用石油井架使用时间过 长、井架受损较严重等实际情况，重视井架检测新技术的开发与诊断理论的研究工作， 并提出了多项改革措施但7 。勰1 。 1 2 2 国内发展现状 目前我国很多井架制造厂商在设计及强度校核时还依靠传统的经验及方法，即依靠 经典的材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式，对井架的结构作大量的简化并进行 分析设计，设计的结果依靠试验来验证。 国内对井架评定理论的研究目前大致可以分为以下几种：即以强度、稳定理论为主 的评定理论；以刚度理论为主的评定理论；可靠性评定理论及模糊评定理论等舢射。由 于井架结构本身是复杂的空间刚架或桁架结构，其缺陷特征又复杂多样，目前还无法给 出精确评定结果的办法。工程上的实际做法是通过井架现场承载试验，测量井架主要杆 件的应力、位移等，以现场测试结果为基础，根据安全评定理论以线性外推的方法确定 在役井架的安全承载能力。 以部级重点研究室大庆石油学院石油井架检测实验室为代表的研究队伍，通过多年 的工作，研究了井架材料从线性至非线性( 几何非线性和材料非线性) 、弹性至塑性的变 化过程，在实验室对油田在用的各种石油井架相似模型进行压溃实验，依据在役井架载 荷测试的实测数据，对井架结构分析中建立的计算机模型进行修正( 初始状态修正、物理 参数修正及刚度修正) ，得到逼近于被测井架真实结构的计算机模型。然后利用该模型进 行井架计算机加载仿真试验，科学确定在役井架安全承载力至极限承载力，实现了在役 井架现场试验与计算机模拟仿真试验的统一，为科学正确的评价在役井架提供了可靠保 证。 文献 3 3 对海洋井架进行了有限元静力计算，得出结论是海洋井架的设计应以最大 钩载为主，而现场使用表明，国产海洋修井机井架曾出现被大风刮倒的现象，究其原因 可能是由于设计时以最大钩载为主而对大风的考虑不全面所致。 文献 3 4 3 6 主要研究井架在钻机工作载荷和风载荷作用下的可靠性问题。在分 析井架的可靠性时，都没有载荷效应统计规律，而从结构所受载荷的统计分析入手来评 价结构的荷载效应。 文献 3 7 通过紫瑞c a e 与m d t 3 0 的无缝集成，实现对j j 2 2 5 4 3 k 井架的有限元分 析，从而利用分析结果实现对井架静强度及稳定性校核。 文献 3 8 根据弹性体理论和模型等效原则建立了用于动态特性分析的井架系统动力 学模型，编制符合实际的瞬态冲击载荷历程和周期性试验用程序载荷谱，对钻机井架进 行了瞬态动力学分析与动态响应计算，得到了井架在动载作用下的变形和应力变化，以 西安石油大学硕士学位论文 及井架顶部、二层台和人字架等主要部位在不同方向的时间响应变化规律和振动特性。 文献 3 9 提出了无绷绳修井机井架设计方案，建立了无绷绳修井机井架系统有限元 模型，运用大变形有限元方法，进行了三种典型工况下井架的应力和变形分析，得出了 可以指导此种井架设计的结果。采用b l o c kl a n z c o s 法方法进行了井架模态分析，得出 了井架的固有频率和振型。 文献 4 0 建立了无绷绳修井机井架系统有限元模型，运用有限元方法对井架各种典 型工况下进行了静、动态仿真分析和模态分析，得出了井架的固有频率和振型，结论表 明了不会与外界发生共振。此外又对井架进行了特征值屈曲分析，阐述了影响井架承载 能力的因素，并对各种因素进行了计算分析及比较，确定了井架结构形式。 