石油钻机井架的可靠性

探讨石油钻机井架的可靠性
摘要:在对石油钻机井架进行建造和设计的过程中必须保障其可
靠性，这就需要从各方面对其进行分析和评估，如：结构、荷载等。

本文主要对石油钻机井架的可靠性进行分析，并结合a型井架可靠性指标的运算程序，提出了相关的可靠性指标计算方法，为我国石油钻机井架的结构设计及后期维护提供相关的理论参考依据。

关键词:石油钻机井架；可靠性；荷载效应；抗力效应
abstract: in the oil rig derrick in construction and design process must ensure its reliability, this need from all parties in the analysis and evaluation, such as: structure, load, etc. this paper analyzes the oil rig derrick reliability, and combining with type a derrick reliability index of the operation procedure, and proposes the related reliability index calculation methods for china’s oil rig derrick structure design and later maintenance provide relevant theory reference.
key words: oil rig derrick; reliability; load effect; resistance effect
中图分类号: te922 文献标识码:a文章编号:
1.前言
在进行石油开采的过程中，多对石油钻机加以运用，而石油钻机
的关键性组成部分就是井架，保障井架的安全可靠性在整个石油开采的过程中有着极为重要的作用。

进行井架的搭设，由于其杆件较多、受力结构复杂，且施工条件及使用环境都比较的恶劣，保障其可靠运行具有一定的困难。

随着我国石油开采技术的不断进步，在较为复杂的地理条件下也能成功的进行油气田的开发，而且在钻井深度方面受到的限制也越来越少，与此同时对钻机井架结构的可靠性方面也提出了更高的要求。

因此，对石油钻机井架的可靠性进行分析，对其安全评定系数加以保证，保障井架的持续安全运营有着十分重要的价值。

2.概述
对井架结构的可靠性进行分析，通常是以失效概率及可靠性安全指标为主要目标，对所设计井架的可靠性及安全性进行评定。

但由于石油井架在结构方面较为的复杂，如存在桁架结构及空间刚架等，同时其在缺陷方面也表现的复杂多变，目前对井架结构的可靠性进行评价，还没有较为精确及标准的评定办法。

在进行工程建设的过程中，通常是进行相关的现场井架承载试验，完成对井架的结构、位移、应力等多方面特性的测量，并将测试实际的结果作为进行设计的基础数据，按照相关的安全评定标准，运用线性外推法对用井架结构的有效承载能力进行确定。

井架结构的可靠性问题，其实质就是对井架结构的承载能力进行确定，使其定量化，达到对安全生产进行指导，对使用安全性进行评定，对人身安全进行保障的
目的，有效促进石油安全生产的顺利进行。

3.石油钻机井架可靠性的评定理论
运用极限状态法对井架结构进行评定时，应力s及抗力r都属于随机变量，且满足正态的分布原则，对其进行可靠性设计，需采用s-r干涉运用模型。

将z当做是s及r的随机变量，则可以得出关系式z=f(r, s)=r-s=0，即状态极限方程。

在此，r表示抗力，s表示构件结构的应力，均属于随机变量。

z=r-s，可以对结构的状态功能进行反应，在z0的过程中，表示结构为可靠状态；在z=0的过程中，结构为极限状态。

通常情况下，对于石油钻机井架而言，上述三种状态的总概率为1。

根据相关的数理理论及概率论，s、r 可表示为正态的变量，因此z也可以表示为正态变量。

从而便可以得出可靠性β指标的相关定量计算函数：（1式），该式中σr和μr 分别表示材料抗力r的标准差及均值；σs和μs分别表示应力s 的标准差及均值[1]。

4.石油钻机a形井架的可靠性分析
4.1对有限元模型进行建立
a形井架的搭建需要运行大量的钢材，其空间的杆系结构就是运用大量钢材逐一焊接而成的，井架的高度设计为46·398米，其有效高度为37·398米，通常选择4段式的结构组合而成，斜横撑杆选择95×3·5 平方厘米的无缝钢管，主弦杆采用168×8平方毫米的无缝钢管，原材料为16mn的结构焊接钢，其密度为：ρ=7·8×
103kg/m3，其弹性模量为：e=2·1×1011n/m2，泊松比为：μ= 0·3。

