模块式海洋石油修井机井架设计
本科生毕业设计（论文）任务书
论文题目 模块式海洋石油修井机井架设计
一．研究的主要内容
1、目的：随着海上油田的大规模勘探开发，油井数量不断增加，新井投产、试油、油井大小修工作量也大幅增长，多数老生产井经过长期的运行开发，需要经常进行作业才能产油，对油井进行维修作业是提高油井利用率和原油采收率的重要措施。
海上部分采油平台综合考虑投资成本不适合安装固定的修井设备，修井作业主要依靠钻井船重新就位修井或专用工作船修井来完成，而目前的移动式修井设施生产任务繁重，无法满足目前海上修井作业的需求，许多油井不能及时进行修井作业，影响了浅海油田石油开发；而且移动式修井设施作业成本相对较高，所以探索和开发简易、轻型、模块化、修井作业成本低的海上简易修井装置是非常必要的。
2、基本结构原理与基本参数：
本课题要完成HXJ60轻型、模块化海洋修井机井架设计，需符合石油修井机技术规范SY/T5202-2004、以及API相关标准。要求井架吊装、运输方便，结构设计为自升式。
3、工作任务：
[1]整机三维造型设计；
[2]关键零部件二维图纸设计；
[3]自升式井架受力情况的有限元分析；
[4]液压回路设计、元件选型。
二．有关要求
1．中外文献查阅要求
查阅有关机械设计、修井装置各类文献、工程手册、相关标准、产品样本等。
2．外文翻译要求
翻译英文文献一篇（不少于5000汉字）。
3．论文撰写要求
写出300字以上的英文摘要及关键词，论文格式及其余按照设计手册要求进行。
三．毕业设计（论文）进度安排
完成全部毕业设计（论文）的起始期限：自 2011年 3 月6日至 2011年 6 月 20 日
1、1－5周：方案设计，开题报告；
2、6－8周：完成机械装置总体设计；
3、9－11周：液压回路设计、元件选型与泵站设计；
4、12周：零部件二维图纸设计；
5、13周：撰写论文，准备答辩。
学生(签名)： 指导教师(签名)：
系主任(签名)： 年 月 日
60T场地电动修井机技术方案
60T场地电动修井机技术方案
WTW90C2自背底盘
XJ60DT型自行电动场地修井机为海上平台及人工岛等现场设计的专用设备，设计额定钩载600kN，最大钩载900kN，满足深度为4000m(2-7/8″外加厚油管)的修井作业。
该修井机采用特殊设计的平板车作为修井机底盘，轴距短，重心低，可大角度转向，转弯半径小，运行平稳可靠。适应狭小区域作业，该机核心部件均为成熟产品，有可靠保障。电动修井机装备发动机的功率为193kW。为修井机提供行走动力和液压源动力，修井机的液压系统采用双动力提供，一路由车载发动机提供动力，一路由电动机提供动力。
电驱系统驱动电机采用国内先进的低速大扭矩电动机，具有宽恒功率和高过载能力的特性，与变频电源配合，直接利用井场变压器，完成修井作业。电机额定功率110kW；额定同步转速1500r/min；额定电压380V；电源侧功率因数不低于0.96；最大过载能力2.5倍；系统的过载能力1.5倍。该电机采用独立风机冷却，F级绝缘，S4工作制，免维护时间为10年，使用寿命20年。
电机配合变频器及专用控制模块可实现电机200－1500r/min范围内的恒扭矩调速。考虑实际操作的方便和实用性，电机工作频率采用进口脚踏控制，无机调速，操纵方便，符合司钻操作习惯。
机械系统增加了四挡变速箱传动，通过联轴器与低速大扭矩电机连接。变速箱增加了电机的调速范围。
绞车采用单滚筒结构，井架为矩形管门形双节套装结构。
该修井机设计时充分考虑到减少空气污染和环境污染，自带动力满足在狭小区域内移动，合理的设计保证有足够的作业操作和维护空间，可供操作人员安全方便地施工。
整机具备良好的防风和减震性能，适应温度在-30℃～+45℃的环境下工作。
二. 电动修井机技术参数及方案确定
1 主要技术要求
1.1 主要技术性能参数
修井深度 4000m（27/8"外加厚油管）
HJJ225／43—T型井架大修后可靠性评定
HJJ225／43—T型井架大修后可靠性评定
井架的强度是保证正常钻（修）井作业的安全指标。目前，我国石油开采多以海洋采油为主。海上作业环境恶劣，化学腐蚀、电化学腐蚀、平台拖航晃动、大风、受力金属疲劳、施工中工件砸伤等，都严重威胁着井架的“健康”。海上作业的井架每隔一段时间或每隔一定的钻探尺度都要入厂大修，来解决安全及结构性能方面的问题。而经过大修后的井架需经过应力测试的评定合格后才可以投入使用。
