4.3.2耳板的设计 ........................................................................................................... 25 本章小结 ........................................................................................................................ 27
5 井架三维实体模型的建立 ...................................................................................................... 27
5.1软件简介 .......................................................................................................................... 27 5.2 建立模型思路 ................................................................................................................. 28 5.3建模过程 .......................................................................................................................... 28
5.3.1建立骨架模型 ....................................................................................................... 29 5.3.2放置梁 ................................................................................................................... 30 5.3.3接头处理 ............................................................................................................... 31 5.3.4 焊接工艺 ...................................................................................................................... 32
5.3.5各段组装 ............................................................................................................... 33 5.3.6连接处理 ............................................................................................................... 34 本章小结 ........................................................................................................................ 35
6 动力特性分析 ............................................................................................................................ 36
6.1本章简介 .......................................................................................................................... 36 6.2 软件介绍 ......................................................................................................................... 36 6.3 分析说明 ......................................................................................................................... 36 6.4 稳定性分析 ..................................................................................................................... 37
6.4.1稳定性分析的基础 ............................................................................................... 37 6.4.2静载荷为井架结构自重的稳定性分析 ............................................................... 37 6.4.3静载荷为井架结构最大钩载的稳定性分析 ....................................................... 40 6.5动力学分析 ...................................................................................................................... 41
6.5.1模态分析 ............................................................................................................... 41 6.5.2模态分析的基础 ................................................................................................... 41 6.5.3井架模态步骤 ....................................................................................................... 42 6.5.4 结果分析 .............................................................................................................. 44 6.6井架随机振动分析 .......................................................................................................... 47
6.6.1随机振动分析的基础 ........................................................................................... 47 6.6.2随机振动分析分析步骤 ....................................................................................... 48 6.6.3结果分析 ............................................................................................................... 49 本章小结 ........................................................................................................................ 52
结论 ............................................................................................................................................... 53 总结 ............................................................................................................................................... 53 感谢信 ........................................................................................................................................... 54 参考文献........................................................................................................................................ 54
