石油井架风载分析

作业井架极限承载能力的分析与研究陈　聪（大庆油田有限责任公司第四采油厂，黑龙江大庆　１６３５１１） 摘　要：井架是修井机的关键部件，承受主要的载荷，地锚桩是修井安全作业中的薄弱环节，固定修井机井架绷绳的地锚桩，其安装位置及安装数量对修井机井架承载能力都有十分重要的影响。

研究出一套具有科学依据的修井机井架桩基础安装标准，为修井作业系统的安全运转提供有力的理论依据。

关键词：井架；地锚桩；安装；安全；理论依据 中图分类号：ＴＥ３５８＋．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９８１（２０１６）０６—００３１—０２ 修井机井架进行受力分析评价，工程上常用的方法是现场测试井架应力、位移及结构动态特性，以测试数据为基础按线性外推方法确定井架的承载力。

但由于其恶劣的工作环境和复杂的受力情况，应用常规力学方法进行力学分析已经不能满足设计的需要，因为这种方法只能对有限的危险部位进行布置测点，很难取得全面、合理的评价结果。

伴随计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算技术并借助计算机得到满足工程要求的数值解，有限元法也因此得到高速发展和普遍应用。

因此，将有限元技术应用于修井机井架的设计中，不但能缩短开发周期，而且使产品重量轻，满足强度、受压失稳和振动要求。

１　井架极限承载能力分析对于钢结构的极限承载力研究，常用的分析方法有线性屈曲法、凡何非线性分析方法、几何和材料双重非线性分析法以及试验分析等。

线性有限元平衡方程的推导过程中，应用了弹性力学的基本方程及虚功原理。

弹性力学中的二个基本方程分别是几何方程、本构方程和平衡方程。

井架相似模型就是根据相似理论，要求模型所用材料与实物相同、几何相似、边界条件相似和物理量相似。

几何相似就是要求原型与模型各相应部分的长度成比例边界条件相似即模型实验时的边界条件必须是原型与模型相似或一致而物理量相似则要求模型与原型对应点的集中载荷、均布载荷等参数成比例。

该井架是一个由型钢焊接件构成，以梁为主的空间杆系刚架结构。

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。

基于ANSYS 的石油钻机井架冲击载荷响应分析董小庆（中石化四机石油机械有限公司，湖北荆州434023）摘要：井架是石油钻机的重要承载部件，其强度设计一直以静载荷分析为主。

以瞬态动力学为理论基础，采用ANSYS 软件，对井架在冲击载荷下的响应过程进行了数值模拟。

分析了井架顶部和下方关键节点在响应过程中的位移规律。

结果表明，井架在冲击载荷作用下，所产生的变形大大超过静载下的变形，由此将带来应力急剧增加，给井架结构安全带来隐患。

关键词：石油钻机；井架；冲击载荷；瞬态响应中图分类号：TP391.7文献标识码：A文章编号：1009－9492(2019)07－0076－02Response Analysis of Impact Load for Drilling Rig Derrick Based on AnsysDONG Xiao-qing（SJ Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Jingzhou 434023，China ）Abstract:The derrick is an important bearing component of the oil drilling rig.Its strength design has always been based on static load analysis.Thepaper is based on transient dynamics ，and the ANSYS software is used for numerical simulation of the response process of the derrick under impact loading.Then ，we analyzed the displacement law of the key nodes at the top and bottom of the derrick during response.The result shows that under the impact load ，the deformation of the derrick greatly exceeds the deformation under static load.This will lead to a sharp increase in stress ，and threat the security of the derrick structures.Key words:oil drilling rig ；derrick ；impact load ；transient responseDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2019.07.027收稿日期：2019－01－240引言作为石油钻机中最重要的承载部件之一，井架的强度计算一直是设计中需要考虑的首要问题。

井架载荷设计计算书井架的截面轮廓尺寸为1.60×2.00米。

主肢角钢用∠75×8；缀条腹杆用∠60×6。

一、荷载计算：为简化计算，假定在荷载作用下只考虑顶端一道缆风绳起作用，只有在风荷载作用下才考虑上下两道缆风绳同时起作用。

⑴、吊篮起重量及自重：KQ2=1.20×1000=1200kg⑵、井架自重：参考表2-67，q2=0.10t/m，28米以上部分的总自重为：Nq2=（40-28）×100=1200kg20米以上部分的总自重为：Nq1=20×100=2000kg。

⑶、风荷载：W=W0K2KβA F（kg/m2）式中，基本风压W0=25kg/m2。

风压高度变化系数K Z=1.35（风压沿高度是变化的，现按均布计算，风压高度变化系数取平均值）；风载体型系数K，根据《工业与民用建筑结构荷载规范》表12，K=K p（1+n）=1.3（1+η），挡风系数φ=ΣA c/A F（A c为杆件投影面积；A F为轮廓面积）。