标签：井架；维修；应力测试；评定
井架作为海洋钻机的关键设备，其生产制造维修后需经获得用户认可的第三方检验，如：DNV、ABS或CCS等权威机构。海洋井架直接承受钻井作业载荷和海洋环境载荷，设计与建造应符合API Spec4F的规定。
井架是海洋钻（修）井设备中十分重要的部分，同时也是海洋钻（修）井设备中最薄弱的环节之一。井架经常在风载及其他载荷作用下变形，产生安全隐患[1]。而且，近几年，我国石油需求量进一步加大，采油作业工作量也日益增多，设备使用强度加大，井架也极易出现疲劳缺陷。海上作业湿度大、盐分大使得井架的使用状况日益严峻。海上钻井平台上的井架定期就要进行大修来保证井架的安全性。应力测试作为大修竣工验收环节，极其重要[2]。
1 井架检测法律法规要求
根据2006年5月1日施行的《海洋石油安全生产规定》中规定海洋石油的专业设备应当由专业设备检验机构检验合格，方可投入使用。而海洋钻（修）井设备属于海洋石油专业设备。SY 6500-2010《滩（浅）海石油设施检验规程》中在役井架检测检验进行年度检验和定期检验，并规定了检测检验项目和内容[3]。SY6326-2012《石油钻机和修井机井架底座承载能力检测评定方法及分级规范》中要求井架主要承载件在使用过程中出现开裂、弯曲、变形等现象，经修复后的井架，经改装和大修的井架都要求做应力测试。[4]并且对最后井架的定级要求进行综合评定并以井架的应力测试结果为主。对海洋钻机、修井机井架做了A、B、C、D四个等级的划分，要求A级井架每3年检测一次，B级井架每2年检测一次，C级井架每1年检测一次，D级井架要求报废。
HXJ修井机使用说明书DOC
HXJ90A海洋修井机
1
1
第一章
技 术 规 范 HXJ90A海洋修井机
2
2 1.1 概述
HXJ90A海洋修井机是应中国海洋石油总公司渤海公司QHD32-6平台修井机招标书和南阳石油机械厂与中国海洋石油总公司签订的合同号为“B2000-QHD32-6-01”《 QHD32-6平台修井机合同》而研制生产的。
海洋修井机装备由如下部件组成：动力机组、动力橇、传动系统、绞车、绞车橇、水循环冷却系统、转盘、上底座总成、下底座总成、井架、阻流、压井管汇、挡风墙、照明装置、钻杆坡道、游车大钩、钻井仪表、工具、备用钢丝绳滚筒、消防及冲洗管汇等几十个部件组成，通过这些部件，修井设备能满足合同及技术协议的要求。在总体布署时，我们力求在满足技术性能的情况下，简化结构，功能模块化，便于吊装，保证整机占平台面积最小，在吊装时次数最少。钻台高度5.4米，净空高度满足4.5m高防喷器组的安装要求。
1.2 适用范围
修井深度：名义小修深度（27/8″外加厚油管） 前期4000m
后期7000m
名义大修深度（27/8″钻杆） 前期3200m
后期5800m
（31/2″钻杆 3500m） 前期2500m
后期4500m
石油钻机和修井机基本配置
SY/T 6724－2008 《石油钻机和修井机基本配置》
节 选
本标准用列表的形式，分别叙述了钻机的基本配置、车装钻机的基本配置和车装修井机的基本配置。
在钻机的基本配置部分，标准列举了常用的七个级别16种钻机类型，并对其基本参数、结构特点等进行了描述。七个级别钻机包括：ZJ15/900、ZJ30/1800、ZJ40/2250、ZJ50/3150、ZJ70/4500、ZJ90/6750、ZJ120/9000。每种级别钻机根据驱动形式和传动形式不同，选择2～3种典型钻机类型，并用配置清单的形式详述了钻机所配设备的名称、基本参数和配套数量，以及可选择的配置设备。
在车装钻机的基本配置部分，标准列举了常用的五个级别10种车装钻机类型，并对其基本参数、结构特点等进行了描述。五个级别车装钻机包括：ZJ10/600、ZJ15/900、ZJ20/1350、ZJ30/1700、ZJ40/2250。每种级别车装钻机根据钻机布置的不同，又分为车载式和拖挂式，并用配置清单的形式详述了车装钻机所配设备的名称、基本参数和配套数量，以及可选择的配置设备。