1 3 无绷绳修井机研究意义 目前，对有绷绳的修井机，也就是目前在用修井机井架的有限元分析和稳定性的研 究已经很成熟，包括海洋修井机井架的分析，所使用的分析软件主要是a n s y s 。其中主 要研究的内容包括井架的强度分析、井架结构的优化、承载能力的分析以及使用寿命的 评估等。上述对井架的分析都是在有绷绳的情况下进行的，可见，在有绷绳的情况下对 井架的分析已经很成熟。对无绷绳修井机井架分析的相关报告还很少，因此我们有必要 展开对无绷绳修井机井架的力学分析的研究。 无绷绳修井机是将现有修井机的四根外绷绳取消，取消绷绳可以提高修井机的作业 效率，降低了修井作业的劳动强度，减少辅助作业时间及配套设备，提高修井速度，减 少事故隐患。无绷绳的修井机与有绷绳的修井机相比，修井效率可显著提高，工人的劳 动强度也有很大的降低。因此，无绷绳修井机的研制无论是对油田，还是对修井机制造 厂都会带来巨大的经济效益。 本论文以河南油田上在役无绷绳斜井修井机井架x j j 6 0 为研究对象，展开对无绷绳 斜井修井机井架的力学特性分析和稳定性研究，为在役井架的承载能力和可靠性评估及 井架的维修方案提供有效的参考依据。 1 4 本文的研究内容 无绷绳修井机研究的关键问题是：一是井架的力学分析，包括静力学分析和动态特 性分析；二是井架的稳定性分析。针对这两个关键问题，本文具体研究内容如下： ( 1 ) 参考国内外相关资料，熟悉并了解修井机井架的基本结构、基本参数以及井架 的设计载荷及性能要求，介绍了井架设计规范。 ( 2 ) 应用三维设计软件p r o e 进行井架的力学建模，得到井架的数字化模型，实现 井架的参数化设计，进而缩短井架的设计时间。 ( 3 ) 确定井架在四种典型工况下的载荷值，从而利用有限元软件a b a q u s 对井架在两 种工作角度下的四种典型工况进行了静力分析，得出井架的位移、应力分布规律，找出 6 第一章绪论 井架的受力薄弱部位并对其进行局部结构优化，为井架的结构设计提供参考依据。 ( 4 ) 利用a b a q u s 软件对井架进行动态分析，主要包括：模态分析和瞬态动力学分析， 得到井架的前1 0 阶模态阵型以及井架在瞬态冲击下的应力、应变曲线图。 ( 5 ) 利用a b a q u s 软件对井架进行了屈曲分析，得到井架的临界载荷，证明该井架不 会发生失稳状况。 图1 - 2 井架分析流程图 7 西安石油大学硕士学位论文 第二章修井机井架总体参数及设计规范 井架作为修井机的重要部件之一，其主要用于安放和悬挂天车、游车、大钩、吊环、 大钳等起升设备与工具。用于安放和悬挂立管、水龙头、水龙带等泥浆循环设备与工具， 以及起下与存放钻杆、油管、抽油杆等工具昭1 。本章主要对修井机井架的基本参数、设 计规范、使用工况进行介绍，为后面力学特性分析及稳定性研究奠定理论基础。 2 1 井架的结构形式 井架是支撑吊升系统的构件，常用的井架可分为固定式井架和车载式井架两种。石 油井架按工作内容可分为钻井井架与修井井架，按结构形式可分为塔形、前开口形、a 形、桅形井架、k 型等；按工作场所分为陆地井架及海洋井架；按油井结构形式可分为 直井及斜井井架h 。常见的井架结构形式主要有五类： ( 1 ) 塔形井架：横截面为正方形或矩形的半永久结构，其构件在四面成格构结构或 桁架结构； ( 2 ) a 型井架：有两个格构式或管柱式大腿，靠天车台与井架上部的附加杆件和二 层台连接成“a 字形的空间结构； ( 3 ) k 型井架：横截面为正方形或矩形的框架结构，前面敞开，由若干体焊接结构 套装或先套装后对接而成，有二节套装直立井架、三节套装直立井架、多节对接伸缩井 架以及分片式多节对接伸缩井架； ( 4 ) 前开口井架：横截面为矩形，前面敞开或大部分敞开，有若干个焊接结构用螺 栓或销子连接组装成整体的空间结构； ( 5 ) 桅形井架：桅形井架主要作为车载修井机井架。