对井架大钩的安全载荷进行设计，其最大值为3 150 kn，通常情况下：大钩、游车、天车、水龙头的重力分别为：33·452 kn、67·120 kn、58·320kn、26·487kn[2]。

为正确计算出井架的相关振动值，必须对其计算模型加以建立，在此过程中需要考虑井架的各种受力情况，由于大腿受到二层平台的约束作用比较小，几乎可以将其忽略，斜横撑杆及主弦杆可以进行相关的单元空间梁模拟，而整个模型一共可以剖分为4 048个有效的空间梁模拟单元[3]。

有限元网格的具体划分如图一，顶部存在的关键点点为：节点24、节点69、节点115、节点160。

为了进一步对4段式井架的安全可靠性进行研究，可以对各段进行命名，其命名情况如图二。

按照井架的实际工作状态，把钩载的左右偏心及前后偏心划分为四个的基本工况来进行计算。

若钩载处于没有偏心的状态时，其受力的中心在顶部节点的中心位置；若钩载处于偏心状态时，其受力中心也会在一定程度上发生偏移[4]。

其实际情况详见表一。

在以上工况下，按照图一所表示的计算模型，计算出a形井架的实际应力，其所得结果如表二所示。

图一井架简图图二井架有限元模型
表二井架额定荷载下各杆件应力值mpa
注:正号表示拉应力，负号表示压应力。

4.2对β可靠性指标进行计算
根据表2中的有限元数据，并对可靠性及线性回归分析法等加以运用，对相关的测试应力结果进行分析及处理，运用(1式)将各段的β可靠度指标计算出来，所得结果见表3。

从表3中可以看出，井架右腿和左腿的β值是对应相等的，这与井架结构左右对称密切相关。

因此，可以初步认为对井架模型的建立是较为正确的选择。

同理，也可以推出当钩载处于偏心状态时，井架各段的实际β值，其所得数据见表4-5。

4.3对可靠性进行分析
通过过对井架结构各段的实际可靠性指标进行计算，我们发现钩载的前后偏心量的大小会对井架各段的实际可靠性指标造成极大的影响，而对井架的实际可靠性指标不会造成太多的影响。

图三是按照表四数据绘制出的曲线图，从表四、图三中不难发现，石油钻机井架各段的实际可靠性指标会受到偏移距离的影响，偏移距离越大其变化就越大。

图四是按照表五中的数据绘制出的曲线图,从表五、图4可以看出，石油钻机井架各段的实际可靠性指标受钩载的左右偏心情况的影响较小。

图三可靠性指标β与向后偏移量的关系曲线图四可靠性指标β与向左偏移量关系曲线
结束语
综上所述，石油钻机井架可靠性指标的最小值出现在右一段及左
一段，该处是井架的薄弱环节，应加强处理；石油钻机井架右四段及左四段的可靠性指标也相对较小，仅比右一段及左一段略高，设计时也必须引起注意；石油钻机井架钩载的左右偏心不会对井架各段的可靠度指标造成太多影响；若石油钻机井架的前后受力不均，其可靠性指标会严重受到影响。

因此，在实际的钻井过程中，要对前后是否出现不均匀的受力情况进行严格的监测，并采取相应的措施对其进行控制[5]。

【参考文献】
[1]马成刚,王义翠,赖永星.a型井架结构可靠性分析与蒙特卡罗实现[j].西安石油大学学报(自然科学版).2008(06):123-125. [2]孙姜锐,高学仕,杨冬平,文洪莉,张华光.石油钻机井架底座的疲劳寿命预测[j].现代制造技术与装备.2009(02):167-169. [3]沈陆娟,边文莉,蔡建平.一类非线性不确定系统未知执行器故障的自适应控制[j].佳木斯大学学报(自然科学
版).2012(02):612-614.
[4]于彪,周国强,易俊.基于ansys优化设计的jj162/42-k型井架模型修正[j].重庆科技学院学报(自然科学
版).2011(06):1245-1248.
[5]任雅婷,陈世春,梁红军,李国芳,张晓东.超深井钻机特殊配置要求及其基本参数[j].机电产品开发与创新.2010(01):325-329. 注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。