在车装修井机的基本配置部分，标准列举了常用的九个级别21种车装修井机类型，并对其基本参数、结构特点等进行了描述。九个级别车装修井机包括：XJ350、XJ600、XJ700、XJ900、XJ1100、XJ1350、XJ1600、XJ1800、XJ2250。每种级别车装修井机根据底盘型式的不同，又分为自走底盘、汽车底盘和牵引底盘，并用配置清单的形式详述了修井机所配设备的名称、基本参数和配套数量，以及可选择的配置设备。下面分别以ZJ70/4500钻机、ZJ20/1350车装钻机和XJ1800车装修井机为例说明标准的主要内容。
ZJ70/4500钻机：
1) 基本参数：最大钩载、绞车最大输入功率、最大快绳拉力、提升绳系、转盘开口直径、钻井泵台数、井架型式、底座型式、底座高度、主动力机组功率、辅助发电机组等。
海洋修井机改造工程实施方案分析及经验总结
第３８卷第５期 石 工 程建设
海洋修井机改造工程实施方案分析及经验总结
关双会，丁 辉，武永清，陈金稳，刘 辉
（中海油能源发展股份有限公司油田建设工程分公司，天津 ３００４５２）
摘 要：海洋修井机总体设计均为模块式，可搬迁应用于不同平台。中海油ＣＢ—Ｂ平台原Ｋ４００修井
机已经报废拆除，需要新配置一套大吨位海洋修井机实施调整井作业。ＨＸＪ１８０ＭＢ海洋修井机为机动 设备，作业能力强，将ＨＸＪ１８０ＭＢ海洋修井机安装应用到ＣＢ—Ｂ平台上，需要解决多方面的技术问
题．因为海洋石油生产平台的井口区设置及接口设计均各有特征，所以使得海洋修井机适应性改造工 程变得复杂 文章通过对中海油渤海油田ＣＢ—Ｂ平台安装ＨＸＪ１８０ＭＢ海洋修井机实施方案的分析．总
结了该类工程的特征和一系列技术问题的解决方案 因该工程改造内容全面，具有普遍代表性．可供 同类型工程参考
关键词：海上平台；海洋修井机；升级改造
ｄｏｉ：１０．３９６９４．ｉｓｓｎ．１００１－２２０６．２０１２．０５．００３
０ 引言 随着中海油天津分公司上产３ ０００万ｔ目标的
实现以及稳产３ ０００万ｔ目标的提出．原有生产平 台开始大量实施调整井作业．大量原有设备设施的
升级改造工作随之开始实施 ＣＢ—Ｂ平台原Ｋ４００ 修井机已经报废拆除．需要新配置一套大吨位海洋
修井机实施调整井作业 而公司在近两年内没有新 建造钻修井设备的计划．其他平台在役修井机由于
修井作业任务繁重．不能临时搬迁至ＣＢ—Ｂ平台满
足其长期的钻修井作业需求 ＨＸＪ１８０ＭＢ海洋修井 机为机动设备．作业能力强．不仅可以完成修井作 业任务，还能够进行调整井作业。该套修井机已经
在渤海ＱＫ１７—２平台成功实施调整井作业任务．作 业性能全面符合作业要求 然而ＱＫ１７—２平台为单
井区内丛式井群．而ＣＢ—Ｂ平台为错位双井区丛式 井群．在ＣＢ—Ｂ平台上安装应用ＨＸＪ１８０ＭＢ海洋修
井机，存在的技术难度较大，问题有多方面：需要 对平台承载能力进行评估．并对平台进行加固改
API 4F钻井和修井结构规范
钻井和修井结构规范
API 4F
第4版，2013年1月
生效日期：2013年8月1日
美国石油学会 API 规范4F
ii
钻井和修井结构规范
上游段
API 4F
第4版，2013年1月
生效日期：2013年8月1日
美国石油学会 API 规范4F
iii 特别说明
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出版API标准是为了使公众能够更方便地获取已经证实的、良好的工程与操作惯例。但至于何时何地应当使用这些出版物，仍需要用户依据自身的实践经验而做出明智的判断。API标准的制定或出版，无意以任何方式限制任何人使用任何其他操作惯例。
任何按照API标准的会标使用要求标志其设备和材料的制造商，对于其产品符合相关API标准，负有全部责任。API不承诺、担保或保证这些产品实际上确实符合该项API标准。
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钻井井架、底座的设计计算
钻井井架、底座的设计计算
［Ｇｅｎｅｒａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ］书名＝钻井井架、底座的设计计算
作者＝常玉连
页数＝２５２
ＳＳ号＝１０１７４６４５
出版日期＝１９９４年０６月第１版
前言
目录