这种井架正面和侧面呈矩形， 前扇敞开，呈空间井架结构，整体分若干段，各段分别焊成一整体，段间用销子或螺接。 它在工作时多向井口方向倾斜，一般为3 0 。 - 8 0 。，需要用绷绳来保持井架的稳定性，以 充分发挥其承载能力。 斜井井架属于桅形井架的一种，但与常规桅形井架相比具有鲜明的特点。x j j 6 0 斜 井井架组成如图2 - 1 所示，斜井井架工作时，天车头部向发动机方向倾斜，为无绷绳结 构，其前支架与常规井架一样，只在井架平放状态下起支承作用。其主体设有游车移动 导轨。工作时它采用中支架作为辅助支撑，井架下体为主要承载件，既承受上体的自重， 又承受大钩载荷、而作为斜井井架下段的托架主要用于起放本体、调整本体工作位置， 在工作中只起辅助支承的作用心1 。该井架与常规套装井架一样，采用液压起放、液压伸 缩方式。 x x j 6 0 井架的主要技术参数为： 额定载荷：3 5 0 k n ； 井架高度：2 1 m 8 第二章修井机井架总体参数及设计规范 井架倾斜范围：4 5 。7 5 。，间隔15 。； 伸缩液压缸行程：2 5 9 0 n t , n ； 游动系统轮系：3 x 2 ( 开式) ； 抗风能力：无立根、无钩载。l o o k m h ； 二层台高度：32 72 m ( 井架倾斜4 5 。) 图2 - 1 现场使用的x j j 6 0 井架 2 2 井架的基本参数 修井机井架的基本特性参数丰要包括最大钩载、井架高度、二层台容量、井架的抗 风能力及理论自重等。 2 2 1 最大钩载 最大钩载是修井机的一个主参数井架的最大钩载是由游动设备自重与施加在游车 上的额定静载荷组成，在规定的游动系统绳数没有排放钻杆立根、抽油杆及风载情况 下，该载荷是可加在井架结构上的最大载荷，这一参数表明井架承受垂直载荷的能力。 2 2 2 井架高度 井架高度指的是井架大腿支脚底板底面到天车梁底面的垂直距离，但这个参数并不 能完全反映井架提供游动系统操作空间高度的指标。为了表明游动系统可上下运动的空 间，规定了井架的有效高度，其定义为：钻台面到天车梁底面的垂直距离。 西安石油大学硕士学位论文 2 2 3 二层台容量 二层台容量是指在二层台内所能靠放的钻杆、油管的数量，通常以一定尺寸的钻杆、 油管的总长度表示。 2 2 4 井架载荷 井架载荷是指大钩载荷、风载荷、立根载荷作用于井架的组合载荷，自走式修井机 井架一般不计算地震载荷。 2 2 5 其他参数 井架的其他参数还有二层台高度、游动系统有效绳数、名义修井深度等参数。理论 自重及动态井架的动力特性参数。井架的二层台高度是指从井架大腿底板平面n - - 层台 底面的垂直距离，二层台的有效高度则指从钻台平面n - - 层台底面的垂直距离；游动系 统有效绳数一般有4 根、6 根、8 根和l o 根；名义修井深度有小修深度和大修深度之分。 2 3 井架的设计载荷及计算工况0 4 3 4 4 l 2 3 1 井架的设计载荷 修井机井架承受的载荷主要有恒载、最大钩载、自然荷载及风载等。 ( 1 ) 恒载 井架承受的恒载指那些长期作用在井架上的不变荷载，包括井架本身的重量以及安 装在井架上各种设备和工具( 主要包括天车、游车、大钩、吊钳和钢丝绳) 的重量。 ( 2 ) 最大钩载 最大钩载指的是由游动设备自重与施加在游车上的额定静载荷组成，在规定的游动 系统绳数，没有排放立根及风载的情况下，该载荷是可加在井架上的最大载荷。 q = ( + g 游) k ( 2 一1 ) q 。最大静钩载( 额定载荷) ，k n ； g 游一游动系统的重量，i ( n ； i ( _ 轮系比。 ( 3 ) 立根载荷 立根载荷包括立根自重对井架产生的作用力及立根所受风载，它通过二层台的指梁 按水平方向作用到井架相应节点上。立根自重对井架产生的水平靠力： l = i 1q l n c t g o ( 2 2 ) 式中：一立根自重对井架产生的水平靠力，麒： q 钻杆单位长度的重量，k n m ； l 一立根长度，m ； n 一存放立根总数； 1 0 第二章修井机井架总体参数及设计规范 目一立根与钻台面倾角，可取0 = 8 6 。 - 8 8 。 ( 4 ) 风载荷 自然载荷对井架的自然载荷对井架的施加具有一定的随机性，而且受井架的使用地 区及钻井环境的影响较大。目前，根据河南地区气候地理条件，地震载荷和温度载荷一 般不作考虑。风载公式由a p is p e c i f i c a t i o n 4 f ( 第二版) 给出。 匕= w x f( 2 3 ) 式中： 只一作用在井架上的风载，n ； f _ 承风面，即垂直于风向的井架外廓面积，m 2 ； 形一作用在井架上的计算风压，p a 。 w = w o k o k 。印 ( 2 4 ) 式中：一基本风压，p a ； 凰一工作风压系数，一般取0 3 - - 0 4 ； 拖一风压高度变化系数； k 一风压体型系数； 一风振系数。 2 3 2 井架的载荷工况 设计计算时同时使用的载荷称为载荷组合。载荷组合与设计方法和计算目的有关， 其原则是：考虑各种载荷出现频率，根据不同的计算目的，按对结构作用最不利的情况， 合理地把可能出现的载荷组合起来进行结构分析计算。 在修井机的整个服役期间，井架、底座承受同时出现载荷的情况，在应力计算法中 称为载荷工况。一般井架的载荷工况主要有以下几中情况m 1 ： ( 1 ) 严重修井工况此工况是针对修井机在修井过程中，可能出现的最重的钻具或 最重的套管，以及处理修井卡钻和下套管遇阻等事故时承受荷载情况。主要载荷是恒载、 附加作业及事故钩载、立根水平靠力、工作绳作用力以及工作状态风荷载，对桅形井架 还应包括绷绳载荷。 ( 2 ) 正常修井工况此工况是在修井机井架工作过程中，经常受载情况，即起下钻 工况。主要载荷是大钩载荷、恒载和工作状态风载。 ( 3 ) 安装工况此工况是针对整体起放井架从水平或放倒位置起升到工作位置过程 中承受的荷载情况。包括的载荷有恒载、起升力、天车载荷以及起升状态工作绳作用力。 ( 4 ) 大风载荷工况此工况针对大风停修情况，主要载荷包括：最大风载、立根风 载、立根水平靠力及恒载等。 ( 5 ) 特殊载荷工况此工况为根据要求考虑地震载荷或温度载荷工况。 西安石油大学硕士学位论文 2 4 井架的性能要求 修井机井架是一种特殊的钢结构，主要承受在修井过程中产生的各种载荷。井架的 设计计算就是保证其在规定的寿命期间能安全可靠地支承设计载荷，同时兼有提供设备 运转空间和工人操作平台等各项职能。井架的负载具有一定程度的不确定性。其设计载 荷的主要参数一般按标准或规范来确定，在具体设计时要考虑具体的工作环境，如海上、 沙漠、滩涂等特殊作业环境的影响。井架结构通常有各种不同类型的破坏，如杆件或构 件的局部破坏、整体结构的破坏等。