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JJ170-45-K型井架的力学分析和稳定性优化研究JJ170/45-K型井架的力学分析和稳定性优化研究引言：井架（drilling derrick）是石油钻井作业中的重要设备，承担着支撑钻塔和提升钻杆等作业重负的任务。
井架的结构设计和稳定性分析对于保障钻井作业的安全、高效进行具有关键意义。
本文将以JJ170/45-K型井架为研究对象，对其进行力学分析和稳定性优化研究。
一、JJ170/45-K型井架的结构特点：JJ170/45-K型井架是一种典型的立式四杆井架结构，主要由钢管、钢板、连接板等构成。
其具体结构特点如下：1. 主杆部分：由四根立杆组成，上部连接固定撑杆架，下部通过底座连接支撑脚钉，在井口连液系统方面具有较好的适应性。
2. 支撑系统：井架上部设置横撑和斜撑，通过相互连接形成稳定的支撑系统。
3. 钢管和钢板：具有强度高、刚度好等优点，能够承受钻井作业中产生的各种载荷和振动。
二、JJ170/45-K型井架的力学分析：1. 荷载分析：针对井架在钻井作业中的典型荷载进行分析。
包括垂直载荷、水平载荷和扭矩载荷等。
根据实际工况建立井架的受力模型，结合有限元分析方法进行荷载计算和受力分析。
2. 应力分析：通过应力分析，确定井架在不同工作条件下的应力分布情况。
研究井架不同部位的应力集中情况，分析可能引起部件破坏的危险区域和破坏形式。
3. 稳定性分析：评估井架的整体稳定性，包括垂直稳定性和水平稳定性。
根据井架的重心位置、底座支撑形式、结构刚度等因素，计算井架在不同荷载下的稳定性参数，评判其稳固性。
三、JJ170/45-K型井架的稳定性优化研究：1. 结构改进：通过优化井架的结构布置、选用新材料和优化焊接方式等手段，提高井架的整体刚度和强度。
在保证井架满足设计要求的前提下，尽量减小井架的自重和变形。
2. 支撑系统优化：针对井架的支撑系统进行优化设计，提高其抵抗水平载荷和扭转载荷的能力。
增加横撑和斜撑的数量和布置位置，调整撑杆的长度和直径。
95科技资讯 S CI EN CE & T EC HNO LO GY I NF OR MA TI ON 工 业 技 术井架在油田生产中起着重要作用,所以对井架进行各种试验研究非常必要。
但有些试验在井架原型上很难开展,所以,对井架进行试验研究最经济合理的方式就是先设计出能反映井架实际的模型,在模型上进行各种研究[1]。
周国强等人在1∶8的井架模型上对JJ225/43-K型井架进行了静、动载试验[2];邹龙庆等对JJ160/41-K型井架模型进行了结构静、动力分析以解决该井架存在的结构问题[3]。
本文运用ANSYS软件对JJ70/39-K型井架原型和1∶14比例模型分别进行了静、动力学分析,结果符合模型相似理论,并讨论了模型设计中的具体问题,设计出了1∶14比例模型。
1 模型相似理论模型相似理论简单来讲就是模型与原型要满足:几何相似,边界条件相似和物理量相似。
根据模型相似理论并考虑石油工程实验室的空间大小以及JJ70/39-K型井架的实际尺寸,确定模型的比例为1∶14,即:L h /L c =14 E h /E c =1 ρh /ρc =1其中:L 为几何长度;E为弹性模量;ρ为材料密度;下角标h 、c 分别表示原型和模型。
由以上相似关系便可导出其他物理量的相似关系,结果有如下几点。
加速度相似关系:a c =14a h 。
应力相似关系:σc =σh 。
截面积相似关系:A c =A h /196。
惯性矩相似关系:I c =I h /38416。
质量相似关系:m c =m h /2744。
圆频率相似关系:ωc =14ωh 。
外力相似关系:F c =F h /196。
2 井架的有限元模型2.1JJ70/39-K 型井架有限元模型的建立石油井架模型设计及计算分析①韩东颖 王志磊 王连进 阳鑫军 李徐佳(燕山大学车辆与能源学院 河北秦皇岛 066004)摘 要:针对油田应用很广泛的JJ70/39-K型井架,应用模型相似理论设计了1∶14的实验室井架模型,并运用ANSYS分析软件分别对井架、井架模型进行了力学性质的分析,由分析结果可知:室内井架模型各阶振动频率是室外井架的14倍,且各点对应的应力相等,满足模型相似理论,表明建立的实验室井架模型的有限元模型是正确的,并在此基础上对井架模型的设计提出了优化方案。
