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 本刊论文 |
| 前开口形井架及其底座力学行为研究 |
| 作者：熊跃峰 时间：2016/09/25 点击：455 |
摘要：在严寒地区、沙漠和深海等环境恶劣的区域，前开口形井架及其底座在石油勘探钻井工作中得到了应用。为了确保该种井架及其底座结构能够得到安全使用，还需要在实际工作中对其静力学特性展开分析。文章使用有限元分析法对该结构的力学行为展开了研究，从而为关注这一话题的人们提供参考。
关键词：前开口形井架；底座；力学行为；石油勘探钻井工作；有限元分析
相较于其他石油钻井井架，K形井架具有较多的应用优势。而前开口形井架及底座由K形井架和自升式底座构成，不仅具有开放式的空间结构，同时也有重量轻和下部开阔的底座，所以在诸多石油勘探钻井工作中得到了应用。根据前开口形井架及其底座的实际结构特点，并且通过建立相应的三维有限元模型，本文则对该种结构的力学行为展开了分析，从而对该结构的承载能力展开研究。
1 前开口形井架及其底座的结构分析
从结构上来看，前开口形井架及其底座由K形井架和自升式底座构成。其中K形井架由四大节组成，每一节都是由角钢、工字钢和圆管钢件构成，各构件之间采取焊接方式连接。而自升式底座为空间钢架结构，由多个框架构成，并且每个钢架都是由工字钢或型钢焊接而成。从上、中、下组成结构来看，底座上层有钻台面，底座中层有前后立柱、人字架和斜立柱，底座下层为底面。其中钻台面主要用于进行井架、转盘和其他钻井设备的安装，可以为钻井操作提供平台。在连接时，需要使用双销将绞车前后梁和立根台连接起来，并且利用双销和绞车梁将钻台面的中部转盘梁和立根台连接起来。在钻台面上，需要使用双销将多个框架连接起来，所以可以将钻台面看成是一个平面钢架。而底座的底面主要由左右基座构成，需要使用三个连接杆和两个连接框架将两个基座连接起来，并且使用双销将两个连接框架和一个连接杆连接起来，因此也可以将底面看成是一个平面钢架。
在初始位置，井架及其底座是折叠在一起的，所以井架人字架与左右基座及上下座连接都是铰链连接。利用绞车动力，井架及其底座就能够起升。在这一过程中，井架将先起升到垂直位置，然后底座上的人字架也将到达预定位置。而人字架固定后，由钻台面和前后立柱构成的平行四边形连杆机构也将起升到预定位置，并且与人字架连接在一起。
2 前开口形井架及其底座的力学行为研究
2.1 研究模型
根据前开口形井架及底座的结构组成，可以建立相应的有限元模型对井架及其底座的力学行为展开分析。按照有限单元法，可以将结构多根梁的边界点、交叉点和集中力作用点设置为节点，并且将节点间的梁设置为单元，然后根据各构件承受的荷载进行单元类型选择。通过分析可以发现，前开口形井架及其底座为焊接结构，节点刚性较大，在载荷作用下将产生弯曲应力和拉压应力，所以需要构建三维弹性梁单元。考虑到井架及其底座为铰链连接，可以使底座底部只保持y轴转动自由度。在此基础上，通过确定节点位置和输入节点位置坐标，就可以建立相应的有限元模型。而考虑到有限元模型分析工作量较大的问题，可以使用ANSYS9.0有限元软件进行载荷的施加，并且使用结果后处理器计算
结果。
在建立井架及其底座的有限元模型时，考虑到各个单元的受力情况，可以使用三维梁单元和管单元进行模型建立。在对应的ANSYS有限元单元库中，可以进行三维梁弹性单元的选择。而该单元有两个节点，每个阶段对应六个自由度，可以进行拉力、扭转力、弯曲作用和压力的承受，所以能够在井架及其底座的模型中应用。在建立模型结构时，需要进行两个方面的高度尺寸、截面模量和单元截面积数据的输入，以便使梁截面的几何特征得到全面反映。通过计算，则能够输出六个截面的内力分量。同时，也可以将每个节点对应的位移分量和弯曲应力以及轴应力输出。在进行三维管单元选择时，需要确保单元可以进行拉力、扭转力、弯曲作用和压力的承受。需要使每个节点有六个自由度，并且进行管壁厚度和外圆直径这两个参数的输入。
2.2 结构的载荷工况分析
根据井架及底座所需承受的载荷，可以对最大钩载工况和最大转盘梁载荷工况这两种载荷工况下的井架及底座的静力结构展开分析。在最大钩载工况下，结构需要承担自重、最大钻柱总量、风载及其他载荷。在最大转盘梁载荷工况下，结构需要承担自重、最大套管柱重量、风载及其他载荷。而该两种工况都发生在正常钻井的情况下，所以还需要对钻机的具体使用情况进行考查，从而确定两种工况下的每种载荷的具体数值。根据这些数值，可以对建立的有限元模型进行载荷施加，然后通过加载软件得到前开口形井架及其底座结构的各单元应力值、内力及各节点位移值，继而对结构的静力特性展开分析。