因而在设计计算中同时应用不同的计算规定，在大 多数情况下，计算规定要依据预期结构所发生的破坏类型而定，井架的设计计算的规定 通常有以下两点啪】： 2 4 1 静强度规定 井架的静强度规定：井架结构中的任何部位的应力如果达到材料标定的屈服强度， 该结构就会被破坏。 这个规定认为结构中某一部位的应力达到屈服强度是结构承载的临界状态。按照虎 克定律，为保证结构在弹性范围内工作，用概率统计分析的方法，对结构材料的抗力能 进行统计分析，在一定可靠度的情况下，确定出一个实际应用的材料强度许用值，为设 计强度 o r 。因此，井架工作的静强度条件为： or 特征尺寸的更改可以引起特征的变化； 特征与特征之间可以建立数学函数关系，使特征之间表现出一种互动关系； 特征之间存在依赖关系( 如父子关系) 。 ( 2 ) 数据全相关性 p r o e 系统中的数据是全相关的，所谓全相关就是如果改变某个模型的有关尺寸或 特征，那么这种改变便会自动在诸如零件模型、装配模型、工程图模型等方面的应用中 体现出来。 ( 3 ) 基于特征建模 所谓特征是指机械设计和加工中常用的一些术语，例如：拔模、倒圆角、剪切、打 孔等。p r o e 基于特征的建模过程就是根据产品特征和设计者的意图，用这些基本特征 通过添加或切除等方法建构起零件模型。 ( 4 ) 数据库的单一 基于p r o e 的参数化设计开发一般有3 个步骤： 利用p r o e 的实体造型( 利用拉伸、旋转、扫描、混合等命令) ； 对所建的模型进行参数化。利用工具菜单中的“关系一参数”下拉菜单进行，添 加设计参数，这里参数主要控制梁截面形状尺寸； 利用p r o e 提供的工具“p r o p r o g r a m ”进行程序化设计。 按照上节假设，井架的简化模型如下图所示： 图3 - 2 主视图 图3 - 3 俯视图 1 8 第三章修井机井架的力学模型建立 图3 _ 4 侧视图 3 2 3 井架材料参数 x j j 6 0 井架的丰要立柱由方钢管1 0 0 x 1 0 0 x 6 2 0 作为立柱及方钢管5 0 x 5 0 x 5 2 0 作为斜撑焊接组成，井架结构材料采用2 0 钢，弹性模量e = 2 1 0 g p a ，泊松比= 03 ，密 度p ：78 5 1 0 3k g m ：。该材料的屈服鹿力k 】及许用应力p 】如下表所示： 表3 - 12 0 钢的许用应力 材料牌号 t 【 m p ap 】m p a 安全系数n 2 02 4 54 1 01 8 85l3 3 2 4 定义边界条件及网格划分 要对修井机井架进行力学分析计算，除建立合理的有限元力学模型之外，还必须给 出合理的约束条件才能确保计算的正常进行和计算精度的要求。井架与底座间的连接为 销，但在工作时不允许发生相对转动和移动，故在模型中将井架与底座问的连接处理成 固定支座，限定其三个方向的平动和转动，中支杆与井架连接简化为刚性连接。底部处 理为固定支座，限制6 个自由度，约束如图36 所示。 图3 _ 6 定义边界条件 巫巫 西安石油大学硕士学位论文 网格划分是有限元分析过程中极其重要的一步，a b a q u s 提供了众多的单元类型，单 元种类多达5 8 0 种，丰要包括实体单元、壳单元、粱单元、刚体单元、桁架单元、无限 单元等。本次网格划分中采用自由网格划分技术，选择的单元为c 3 d 4 单元，网格大小尺 寸1 0 0 ，共划分为2 2 4 9 7 个节点7 2 8 9 7 个单元，网格划分如图3 7 所示。 s l ”h l w m i ! l 一 1 日h “ b m 4 t 1 川l l ：0 l