JJ315-K 型井架动力学特性分析庞世强;苗波【摘要】As a structure of towering cantilever,loads the rig derrick has to withstand is very tough,not only the hook loads and wind loads,but the reaction torque from Top Drive as well. Taking the hook loads,reaction torque and pulsating impact led by wind loads what the derrick has to withstand while drilling into full consideration,the libration in the crow of a 5 000 m der-rick under these loads was studied and the characteristics of dynamic response was analyzed,then, the mechanical property of the derrick while drilling was discussed.Those offered theoretical ref-erencesfor oil rig derrick's design and optimization.%钻机井架作为一种高耸的悬臂梁结构，其工作环境非常恶劣，不仅要承受大钩的载荷、风载及天车的质量，还要抵消顶驱对反转矩梁的转矩。
研究了国内某5000 m 钻机井架在这些载荷作用下天车处的振动，分析了井架的动态响应特性，探讨了该井架在工作状态下的力学性能。
为石油钻机井架的设计和优化提供了一定的理论参考。
【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】6页(P31-36)【关键词】井架;有限元法;动态分析;共振【作者】庞世强;苗波【作者单位】兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，山东青岛 266520;兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，山东青岛 266520【正文语种】中文【中图分类】TE923在石油钻井过程中，钻机井架作为悬臂梁结构安装在底座上，不仅要承受天车上大钩载荷的作用，还要在API 4F规定的不超过16.5 m／s的陆上最大工作风载的作用下工作，并且承受着顶驱给井架提供的转矩的影响。
石油钻机井架及底座安全性分析摘要：随着经济的快速发展，中国对能源的需求与日俱增。
在大力鼓励使用清洁能源的同时，正在开发各种新能源。
传统能源应用广泛，在我国能源使用中仍占很大比例，是我国的主要能源，尤其是石油能源。
如今，人们的生活水平显著提高，车辆和其他交通工具已经普及到成千上万的家庭。
随着汽车的普及，中国对石油的需求增加，中国已成为主要的石油进口国之一。
目前，随着人们对石油需求的不断增加，石油生产的劳动力成本也越来越高，因此石油工业的机械化生产越来越重要，机械化生产仍然非常重要，石油钻机的机电一体化已成为石油行业亟待解决的问题。
石油钻机的井架及底座是位于整个钻机下部的重要构件，其主要作用是支持井架并构成钻台，实现井口装置的安装与操作。
目前有多种井架被应用在石油钻机中。
例如桅形井架、多节自升式井架等。
井架还用于悬挂各种泥浆循环设备，承担下钻、下套管、打捞等作业载荷，所以需要对其安全性进行分析设计。
关键词：石油钻机；井架；底座；安全性分析随着石油行业的发展，目前我国对石油的开采日渐娴熟，石油钻机的井架与底座作为石油在野外进行开采的重要部件，不仅工程状况更多，受力更加复杂，还属于石油钻井的核心结构，为了保障井架和底座的安全性，避免发生杆件变形、焊缝开裂等现象，需要对石油钻机井架及底座的设计安全性进行分析，为相关工程提供参考，也为井架和底座的设计提供借鉴。
一、石油钻机技术的应用重要性新时期下，石油开采业迎来较多发展趋势，但是面临的挑战也比较多。
满足高质量能源需求、优化开采作业，成为石油企业的攻克方向。
石油钻井作业，是石油开采的重要基础，工作环境与工作程序复杂，且钻机作业技术质量对作业效率的影响大。
我国多数石油企业，借鉴国外石油开采技术，联合长期开采检验，将新技术应用到石油钻机中，促进石油开采行业的现代化发展。
