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1、12000 米钻机井架底座有限元新模型建立与强度分析米钻机井架底座有限元新模型建立与强度分析摘要摘要：随着油气资源的不断开发，钻井面向更深的地层，超深井钻机的应用成为必然。作为钻机起升设备的重要组成部分井架和底座，在钻井作业中起着重要的作用。与普通钻机不同的是超深井钻机的工作环境更为恶劣，名义钻井深度和设备重量等显著增加，井架和底座承受的静载荷和动载荷更大。井架和底座的强度和安全性是钻进得以正常进行的保障，所以对超深井钻机井架底座的静态特性研究是十分必要的。本文以 ZJ120/9000DB 超深井钻机井架底座为研究对象，根据其结构特点应用pro/e 软件完成 DZ900/12-X 底座力学模型
2、的建立。在选单元方面，考虑到 12000m 对于分析准确性有更高的要求，本文以 solid45建立超大规模的单元模型，而不是传统的以梁作为单元建立模型，建立单元另外本文依据最新 API Spec 4F钻井和修井结构规范中载荷设计的原则，进行静态特性分析，详细分析得到的结构应力分布和变形情况。最后根据静态特性分析结果对底座结构安全等级进行综合评价。关键词关键词：超深井钻机，井架底座，静态特性。12000 meters drilling machine derrick base finite element new model building and strength analysis Abst
3、ract: With continuous oil and gas resources exploitation, drilling develops.To deeper formation, the use for ultra-deep drilling rigs is becoming necessity，As the important component of rig hoisting equipments derrick and substructure, which play a important role in drilling operation .Different fro
4、m ordinary rig ,ultra-deep drilling rig working environment is even worse ,nominal drilling depth and equipment ,a significant in crease in weight ,derrick and substructure to with stand the static load and dynamic load greater. The strength and security for derrick and substructure is the protectio
5、n of drilling to be normal, therefore, study on static and dynamic characteristics of ultra-deep drilling rig derrick and substructure is necessary.In this paper,ZJ120 /9000DB ultra-deep drilling rig derrick substructure for the research object, according to its structural features ,application ANSY
6、S finite element analysis software to complete mechanical model derrick substructure-building .Based on the latest API Spec 4F“Specification for Drilling and Well Servicing Structures “in the payload design principles, focusing on selected conditions 1a,the completion of drilling rigs and static cha
7、racteristics of substructure of the overall analysis ,obtained the structure of the stress distribution and deformation ,and gives the safety factor .Finally ,according to analysis of static characteristics，evaluate the structural safety level of derrick substructure as a whole .Keywords: ultra-deep
8、 well rig ,derrick substructure ,static characteristics.I目目 录录（目录项为自动生成，不用修改，只需刷新）（目录项为自动生成，不用修改，只需刷新）1 绪论11.1 石油钻机底座概述1 1.1.1 钻机井架底座介绍1 1.1.2 钻机井架底座的发展趋势.2 1.1.3 ZJ120/9000DB 超深井钻机井架底座的特点2 1.1.4 钻井工艺对钻机底座的基本要求31.2 对正常工作状态的简单描述31.3 课题内容研究的意义41.4 课题研究的主要内容42 底座承受的载荷分析52.1 概述52.2 12000m 井架底座承受载荷分析5 2.