第一章 石油钻机井架、底座概论
第一节 井架的结构类型
一、塔形井架
二、前开口形井架
三、Ａ形井架
四、桅形井架
第二节 钻机底座的结构类型
一、层箱式底座（Ｂｏｘ ｏｎ ｂｏｘ）
二、箱块式底座（Ｒａｉｓｅｄ ｆｌｏｏｒ ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）
三、自升式钻机底座（Ｓｅｌｆ ｅｌｅｖａｔｉｎｇ ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｏ）第二章 井架、底座的计算原理
第一节 设计计算的基本规定
一、静强度规定
二、不稳定性规定
三、疲劳强度规定
四、动力反应的规定
五、脆性断裂的规定
六、塑性规定
七、小结 第二节 设计计算法
一、设计计算法概述
二、近似概率计算法
三、井架及底座的设计计算公式
四、井架及底座的失效概率
五、优化设计计算法
六、疲劳强度计算法
第三章 井架、底座的荷载
第一节 荷载的确定与计算
一、恒定荷载
二、工作荷载
三、自然荷载
四、安装荷载
五、整体拖运与运输荷载
六、动态井架的动力荷载
第二节 荷载的组合原则与计算方法
一、计算目的与荷载工况
二、荷载组合的模式法
第四章 结构与构件的连接计算
第一节 概述
一、井架及底座的连接方法
二、构件连接的力学性质
第二节 焊接连接的计算
一、焊接连接的形式与焊缝构造
二、对接焊缝中的应力
三、角焊缝中的应力
四、角钢构件的角焊缝
五、焊缝群的几何性质
第三节 销座耳板连接的计算
一、销座耳板连接的结构形式 二、耳板与座板中的应力分析
三、销轴、耳板和座板的计算
第四节 螺栓连接的计算
一、单个螺栓的计算
二、螺栓群的计算
第五章 井架与底座中梁类构件计算
第一节 梁类构件的结构类型及计算模型 第二节 梁中内力及支座反力的计算
一、各类梁中内力及支座反力计算图表
HXJ180MB海洋修井机移运结构改造技术分析
５２卷增刊２ 中 困 造 船 ２０１ １年９月 ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ ＯＦ ＣＨＩＮＡ Ｖｏ１．５２ Ｓｐｅｃｉａｌ ２ Ｓｅｐ．２０Ｉ１
文章编号：１０００．４８８２（２０１ １）Ｓ２．０３７７—０９
ＨＸＪ１ ８０ＭＢ海洋修井机移运结构改造技术分析
关双会 ，周洪军 ，沈国华 ，边作森 ，陈金稳
（１．中海油能源发展油建渤海装备分公司，天津３００４５２；２．中海油天津分公司，天津３００４５２）
摘要 针对海洋修井机在结构方面进行的技术升级改造，详细论述了ＨＸＪＩ８０ＭＢ海洋修井机在安装应用于渤 海油田ＣＢ．Ｂ平台时所进行的适应性技术改造设计工作的内容、方法和思路，使修井机满足该平台的整机纵 横移运操作需求。对修井机原有结构设计不足及不符合要求之处，提出了技术解决方案。设计思想和技术方 案可供类似的海洋石油平台及修井机在设计或技术改造升级时借鉴与参考，以增强海洋工程设备、设施设 计工作的全面性。
关 键 词：海洋钻修井机；整机纵横滑移结构；适应性技术改造；全面优化设计
０ 引 言
海洋油田根据开发情况要求，一些海洋边际小平台（井１５１数量较少）不设置永久性修井机，通常
考虑为几个小平台共用一台其他平台所属修井机或移动钻修井设备来完成修井作业任务。此外，大吨
位修井机被开发应用到老平台上实施调整井增产作业任务等，是导致出现修井机机动至非所属平台上
应用情况出现的主要原因。海洋修井机总体为组块式结构，移动方便，安装快捷，经济性强也为修井
机跨平台应用提供了支持条件。
１ 海洋修井机不同平台适应性改造工作的共通性问题
一台既有修井机应用于非原设计平台上时，为使修井机与应用平台已有的设施、井口及井口区布
置情况相适应，都需要进行必要的技术升级改造工作。一般情况下，不能与平台需求相匹配的主要修
井机结构为下底座总成部分，所存在的问题主要有如下几项：
（１）下底座支撑腿跨距值与应用平台导轨跨距值不同；
油田修井机井架的力学分析与优化设计
４８８ ２００７年８月 石油勘探与开发 ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＥＸＰＩ ＯＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．４ 文章编号：１０００—０７４７（２００７）０４—０４８８—０５ 油田修井机井架的力学分析与优化设计