石油钻机技术应用重要性，需要从整体层面，掌握石油钻机作业特点、技术应用现状，确定石油钻机技术的重要地位，有效指导后续研究与技术应用。
某石油钻机K形井架的推覆分析
摘要：目前，石油钻机设计普遍采用静力学分析、容许应力法，无法考虑钻机井架结构在罕遇地震作用下的表现。
对某石油钻机K形井架结构进行Pushover分析，在两个方向设置目标位移，采用4种不同的侧向
推覆力加载模式，探讨推覆力加载模式对石油钻机井架Pushover分析结
果的影响，得到该井架在罕遇地震作用下的薄弱部位及破坏情况。
与仅进行线弹性分析的计算相比，Pushover分析能更明确地了解结构的薄弱部位，对采用基于性能的抗震设计方法应用于石油钻机K形井架，有一定的借鉴意义。
关键词：石油钻机；井架；静力弹塑性；Pushover分析
1 Pushover分析法简介
Pushover分析法可用于评价既有结构的特性，也可用于设计新结构。
对某石油钻机K形井架进行Pushover分析时，采用具有某种特定分布形
式的侧向力(侧向位移)沿井架高度范围作用于井架，井架的特定点在这种力或位移的作用下，达到预期的位移、或者达到倾覆状态，控制点一般设在井架的顶部形心，目标位移通常为结构在设计地震荷载作用下的最大变形。
罕遇地震作用时，井架结构处于弹塑性状态，但是就目前机械行业采用的设计方法来讲，其计算结果不能用于分析井架结构在罕遇地震中的性能，Pushover分析可以计算结构和构件的非线性变形，结果比承载力设计更接近实际。
与非线性时程分析相比，Pushover分析结果的偶然性要小很多，工作量也小，可以了解钻机井架结构在横向荷载作用下，每个构件的
内力变化情况，观察到构件由弹性阶段发展变化，到开裂、直至井架完全丧失承载力的全过程，发现井架结构中的薄弱构件；可以判断结构的抗震承载能力，确定结构在不同抗震设防等级下的目标位移，得到不同受力阶段的侧移变形[1-2]。
Pushover分析的工作量大，通常使用SAP 2000等软件进行分析。
2 Pushover 方法实施步骤
2.1 建立模型
根据图纸尺寸，建立该井架模型，并施加结构上的恒荷载。
对人字架和井架同时建模，并进行分析，在该井架及人字架支脚处施加铰支座约束。
本文主要研究井架体在罕遇地震中的弹塑性性能，因此在建模时，对天车、二层台等重要构件予以考虑，其他次要构件予以忽略。
实际中井架与人字架之间采用U形卡连接，本文假设井架与人字架是一个整体，即U形卡不变形、不产生塑性铰。
由此建立结构模型并进行竖向荷载作用下的内力分析，建立的模型如图1所示。
图1 井架的三维模型
2.2 定义塑性铰
定义塑性铰是Pushover分析中很重要的一步，需要预先在结构可能出现塑性铰的部位(梁、柱的两端)布置铰。
对于梁单元，一般仅考虑弯矩屈服产生塑性铰，即定义为程序中的M3铰；对柱单元，考虑由轴力和双向弯矩相关作用产生塑性铰，即定义为PMM铰。
塑性铰设在梁、柱杆件的两端。
另外，结合一些井架的事故情况中井架的塑性变形情况等，在结构
的部分梁柱上(主要是井架下端、二层台附近、人字架、井架上段的梁柱)布置了塑性铰。
SAP 2000中塑性铰的本构关系可以由用户自定义，也可以采用程序按照美国规范FEMA 273和ATC-40给定(图2)。
图2中AB、BC、CD、DE 分别表示弹性段、强化段、卸载段和破坏段[3]。
图2 PMM铰本构关系
2.3 侧向加载模式及分析工况
侧向荷载的分布模式也是静力弹塑性Pushover分析的关键一步。
逐级施加的水平侧向力沿结构高度的分布模式称为水平加载模式，包括均布加载模式、倒三角形分布水平加载模式、随振型而变的水平加载模式。
SAP 2000提供自定义、均布加速度、振型荷载3种方式，用于结构物的静力非线性分析。
2.4 结果处理
对每个自由度而言，要定义一个力-位移(F-s)曲线，如图3所示。
B′点代表铰的屈服，C′点表示结构开始失去承载力，而IO(直接使用)、LS(生命安全)和CP(防止倒塌)代表铰的能力层次。
进行每一次Pushover 分析之后，应该查看各个铰的变形量(当结构达到其性能点时)，由此验证结构是否满足指定荷载下的期望位移[3]。
图3 不同性能水准下的塑性铰位移限值
3 算例
3.1 工程概况
该结构为某K形井架,井架是石油钻机的重要组件，可安放天车、悬挂大钩、悬挂游车等设备，可承受起下钻、下套管等作业产生的力，由于其既要提供起下钻和存放管柱操作的空间，又要易于拆卸，故常用K形井。
