石油钻机井架动态响应分析

论文摘要

井架是石油钻机起升设备的重要组成部分之一，在油田钻井中，用于安放天车，悬挂游车、大钩及专用工具，起下钻、下套管等。作为承载构件的钻机井架，其工作环境远比一般的钢结构物恶劣。井架结构要承受提放钻具的大钩载荷、风激励产生的风载荷以及钻机振动时产生的振动载荷等动载荷作用。目前，采用等效静力法研究井架结构，仅仅能满足井架设计阶段的基本要求，对井架在动载下的振动响应没有进行深入研究。特殊情况下的纵向冲击响应，正常工作阶段受周期性持续载荷作用的响应，以及在风载荷作用下的风致振动问题已经受到关注。在动载下对井架进行动态响应分析，能够更有效地减少或避免油田生产中发生的井架动力失效或被风刮倒而造成的安全事故。因此，开展动载荷作用下的钻机井架动态响应研究，对井架结构设计和油田安全生产有着重要指导意义。本文主要以前开口钻机井架为对象，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，并根据井架结构特点和工作实际将其划分为特殊工作状态和正常工作状态两种工况，通过概率统计方法，以大钩载荷为统计变量获得井架竖向载荷概率模型，继而采用国内惯用的编谱原则，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，得到了井架在动载何作用下的变形和应力变化，以及井架顶部、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。采用ANSYS软件对井架进行了模态分析，获得了前10阶固有频率和振型，并在此基础上进行响应谱分析，得到井架的频率响应特性。运用空气动学原理，研究了大庆油田的陆地风场特性，进行了井架结构风载荷谱分析。现场采集大庆地区从1960～2003年间44年的年最大风速气象资料，建立了极值Ⅰ型概率分析数学模型，对钻机井架的设计风速进行概率统计分析。根据油田生产实际，建立了9种模拟井架结构力学行为的载荷工况，运用结构随机振动理论计算了四段井架结构的风振系数和等效脉动风载荷。用能量法系统分析了各种脉动风速谱和风力谱的基本规律，给出了基于三角级数叠加谐波合成法的脉动风模拟方法，并采用Matlab6.5软件给出了风载荷的数值模拟结果。探讨了钻机井架风致振动的安全评价方法。通过分析风载荷与井架结构的相互作用和破坏形式，运用安全度和疲劳验算方法，评价了井架结构风振安全性能。用风玫瑰图描述了大庆地区冬季、夏季、全年的主导风向，建立了油田安全生产中的井位安装方位图。安全评价结果表明，井架结构在飓风情况下，井架顶部已经超过安全度控制极限，可能出现第一风向倾倒，但不会发生疲劳破坏。分别研究了周期钩载与风载荷以及瞬时冲击钩载与风载荷两种耦合工况下井架结构的动态响应问题。结果表明，两种载荷的耦合作用对井架结构的动态响应有一定的影响。首次提出了在井架结构中安装阻尼减振器，研究计算了减振后井架的动态响应。结果表明，井架立柱轴向振动大幅减弱，能有效抑制井架前倾弯曲变形，还可以“推迟”井架振动最大幅值出现的时刻，加快振动衰减，减少剩余振动产生的危害。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外研究概况、水平及发展趋势
• 1.2 K型钻机井架的国内外发展现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 井架结构自振特性分析
• 2.1 石油钻机 K型井架结构简化
• 2.1.1 井架结构简化的基本假设
• 2.1.2 JJ160/41-K型井架的结构简化
• 2.2 井架有限元分析模型
• 2.2.1 井架结构有限元分析模型的建立
• 2.2.2 单元特性
• 2.3 井架结构固有频率与振型分析
• 2.3.1 结构模态分析的基本原理
• 2.3.2 JJ160/41-K型钻机井架结构的模态计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 钻机井架瞬态动力学与动态响应分析
• 3.1 动力学模型的建立
• 3.1.1 弹性体理论与等效原则
• 3.1.2 K-M-C系统振动模型
• 3.2 载荷谱的确定
• 3.2.1 载荷谱及其分类
• 3.2.2 编谱原则
• 3.2.3 概率模型与分布
• 3.2.4 井架载荷谱的编制
• 3.3 瞬态动力学分析
• 3.3.1 瞬态动力学分析方法
• 3.3.2 JJ160/41-K型井架瞬态动力学分析
• 3.4 谐响应分析
• 3.4.1 响应分析理论
• 3.4.2 JJ160/41-K型井架谐响应分析
• 3.5 响应谱分析
• 3.5.1 响应谱分析理论
• 3.5.2 JJ160/41-K型井架的响应谱分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 钻机井架风振响应分析
• 4.1 风速概率描述
• 4.1.1 气象资料采集
• 4.1.2 风速概率统计描述
• 4.1.3 K-S检验
• 4.1.4 小结
• 4.2 钻机井架载荷分析
• 4.2.1 陆地风概述
• 4.2.2 载荷模型
• 4.2.3 平均风载
• 4.2.4 等效载荷
• 4.2.5 小结
• 4.3 风载荷谱理论
• 4.3.1 平均风理论
• 4.3.2 脉动风概率特性分析
• 4.3.3 作用在井架结构上的顺风向风力
• 4.3.4 脉动风载荷谱的模拟
• 4.3.5 小结
• 4.4 井架风振响应结果与安全评价
• 4.4.1 井架结构风振分析动力模型
• 4.4.2 计算结果与分析
• 4.4.3 井架风振性能安全评价
• 4.4.4 小结
• 4.5 本章小结
• 第5章 载荷耦合作用下的井架的动态响应分析
• 5.1 周期钩载与风载作用下井架的动态响应
• 5.1.1 周期载荷与背面风载荷作用
• 5.1.2 周期载荷与侧面风载荷作用
• 5.2 瞬态冲击钩载与风载作用下井架的动态响应
• 5.2.1 瞬态冲击钩载与背面风载荷作用
• 5.2.2 瞬态冲击钩载与侧面风载荷作用
• 5.3 本章小结
• 第6章 阻尼减振后井架的动态响应分析
• 6.1 周期钩载与风载作用下减振后井架的动态响应
• 6.2 瞬态冲击钩载作用下减振后井架的动态响应
• 6.3 本章小结
• 结论
• 1.本论文的结论
• 2.本论文的创新成果
• 3.展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历