当风向与井架平行时，井架受风的投影面积ΣA c=[0.075×1.40(肢杆长度)×2（肢杆数量）+0.06×2（横腹杆长度）+0.06×2.45（斜腹杆长度）]×29（井架为29节）×1.1（由节点引起的面积增值）=15.13m2，井架受风轮廓面积A F=Hh=40.6×2.0=81.2m2（H为井架高度，h为井架厚度）。

所以，ω=ΣA c/A F=15.3/81.2=0.19，h/b=2/1.6=1.25,由表2-68查得η=0.88。

风振系数β，按自振周期T查出，T=0.01H=0.01×40.6=0.406秒，由表2-71查得β=1.37。

所以，当风向与井架平行时，风荷载：W=W0.K Z.1.3ω（1+η）. β.A F=25×1.35×1.3×0.19×（1+0.88）×1.37×81.2=1740kg沿井架高度方向的平均风载：q=1740/40.6=43kg/m当风向沿井架对角线方向吹时，井架受风的投影面积:ΣA c=[0.075×1.40×3+0.06×2×sin450+0.06×1.6×sin450+0.06×2.45×sin450+0.06×2.13×sin450]×29×1.1=(0.075×1.40×3+0.06×2×0.70+0.06×1.6×0.70+0.06×2.45×0.70+0.06×2.13×0.70)×29×1.1=21.0m2井架受风轮廓面积A F=（b×1.4×sin450+h×1.4×sin450）×29=（1.60×1.4×0.70+2.0×1.4×0.70）×29=102m2所以，ω=ΣA c/A F=21/102=0.206;h/b=2/1.6=1.25,由表2-68查得η=0.86。

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。

井架载荷设计计算书井架的截面轮廓尺寸为1.60X 2.00米。

主肢角钢用/ 75X 8;缀条腹杆用/ 60 X 6。

一、荷载计算：为简化计算，假定在荷载作用下只考虑顶端一道缆风绳起作用，只有在风荷载作用下才考虑上下两道缆风绳同时起作用。

⑴、吊篮起重量及自重：KQ2=1.20X1000=1200kg⑵、井架自重：参考表2-67, q2=0.10t/m, 28米以上部分的总自重为：Nq2=（40-28）X 100=1200kg20 米以上部分的总自重为：Nq1=20X 100=2000kg。

⑶、风荷载：W二W0K2K B A（kg/m2）式中，基本风压W°=25kg/m2。

风压高度变化系数K Z= 1 .35 （风压沿高度是变化的，现按均布计算，风压高度变化系数取平均值） ;风载体型系数K，根据《工业与民用建筑结构荷载规范》表12, K=K p （1+n）=1.3 （1+n ）,挡风系数© 二艺A/A F（A为杆件投影面积；A F为轮廓面积）。

当风向与井架平行时，井架受风的投影面积艺A二［0.075 X 1.40（肢杆长度）X 2 （肢杆数量）+0.06 X 2（横腹杆长度）+0.06X 2.45(斜腹杆长度)]X 29 (井架为29节)X 1.1 (由节点引起的面积增值)=15.13m f，井架受风轮廓面积A F二Hh=40.6X 2.0=81.2m2(H为井架高度，h为井架厚度)。

所以，3 =艺A C/A F=15.3/81.2=0.19, h/b=2/1.6=1.25,由表2-68 查得n =0.88。

风振系数B,按自振周期T查出，T=0.01H=0.01 X 40.6=0.406秒，由表2-71查得B =1.37。

所以，当风向与井架平行时，风荷载：W=WK Z.1.3 3 (1 + n ). B .A F=25X 1.35 X 1.3 X 0.19 X (1+0.88)X1.37X 81.2=1740kg沿井架高度方向的平均风载：q=1740/40.6=43kg/m当风向沿井架对角线方向吹时，井架受风的投影面积:艺A c=[0.075 X 1.40 X 3+0.06 X 2X sin45 0+0.06 X 1.6 X sin45 0+0.06X2.45X sin450+0.06X2.13X sin450] X29X1.1=(0.075X1.40X3+0.06X2X0.70+0.06X1.6X0.70+0.06X2.45X0.70+0.06X2.13X0.70) X29X1.1=21.0m2井架受风轮廓面积A F= (b X 1.4 X sin45 0+h X 1.4 X sin45 0)X 29 =(1.60X1.4X0.70+2.0X1.4X0.70)X 29=102m2所以，3二艺A/A F=21/102=0.206;h/b=2/1.6=1.25, 由表2-68 查得n =0.86。

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。