1 绪论
1.1 概述
近年来，随着经济发展的速度越来越快，对石油资源的需求量不断的增大，而在获取石油的过程中，钻机井架是不能缺少的主要构件。它起到的作用包括：放置天车，悬挂游车、大钩及其他的专用工具，同时在钻井过程中，可以执行下套管的操作，在起下钻时，又可存放立根。井架是石油钻井八大系统中起升系统的重要组成部分，对石油井架的研究具有很大的学术价值和实际作用，而由于这个大型钢结构杆件太多，还承受着各种力的作用，对它的研究同时也具有很大的挑战。为了满足经济发展的需求，对各种不同工况下油气田的勘探越来越普遍，与此同时，钻井深度也在不断的增加，为了满足这些实际需求，国内外设计出钻机的性能和功能的要求也越来越高，这对井架强度、稳定性和刚度的要求也越来越高，设计出性能好，可靠性高，成本低的钻机井架是世界上所有井架设计生产者的目标。目前，世界上的井架正在向着低位安装、整体起升、高钻台、重量轻、车载化和移运性好的方向不断发展，
1.2 国内外的现状
井架在石油开采过过程中承受着各种各样的载荷，因为井架强度不够，稳定性不好而发生事故在国内外都发生过。随着科学技术的发展和对能源的需求量越来越大，钻井向深海发展的趋势也越来越明显，对大型石油钻机的设计和制造技术要求也越来越高，所涉及的技术难题也越来越多。由于井架在钻井过程中所发挥的重要重用，要求也相应提高，而由于海洋井架所处环境比陆地井架复杂的多，要求则更高。在上世纪60年代以前，国外对井架的结构安全稳定性的检测仅仅是对外观的检测，研究报道则是以对海洋平台结构的有限元分析为主。从上世纪70年代开始，井架钢结构的动态响应等问题，开始受到相关设计人员的关注。在90年代时，对井架新技术的发掘和研究工作逐步得到了重视。到21世纪时，计算机技术得到快速发展，结构动力学、系统阻尼、系统响应、模态分析等技术在计算机上能实现很好的研究与分析，对井架的研究方法逐渐走向了系统化、精细化，对井架的研究手段越来越丰富。从本世纪初到40年代，几乎所有的井场都在使用这种井架。塔型井架使用最久井架类型，由于该类型井架杆件众多，在组装和移运过程中显得非常困难，同时操作平台过高，操作人员的安全性不能得到保障，逐渐趋于被淘汰。但从70年代开始，发展海洋钻井工程的趋势越来越明显，塔型井架又显现出它特有的承载能力特别大，稳定性也非常好的优势，又发展成为目前世界上海洋钻井工程中最主要的一种
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结构形式了。美国艾迪科公司在1948年生产出了一种新型自身式井架—A型井架。由于该类型井架具有良好的视野，拥有宽大的钻台空间，能够实现在地面上实现组装[1]，起升时又能整体起升等优点，这种井架已经被很多国家的同行所追捧和使用。K型井架自从被研制出来以后，世界各国钻井公司纷纷将这种井架应用于各个井场，美国有不少于十家井架生产公司生产这种类型的井架。目前，世界上所有生产井架的国家中，除俄罗斯、罗马尼亚和西德这几个国家生产A型井架以外，其他国家的陆地钻机全是K型井架。
国内50年代开始制造塔型井架，由于塔型井架的诸多不安全因素，60年代以来A型井架开始取代塔型井架。到1979年制造出JJ315/43以后，A型井架开始被大规模的使用，已有95套该型号井架与ZJ45钻机配套。在1981年我国仿制出了第一套K型井架后，这种井架便迅速得到了钻井工程界的认可，先后研制并配套1500m，2000m，3200m，4500m及6000m五个级别钻机的K形井架共18种。国内从60年代初开始出现桅型井架，但仅用于修井作业中，由于桅型井架在钻井作业中实用性不是特别强，到现在为止仅生产出了4套[2]。
1.3 井架发展趋势
由于我国独特的海洋环境，发展自升式K型特种井架将会是一种趋势，该井架具有分段制作、分段组装、垂直连接技术井架的特点。这种井架是由几段井架依次组装而成，一般是由4-5段组装而成，大体分为井架下段、井架上段和分为若干部分的井架中断，而井架配套设施如天车、二层台、扶梯也在主体组装完成后被组装在井架上[3]。
自1982年顶驱出现以来，作为特种井架，采用该系统钻井的钻井效率大幅度高，事故发生率也明显下架，钻井成本也越来越低，顶驱在世界上所有的钻井工程中已经形成了其特别的优势，世界各国的井场也纷纷开始大范围使用这种设备。现在，浅海上的钻井船和平台上几乎全部都配备有顶驱系统[4]。 目前，易于采集的地层和浅海石油已基本上发掘的差不多了，往深海和更深的地层开采是石油开采的趋势，因此，对超深井架研究也显得越来越重要。目前世界上钻深最深的钻机已经达到15000 m，井架的高度也达到了74 m，我国国产钻机最大钻井深度为6000 m，井架高54 m，与国外相比差距比较明显，因此对超深井、超高井架的研究也将会越来越重要。
在这个以机械化和智能化为大体发展趋势的社会背景下，钻机的自动化将会为操作人员的安全性提供可靠的保障，同时钻机成本也能得到很大的缩减，工作效率也能得到大幅度的提高。从目前的国内外钻井作业情况看，应该在井架上配备小型的机械化设备，比如自动套管台、液压缓冲器、二层台逃生装置及自动排放立根系统等，以此来提高钻井作业的机械化、安全可靠性和自动化的程度。
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1.4 井架分析现状
近年来，伴随着计算机技术的快速普及，数值分析的方法不断得到提高，有限元分析也在此基础上得到了很大的提高，这也为解决现实工程中越来越复杂的需要分析计算的问题提供了一种快速而准确的方法，通过建立准确的井架模型，分析模型的受力情况，进而模拟井架实际受力情况，通过这种方法得到接近于真实的井架的工作参数，满足工程设计中的需求，是对石油井架力学分析的一种非常可行的方法。井架在钻机在工作中的承受着几乎所有的载荷，因为稳定性不好、强度不够发生事故的情况在世界各地都时有出现。为了使生产出的井架不仅结构合理，而且稳定可靠，非常有必要对井架进行动力特性分析和静态分析，以此来确保井架拥有很好的稳定性。静态分析主要是对井架在受自身重量的作用下产生应力应变的大小，从而得出井架是否满足设计需求。动态分析是对井架进行动力特性的分析，主要是以模态分析为基础，对井架进行响应谱分析、瞬态动力学分析、随机振动分析、谐响应谱分析和线性屈曲分析等，以分析结果为标准，找出井架自振频率，确定合理的工作载荷频率，从而避免发生共振现象，为设计出合理的井架提供理论依据[5]。
ANSYS是一种广泛运用的结构分析型软件[6]，运用该软件进行分析时，首先必须进行三维建模，相比于ANSYS自带的三维建模功能，工程实际中有很多更加优秀的三维设计软件，这些产品能更快的得到产品的几何模型，对所建立的模型的质量，性能有更好的展现，所以目前利用ANSYS做分析时一般以其他建模软件，比如CREO、Solidworks等三维建模软件先建立井架模型，再导入到ANSYS中进行分析。分析时一般采取以下步骤：
1、前处理：用建模软件对构件进行实体建模，正确的建模是得到准确结果的保障。
2、有限元分析：ANSYS提供有丰富的材料库，约束条件和载荷等施加在构件上的外在条件，为分析出各种复杂的结果提供基础，同时，也可将各种工况进行组合分析，得出与构件所处的实际工程相符合的情况，从而得出更加精确的结果。
3、结果后处理:根据构件的实际设计要求，可对结果进行相应的检查，并将结果以图形的方式反馈出来，帮助设计者判断结果和设计方案是否合理。
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1.5 井架的主要类型
1、塔型井架
特点：1）塔型井架是沿用最久的结构形式，同时也是目前海洋钻井最主 要的一种结构形式；
2）封闭的整体结构，具有很宽的底部基础支持和很大的组合截面 惯性矩，因此稳定性更好； 3）整个井架是由单个构件用螺栓连接而成的可拆结。
优点：架尺寸可不受运输条件限制，允许井架内部空间大，起下操作方便 安全；
缺点：由于零部件众多，拆装起来很不方便，而且工作高度过高，不安全。 2、桅型井架
特点： 1）由一节或几节杆件结构或管柱结构组成的单柱式井架，有整体 式和伸缩式两种；
2）一般情况都采用绞车整体起放，运输时分段运输；
3）正常工作时要向井口方向倾斜，所以需要利用绷绳保持其结构
的稳定性；
4）结构比较简单，移运轻便，一般只用于车装轻便钻机和修井机。 优点：适合井架整体运输，并可在平地整体组装起升； 缺点：大部分只用于陆地钻井。 3、A型井架
特点：1）整体是由两个等截面的柱状析架结构或管柱式大腿靠天车台和
二层平台等连接成；
2）每条大腿分为很多段构成，段与段之间采用螺栓连接；
3）在大腿背部设有人字架，用于起放井架和起放完成后的对井架的 支撑。在井场水平组装，整体起升
优点：具有良好的视野，拥有宽大的钻台空间，能够实现在地面上实现组装；
缺点：因为只有两根立柱，而且立柱连接不稳固，井架整体稳定性很差。 4、K型井架
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