杨晓红 ，张邦成 ，陈兆峰。 （１．空军航空大学；２．长春Ｘ－业大学；３．吉林省华兴实业开发中心） 基金项目：吉林省科技资助基金项目（２００２３３３） 摘要：修井机井架承受着主要的载荷，如果设计不当，会浪费原材料，甚至在使用中出现事故。在对修井机井架进行有限 元分析的基础上，得到了一种新井架结构。改进后的整个井架应力分布趋于均匀，最大应力比原结构降低ｌ２ 。受压稳 定性分析表明，改进设计的整体稳定性较好，完全可以保证井架的正常工作。对井架的模态分析表明，井架的固有频率与 底盘发动机、绞车的工作频率不同，因此当绞车在不同转速下工作时，不会发生共振。将有限元分析技术、结构优化技术 与大型设备设计相结合，为设计师提供了主动设计的依据，提高了修井机的技术含量和设计水平，同时，也为其他产品应 用结构优化设计技术提供了有价值的参考。图３表ｌ参ｌ６ 关键词：有限元分析；井架；应力；屈曲；固有振动 中图分类号：ＴＥ９３５ 文献标识码：Ａ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｉｉｆｉｅｉｄ ｗｏｒｋｏｖｅｒ ｄｅｒｒｉｃｋｓ ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｂａｎｇ—ｃｈｅｎｇ。，ＣＨＥＮ Ｚｈａｏ—ｆｅｎｇ。 （１．Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２ｉ。Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｈｕａ Ｘｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｗｏｒｋｏｖｅｒ ｄｅｒｒｉｃｋ ｉｓ ｓｕｂｊｅｃｔ ｔＯ ｐｒｉｍａｒｙ ｌｏａｄｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ｆａｃｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ ｉｓ ｔｈａｔ ａ ｄｅｒｒｉｃｋ ｈａｓ ｔＯ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔＯ ｂｅ ｓｔｒｏｎｇ ｅｎｏｕｇｈ ｔＯ ｂｅａｒ ｔｈｏｓｅ ｌｏａｄｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｗａｓｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａ ｎｅｗ ｄｅｒｒｉｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｏｒｋｏｖｅｒ ｒｉｇｓ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｄｅｒｒｉｃｋ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｂｙ １２ ｐｅｒｃｅｎｔ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｏｎｅ．Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｎｄｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｐｒｅｆｅｒａｂｌｅ，ａｎｄ ｃａｎ ａｓｓｕｒｅ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｄｅｒｒｉｃｋ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｄｅｒｒｉｃｋ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｓｓｉｓ ｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ ｗｉｎｃｈ，ＳＯ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｗｉｌｌ ｎｏｔ ｔａｋｅ ｐｌａｃｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗｉｎｃｈ ｗｏｒｋｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｏｔａｒｙ ｓｐｅｅｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｉｌ ｄｅｒｒｉｃｋ；ｓｔｒｅｓｓ；ｂｕｃｋｌｉｎｇ；ｎａｔｕｒａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
海洋修井机井架有限元分析及结构优化
－・——５４．．—— 石 油机械 ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ２００８年第３６卷第９期 ．．设计计算 海洋修井机井架有限元分析及结构优化
周传喜 张延水 南丽华 （１．长江大学机械工程学院２．长庆油田公司机械制造总厂３．江汉机械研究所） 摘要为了将海洋修井机改造成可钻调整井的钻修井机，必须依据现有修井机的设备能力和 已具备的顶部驱动钻井装置，针对钻调整井的钻井参数，对其支撑系统等进行校核计算。利用 ＡＮＳＹＳ软件对某海洋修井机井架进行了三维有限元分析，得到了位移及应力分布。分析结果表 明，几种极限工况下的强度不能满足要求，必须对井架采取结构加强。提出了井架结构优化和顶 驱系统安装方案，通过有限元计算和结构干涉模拟，方案满足安全使用要求。 关键词 海洋修井机 井架 有限元法 结构优化 引 言 近年来，在计算机技术和数值分析方法支持下 发展起来的有限元分析方法，为解决复杂的工程分 析计算问题提供了有效的途径。为了设计出合理的 石油钻修井机井架，基于ＣＡＥ技术的分析、设计、 优化已成为非常有效的方法。 为了将海洋修井机改造成可钻调整井的钻修井 机，必须依据现有修井机的设备能力和已具备的顶 部驱动钻井装置（简称顶驱），针对钻调整井的钻 井参数，对其支撑系统等进行校核计算。笔者的研 究拟重点为对原有修井机井架能否满足钻井工程的 需要进行有限元分析计算，并给出相应的安全评价 和结构优化方案。 海洋修井机的井架是大型复杂的金属刚架结 构¨Ｊ。针对国外进口的海洋修井机，由于缺乏设 计计算依据，故需在考虑钻井以及安装顶驱的实际 条件的基础上进行有限元分析，以探讨其在不同工 况条件下的承载能力和安全性，找出危险工况并进 行结构加强。 井架的有限元分析与结构优化 １．井架的计算载荷和工况组合 井架有限元分析的计算载荷除了有恒载（包 括井架总成及二层台自重、天车和游车系统自重、 顶驱系统自重）、大钩静载荷、工作绳作用力、３ 个方向的风载以及立根自重和风载共同作用下的立 根水平靠力等５种基本载荷外，还有地震载荷和通 过顶驱导轨反扭梁作用在井架支座门字梁上的扭矩 载荷。 该海洋修井机在进行分析时的实际工况包括： 最大钩载工况、严重钻修井工况、正常钻修井工 况、等待天气工况、保全设备工况 ］。由于考虑 采用顶驱，每一种工况必须加顶驱进行对比，所以 总计算工况数达２６种之多。 ２．井架有限元模型 在满足计算精度的情况下，为了减少计算工作 量，需要对几何模型做一些适当的简化 Ｉ４ Ｊ，经简 化后的修井机井架的几何模型主要由井架上体、井 架下体、井架支座、井架撑杆组成。为了提高有限 元计算的准确性，必须在保持与实物高度一致的前 提下处理边界条件。井架底座的刚度很大，将其视 为刚体，井架下体通过４个销子与井架支座和井架 撑杆连接，其销节点５个自由度受约束，绕销轴方 向（Ｚ向）旋转自由度释放；而井架支座通过４个 螺栓使井架与底座连接，螺栓固定点６个自由度全 部约束；井架撑杆通过２个销子使井架与底座连 接，其销节点５个自由度受约束，绕销轴方向（ｚ 向）旋转自由度释放 。 由于修井机井架是三维杆件结构，井架各杆件 不仅承受轴向力，而且也承受附加的弯矩作用。因 此，采用三维梁单元Ｂｅａｍ４能更好地表达井架的 实际受力情况＿６ Ｊ。对于修井机井架不同截面的型