9、2.1 恒定载荷5 2.2.2 工作载荷6 2.2.3 自然载荷6 2.2.4 安装起升载荷6 2.2.5 钻机井架底座在钻机整体拖运与运输过程中承受的载荷.62.3 底座载荷工况的确定72.4 本章小结73 钻机井架底座有限元分析理论与方法83.1 概述83.2 空间问题的基本方程8 3.2.1 平衡方程9 3.2.2几何方程.9 3.2.3 物理方程103.3 四节点四面体单元10 3.3.1 位移函数.11 3.3.2 应力应变关系12 3.3.3 单元刚度矩阵133.4 六面体单元14 3.4.1 位移函数14 3.4.2 应变矩阵与应力矩阵16 3.4.3 单元刚度矩阵173.5 本
10、章小结184 ZJ120/9000DB 超深井钻机井架底座模型的建立194.1 引言194.2 井架底座力学模型的简化19II4.3 井架底座单元的实现194.4 井架底座力学模型的建立204.5 本章小结205 底座单个楔形立柱的分析215.1 引言21 5.1.1 工字钢的模型21 5.1.2 基本假定225.2 挠度计算简图及公式22 5.2.1 ansys 建模.23 5.2.2 加载及计算结果对比235.3 分析稳定性及临界载荷。23 5.4.1 楔形截面悬臂钢梁临界荷载公式推导.24 5.4.2 ansys 解和公式解的对比.255.4 本章小结266 ZJ120/9000DB 超
11、深井钻机井架底座有限元模型建立与静强度计算276.1 引言27 6.1.1 许用应力的规定27 6.1.2 次应力的概念27 6.1.3 ZJ120/9000DB 超深井钻机井架底座技术参数.286.2 设计载荷标准及建立有限元模型28 6.2.1 模型建立与载荷的施加.296.3 求解分析变形与应力结果306.4 本章小结33结 论34参考文献35致 谢3711 绪论绪论1.1 石油钻机底座概述石油钻机底座概述1.1.11.1.1 钻机井架底座介绍钻机井架底座介绍石油钻机井架底座是钻机起升设备的机械核心, 用以安放钻机井架、绞车、转盘及放置立根和钻井工具，提供钻井作业操作的场所和井口装置的安
12、装空间。底座是和井架相配套的钢架结构，根据设计的不同，底座的功用也有一定的差别，但大体上还是不变的。一般情况下，底座用于支撑整个钻井设备的重量、安放井口装置、调节井口中心位置等。除了顶部驱动钻机外，底座转盘还起着承受井下钻具重量和产生持续钻进扭矩的作用。虽然大多数井架底座的功用基本相同，但由于地质条件、钻井工艺的要求和环境等条件的限制，井架及底座的结构形状也不尽相同。前面论述了井架的发展历程，伴随着钻机设计的不断更新，底座的结构也跟着不断变化。层箱式、箱快式和自升式底座是底座发展历程中最具有代表性的结构形式，下面将一一论述其特点。所谓层箱式底座就是在普通的箱式底座基础上的发展起来的，通过连接结
13、构杆件将一系列的箱形框架组合起来，其主要的特征是以箱型框架作为基本构件，用一些杆件连接组成的。所谓层箱式底座，即箱形框架叠累而成的结构，故又称箱叠式底座。其钻台高度可以根据钻井工艺的要求不断改变，有双层箱式，三层箱式底座，个别还有四层箱式，钻台高度可达 4-10 米。该底座的优点是高度可调、设计，制造相对简单，但该底座的结构显得笨重、复杂，不易安装和拆迁底座，高空作业需要大型的起重设备。箱块式底座较层箱式底座有了一定的发展和优化，选取了集成模块的方案，把立根盒梁、转盘梁和绞车梁分别制作成特定的箱快式模块，组装的时候只需要用高强度销轴连接这些模块即可。其主要的特征是：根据底座各部分的不同功用，分
14、别设计成不同的箱形框架，组合梁及板块，用销轴连接组装成整体。立根盒梁与绞车支架之间通过转盘梁有销轴连接起来，组成钻台。支架支撑于两个侧箱之上，以适应井架低位整体起升的要求。为克服重型绞车上高钻台的困难，绞车一般采用主绞车，猫头绞车分离方案，主绞车放在机房底座上，猫头绞车在钻台上，因此钻台与机房底座有较高的高度差。该底座的优点是安装和拆卸比较方便，工作量小。自升式底座是近年来发展起来的一类钻机底座，其主要的特征是：底座在地面组装，组装时的钻台高度一般为卡车的高度（约 1.5m） ，同时将绞车，钻盘，井架等在底座上安装固定，然后通过底座自身配备的动力传动系统或钻井绞车的动力，将底座整体起升到钻台的
15、工作高度。其代表了底座的发展趋势，其优点是可实现低位安装起升，且钻台面钻井设备（绞车、井架、人字架、转盘等）均可一次性低位2安装在底座顶层上，而要动用重型起吊机械高位安装。在某些程度上较小了劳动量，消除了人身安全隐患。自升式底座的结构类型很多，按照起升方式可分为三种主要类型：弹弓式底座，旋升式底座，伸缩式底座。1.1.21.1.2 钻机井架底座的发展趋势钻机井架底座的发展趋势随着世界各国油气资源勘探、开发的不断进行，国际石油资源的竞争日益激烈，谁能在最恶劣的环境下实现钻井和采油，谁就能获取更多的经济效益。对于石油钻机来说，这就对井架底座的设计提出了更高的目标，要求井架底座要向着社会需要的方向发
16、展。总体来说，石油钻机井架底座的发展趋势有两个明显的方向：快速移运性和超深井这两个方面。有很多井位相距较近或者是丛式井，钻井完毕后，需要尽快的做近距离的搬迁，如果不能快速移动，势必浪费了钻井时间，造成经济损失。目前有相当一部分在国内服役的中型和重型模块钻机井架底座均不能适应快速移运、快速安装的要求。所以模块集成化程度高、安装和拆卸井架底座方便且具有快速可移的特点是新型钻机井架底座发展的一个重要趋势。另外，随着陆地油气资源开采的不断进行，钻井向海洋和陆地的深井和超深井方向发展，这就要求钻机井架和底座的设计要面向深井和超深井。对于超深井钻机井架底座的设计，不仅要考虑最基本的设备连接、井架底座的强度、刚度和稳定性等，还要根据超深井钻机的工作特点，全面衡量其使用的安全可靠性以及对环境的适应程度等条件，所以钻机井架底座面向深井、超深井服务也是其发展的一个重要趋势。本文以 ZJ120/9000DB 超深井钻机井架底座为例，研究井架底座整体系统的静态特性。1.1.31.1.3 ZJ12