2.3 结构的载荷施加
在对井架和底座施加载荷时，需要分别考虑最大钩载工况和最大转盘梁载荷工况。明确各自工况下的载荷组合，并且在完成结构所需载荷工况分析后，对各工况下的载荷数值进行确定，为此需要进行钻机的具体使用情况的考察。而钻机设备的自重基本可以确定，但最大套管柱重量、最大钻柱重量和风载确不容易确定。在确定这些数值时，需要先确定钻机的具体使用地区和情况，然后根据现场调研和井架及底座设计人员的意见进行这些数值的确定。在对前开口形井架及其底座的力学行为进行建模分析时，可以将井架及底座自重设定为2300kN，并将最大钻柱重量和最大套管柱重量均设为2250kN，并且不考虑风载荷和其他附加载荷。根据各个工况下的载荷，在对有限元模型进行载荷施加时，还要考虑井架及其底座上各构件的实际受力情况。比如，在有限元模型上将2250kN载荷施加在转盘梁上时，需要将载荷按照集中载荷均匀分布方式施加在12个节点上。在施加最大钩载时，需要将其均匀施加在井架顶部4个节点上。而由于井架及其底座自重在两种工况下是相同的，所以需要将其施加在相同的位置。比如，立根载荷就应该均匀施加在底座顶部立根梁4个节点上，司钻房自重就应该均匀施加在上座边缘的12个节点上。在载荷加载完成后，就可以利用ANSYS软件进行结果的计算。
2.4 结构的应力分析
通过分析可以发现，在最大转盘梁载荷工况下，井架结构的载荷集中作用在底座中部，其本身需要承受顶部驱动装置和其他部件施加的载荷。同时井架主梁承受的应力较小，随着结构位置的下降，承受的应力值也将逐渐增加。在最大钩载工况下，井架需要承受的应力主要来自于顶部驱动装置、最大钩载和其他部件，应力最大值在井架前开口处。此外，井架各单元的应力水平也均有所提高。而分析底座结构的应力值可以发现，在最大转盘梁载荷工况下，承受应力较大的单元为上座主梁中部的单元。在最大钩载工况下，处在井架支脚附近的单元需要承受较大的应力。此外，作为底座上结构尺寸最大的框架，基座需要承受系统全部载荷。在最大转盘梁载荷工况下，基座最大应力单元在前立柱附近。而在最大钩载工况下，前后立柱附近单元承受的应力则较大。在底座升起的过程中，由于人字架为系统固定支撑，所以承受的应力较大。在底座升起后，由于大部分垂直载荷由前后立柱承担，所以人字架的应力水平将有所降低。而分析钻台的应力可以发现，转盘梁、立根台和绞车梁是钻台的三个主要框架。在最大转盘梁载荷工况下，这三个框架的应力水平受到了明显影响。其中转盘梁附近的各梁承受的应力作用较大，并且应力分布不均匀，只有少数几个梁有较大应力。
2.5 结构的刚度分析
在各种载荷的作用下，井架及其底座必然会发生变形，但是由于载荷的作用位置并不相同，同时井架和底座不同部分的刚度也不相同，所以不同部分的变形量也并不相同。对结构的刚度展开分析，是为了确保结构各部分有足够的刚度，继而确保井架及底座能够正常工作。在分析的过程中，可以对模型各节点的位移值展开分析，然后根据位移值大小发现结构的刚度薄弱部分。而通过分析可以发现，在最大转盘梁载荷作用下，转盘梁的变形量明显高于钻台的其他框架。同时，由于承担了立根载荷，立根台也出现了明显变形。但是从立根台的位移值大小来看，其虽然发生了弯曲变形，但是变形量相对较小，可以满足刚度要求。从总体上来看，在最大转盘梁载荷工况下，钻台出现了明显变形，而转盘梁位于钻台中部，承受的荷载作用较大。分析转盘梁结构可以发现，其属于对称结构，所以需要承受对称载荷，所以尤其需要使其满足刚度要求。此外，除了转盘梁发生较大变形。在顶部驱动装置和本身重力的作用下，井架的变形量由下到上逐渐增大。对井架变形展开分析则可以发现，井架需要承受来自于垂直方向和纵向方向的载荷，所以会在这两个方向产生变形。相较于其他框架，井架弯曲变形较大，并且其变形量由下到上呈现出逐渐增大的特点。在最大钩载工况下，井架变形量明显要比其他框架高。但从井架各点位移值大小来看，井架各段结构性能较好，刚度仍然有余量，所以具有一定的工作安全性。
3 结语
总而言之，石油钻机井架及其底座的种类较多，每种结构都有着不同的力学行为，所具有的承载能力也并不相同。而通过建立有限元模型对前开口形井架及其底座的力学行为展开分析可以发现，该种结构具有较好的静力特性，可以在石油钻井施工中得到较好的使用。
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