前开口形井架及其底座力学行为研究

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1、前开口形井架及其底座力学行为研究　　摘要：在严寒地区、沙漠和深海等环境恶劣的区域，前开口形井架及其底座在石油勘探钻井工作中得到了应用。为了确保该种井架及其底座结构能够得到安全使用，还需要在实际工作中对其静力学特性展开分析。文章使用有限元分析法对该结构的力学行为展开了研究，从而为关注这一话题的人们提供参考。　　关键词：前开口形井架；底座；力学行为；石油勘探钻井工作；有限元分析文献标识码：A　　中图分类号：TE923文章编号：1009-2374（2016）17-0150-02DOI：10.13535/j.cnki.11-

2、4406/n.2016.17.073　　相较于其他石油钻井井架，K形井架具有较多的应用优势。而前开口形井架及底座由K形井架和自升式底座构成，不仅具有开放式的空间结构，同时也有重量轻和下部开阔的底座，所以在诸多石油勘探钻井工作中得到了应用。根据前开口形井架及其底座的实际结构特点，并且通过建立相应的三维有限元模型，本文则对该种结构的力学行为展开了分析，从而对该结构的承载能力展开研究。　　1前开口形井架及其底座的结构分析7　　从结构上来看，前开口形井架及其底座由K形井架和自升式底座构成。其中K形井架由四大节组成，每一节都是

3、由角钢、工字钢和圆管钢件构成，各构件之间采取焊接方式连接。而自升式底座为空间钢架结构，由多个框架构成，并且每个钢架都是由工字钢或型钢焊接而成。从上、中、下组成结构来看，底座上层有钻台面，底座中层有前后立柱、人字架和斜立柱，底座下层为底面。其中钻台面主要用于进行井架、转盘和其他钻井设备的安装，可以为钻井操作提供平台。在连接时，需要使用双销将绞车前后梁和立根台连接起来，并且利用双销和绞车梁将钻台面的中部转盘梁和立根台连接起来。在钻台面上，需要使用双销将多个框架连接起来，所以可以将钻台面看成是一个平面钢架。而底座的底面主要

4、由左右基座构成，需要使用三个连接杆和两个连接框架将两个基座连接起来，并且使用双销将两个连接框架和一个连接杆连接起来，因此也可以将底面看成是一个平面钢架。　　在初始位置，井架及其底座是折叠在一起的，所以井架人字架与左右基座及上下座连接都是铰链连接。利用绞车动力，井架及其底座就能够起升。在这一过程中，井架将先起升到垂直位置，然后底座上的人字架也将到达预定位置。而人字架固定后，由钻台面和前后立柱构成的平行四边形连杆机构也将起升到预定位置，并且与人字架连接在一起。　　2前开口形井架及其底座的力学行为研究　　2.1研究模型7　

5、　根据前开口形井架及底座的结构组成，可以建立相应的有限元模型对井架及其底座的力学行为展开分析。按照有限单元法，可以将结构多根梁的边界点、交叉点和集中力作用点设置为节点，并且将节点间的梁设置为单元，然后根据各构件承受的荷载进行单元类型选择。通过分析可以发现，前开口形井架及其底座为焊接结构，节点刚性较大，在载荷作用下将产生弯曲应力和拉压应力，所以需要构建三维弹性梁单元。考虑到井架及其底座为铰链连接，可以使底座底部只保持y轴转动自由度。在此基础上，通过确定节点位置和输入节点位置坐标，就可以建立相应的有限元模型。而考虑到有限

6、元模型分析工作量较大的问题，可以使用ANSYS9.0有限元软件进行载荷的施加，并且使用结果后处理器计算　　结果。　　在建立井架及其底座的有限元模型时，考虑到各个单元的受力情况，可以使用三维梁单元和管单元进行模型建立。在对应的ANSYS有限元单元库中，可以进行三维梁弹性单元的选择。而该单元有两个节点，每个阶段对应六个自由度，可以进行拉力、扭转力、弯曲作用和压力的承受，所以能够在井架及其底座的模型中应用。在建立模型结构时，需要进行两个方面的高度尺寸、截面模量和单元截面积数据的输入，以便使梁截面的几何特征得到全面反映。通过

7、计算，则能够输出六个截面的内力分量。同时，也可以将每个节点对应的位移分量和弯曲应力以及轴应力输出。在进行三维管单元选择时，需要确保单元可以进行拉力、扭转力、弯曲作用和压力的承受。需要使每个节点有六个自由度，并且进行管壁厚度和外圆直径这两个参数的输入。　　2.2结构的载荷工况分析7　　根据井架及底座所需承受的载荷，可以对最大钩载工况和最大转盘梁载荷工况这两种载荷工况下的井架及底座的静力结构展开分析。在最大钩载工况下，结构需要承担自重、最大钻柱总量、风载及其他载荷。在最大转盘梁载荷工况下，结构需要承担自重、最大套管柱重量

8、、风载及其他载荷。而该两种工况都发生在正常钻井的情况下，所以还需要对钻机的具体使用情况进行考查，从而确定两种工况下的每种载荷的具体数值。根据这些数值，可以对建立的有限元模型进行载荷施加，然后通过加载软件得到前开口形井架及其底座结构的各单元应力值、内力及各节点位移值，继而对结构的静力特性展开分析。　　2.3结构的载荷施加　　在对井架和底座施加载荷