基于振动参数的钻井井架安全承载力评定

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1、第!"卷第#期石’’油’’钻’’探’’技’’术89:;!"，29;#’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’$%%#年&&月()*+,-)./’0+1--123’*)45216.)729<;，$%%#’!工具与设备"’基于振动参数的钻井井架安全承载力评定&&$!韩东颖’李子丰’周国强’赵庆梅（&;燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛’%##%%"；$;大庆石油学院秦皇岛分院，河北秦皇岛’%##%%"；!;江苏工业学院机械工程系，江苏常州’$&!&#"）摘’要：通过井架结构振动理论、有限元分析和实验室简易模型的试验研

2、究，提出了以振动频率为基准，载荷下降系数为依据诊断钻井井架结构安全承载能力的方法。根据井架的具体结构形式和受力特征，将井架简化成一根沿长度上质量均匀分布、刚度恒定的简支梁，用振动理论推导出了井架固有频率的平方与作用载荷之间存在着线性关系，并通过有限元分析对这一关系进行了验证；提出了通过测试井架在两种不同载荷作用下的固有频率推算井架临界承载并以此评定井架安全承载能力的方法；在实验室内制作了与C型井架相类似的模型，进行了逐级载荷下的固有频率测试，分析总结出适用于井架现场评定的具体方法，最后应用此方法对现场在役井架进行了测试与

3、安全承载能力评定。该评定方法为井架测试、安全评定提供了一个新的发展方向，对保证钻井安全将起到重要的作用。关键词：井架；振动；有限元法；承载能力中图分类号：*)A$!’’文献标识码：C’’文章编号：&%%&=%?A%（$%%#）%#=%%"?=%"’’目前，我国石油钻井井架有&%%%多部，大多数即将变刚度、铰支座及空腹组合杆的井架结构折算成都在野外恶劣环境下使用，在长期使用过程中，由于一根沿长度上质量均匀分布、刚度恒定的简支梁：拆装、运输、超载和腐蚀等各种因素的影响，井架杆!GH!G"（&）［&］件、杆件间连接及整体都会出

4、现不同程度的损伤式中，!G为折算长度，I；!G为折算长细比；"为回缺陷，可能引起结构尺寸、材料性能及振动特征的变转半径，I。化，使井架的力学性能与原设计差别较大，承载能［$］力降低，不能满足工作要求，从而导致安全载荷的未知，造成生产安全隐患。因而准确地评定在役井架安全承载能力，是保证钻井安全的重要措施之一。目前普遍采用的是以应力应变测试为主，辅以结构变形测量、腐蚀测厚、焊缝探伤等的综合测试方法来评定井架安全承载能力。但由于在井场进行井架应力测试，测点多，工作难度大，还需多方面协作，要耗费大量的人力、物力和财力；而测试频率

5、的优点则在于测试简单，分析方法成熟，测试精度高。因此，笔者图!"井架变形与简化提出了一种以振动频率为基础的诊断井架结构安全承!#$"振动理论载能力的理论和方法。如果简支梁在两端轴向力#的作用下作弯曲自由振动时，则微段J$上所受的力有剪切力%（$，!"振动参数与井架的承载能力!#!"井架结构简化收稿日期：$%%#=%>=&&；改回日期：$%%#=%?=$&C型井架由两个等截面的空间杆件结构体———大基金项目：中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发资助腿靠天车台与井架上部联结架和二层台连接成C字项目（编号：%!@$%A%%

6、%）形空间结构。在轴向载荷作用下，井架顶部的侧移很作者简介：韩东颖（&AB?—），女，$%%%年毕业于大庆石油学［!］院，$%%"年获大庆石油学院安全技术及工程专业硕士学位，现为小，井架整体变形为反对称形式（见图&D），因此燕山大学在读博士研究生，主要从事石油井架安全承载能力评定与［"］井架一根大腿可折算成两端铰支的简支梁（见图结构损伤识别技术方面的研究。&E）。根据稳定等效原理，引入折算长度!F的概念，联系电话：（%!!>）?%#>?$$第*,卷第0期///////////韩东颖等：基于振动参数的钻井井架安全承载力评定

7、·10·!）、弯矩"（#，!）和轴向力$的作用（见图!，微［#］段"#在%方向的振动微分方程为：图!"简支梁微段受力!!!!**%*%*%（&’）$$$!(%&（!）!!!!*#*#*#*!图%"&&%#’()%*+型钻机井架结构设式（!）解的形式为：有初始缺陷的井架加载，进行有限元振动特性分析，%（#，!）%%（#）’()（")!$#）（*）得到井架结构的一阶固有频率的平方与载荷的关系曲根据简支梁的边界条件：线（见图,），由图,可以看出两者的载荷与频率的{#%&，%（&）%&，%)（&）%&平方均呈良好的线性关系并且几

8、乎平行，与理论分析#%*+，%（*+）%&，%)（*+）%&（,）结果一致。可求得简支梁的各阶固有频率为：!!$*!+!&’+")+%!-.!!/（+%-，!，*，⋯，,）（#）*+!!(!+!&’#$%"井架结构载荷与振动参数间的关系由于井架一阶固有频率易于识别，测试精度也较高，因此笔者以一阶固有频率为研究对象，分