石油井架可靠性设计中的荷载与荷载效应.pdf

1 9 7年第 2 1 卷 第 4期 石油大学学报自熊科学版 J o ml o f t h e U n i v e r s i t y o f P e t mle u r n ,C i n a ． 2 1 N o ． 4 Au g 1 9 9 7 石油井架可靠性设计中的荷载 f 裴峻峰陈荣振 齐明侠展恩强* _● ～一 石油太学机械系， 山东来营2 5 7 O 6 2 与荷载效应 田佳禾 摘要对典型油田的3 2钻机的最大工作荷载的可靠性进行了统计， 求得其概率分布类型为正态分布， 同时求 得了其统计特征 均值、 标准差及变异系致 ．在此基础上． 求得了 3 2钻机在设计基准期内的荷载的最大值 Or的 分布函数 F r 及其它有用的统计参数， 进而确定出了3 2钻机用 K型井架的荷载效应． 将模型井架的应力宴测结 果分别与用线性及非线性结构有限元程序所得的计算结果进行对 比， 探讨了计算方法的变异性． 这两种计算方法 所得结果相差很小， 均可用于井架的强度计算． 所得研究结果可直接用于井架的疲劳可靠性设计与分析， 并可经适 当变换 推广到最大静强度的可靠性设计中． I， 妻 黧 冀 萎 石 渺 芳 孝 万 1 q 税 ／ 9 2 3 中 雷 圈 书 资 料 分 类 法 分 类 号T E ⋯ V 第一作者简介裴峻峰， 男， 1 9 5 4年生。 1 9 7 7年毕业于华东石油学院， 1 9 8 9年在石油大学获硬士学位， 现为石 油大学 华东 副教授． 事石油机械的教学和科研工作 ． 0 引言 作用在石油井架上 的钻具荷载及风荷载均为动 载荷， 且是井架承受的主要荷载， 在其作用下井架构 件内部产生荷载效应 如应力等 ． 在井架上作用的 风荷载可由各油田的年最大风速通过概率统计求 得， 各油田的年最大风速均服从极值 I 型分布。 各主 要油田的基本风压值也已求得⋯ 1 ． 在目前的钻机和 井架设计中， 进行静强度设计时。 以最大钩载为设计 依据； 在疲劳强度设计中， 以最大钻柱重量 Q l为 设计依据． 由于对井架或钻机承受的钩载的变化规 律和统计特征缺乏研究， 这就给钻机或井架的可靠 性设计和分析带来 了 ． 很大的困难． 因此有必要弄清 楚荷载及荷载效应的概率分布规律。 确定出各统计 特征参数． 1 3 2钻机最大工作荷载的确定 1 ． 1 概率模型及统计方法 采用极值统计模型， 即以设计基准期内出现的 荷载最大值 Q r 作为随机变量来进行统计分析． 首先将设计基准期 T年分为N个时段， 每个时 段 t 为打一 口井的时间 t 1 “ ／N 。 然后调查统计 t 时段内工作荷载的最大值 Q 该口井下套管时最重 收稿 日期 1 9 9 6一l 2一∞ - 陈荣撮． 展恩强现在北京石油勘探开发科学研究琬机械所工作 ＼ 的套管重量 ， 或在实际打井中所用最大直径钻柱钻 到最大井深时的重量。 取两者中重量最大者． 同时， 假定打每 n井时间内的 Q 是相互独立且具有相同 的分布函数 E z ， 然后求得在 T年内荷载的最大 值 Q r 的分布函数 F T 。 以及其它有用的统计参 数． 1 ． 2 3 2 钻机工作荷载的统计分析 为了 ， 研究 3 2 钻机的承载规律， 对河南、 大港、 胜 利、 四川四个油田 1 9 8 5 ～1 9 9 1年间用 3 2 钻机打的 1 3 1 9口井的最大井深、 钻柱及套管结构组成进行 了 ． 统计分析． 1 ． 2 ． 1 原始资料 所取的各油田的样本数见表 1 哀 1 各油田样本数 通过对所取的每口井的钻柱及套管结构及各自 的下人深度进行换算， 求得各口井的最大工作荷载 Q 。 以此作为研究对象． 1 ． 2 ． 2 绘制频率直方图 对各样本按荷载大小进行分组， 确定区间。 计算 组内频数 、 组 内频 率及累 积频率。 然后给 出各油 田 3 2钻机最大工作荷载的频率直方图 见图1 ． 维普资讯 石油大学学报 自然科学版 1 9 9 7年 8月 1 ． 2 ． 3 分 布假 设 与检 验 根据频率直方图反映出的概率分布的直观信 息， 分别选用极值 I型、 对数正态、 正态、 反 向对数正 态四种分布概型对所得数据进行 K s检验， 其检 验结果见表 2 各油 田的 3 2钻机最大工作荷载 大都服从正态 和对数正态分布， 而更接近于正态分布． 因此， 可优 先选用正态分布来描述 3 2钻机 的最大工作荷载的 概率分布情况 ． 各油田 3 2钻机最大工作荷载的综合 概率密度曲线见图 2 ． 表 2 Ks 检验结果 样本敦 统计量 E 置信水平统计量 油田 结论 均值 q 标准差 k N 井敦 极值 I 型 正杰 对数正态反向对教正态 0 0 5 ． o m 河南 l l l 0l 2 2 6 0． 1 8 1 2 8 0 1 2 7 1 0 1 8 8 0 0 ． 1 2 9 1 0 ． 1 5 4 7 援值 I型 6 5 4 8 2 2 0 8 大港 4 0 9 0 0 7 9 0 0 ． 0 7 6 1 0 ． O 6 4 6 0 1 0 7 3 0 ． 0 6 7 2 0 ． 0 舯6 对教正态． 正态 7 2 o 0 2 3 2 6 四川 l l l 01 6 4 2 0 ． 0 9 5 l 0 1 3 4 4 0 0 8 3 5 0 ． 1 2 9 1 9 l 5 4 7 反向对数正态． 正态 9 3 0 3 2 3 0 1 胜利 6 8 8 01 1 1 7 0 ． 0 4 2 5 0 0 8 8 2 0 0 4 1 9 0 ． 0 5 1 8 9 0 6 2 1 反向对数正态、 正态 7 4 3 8 瑚6 练合‘ l 2 0 8 0 0 8 9 3 0 ． 0 4 5 1 0 0 6 8 0 0 D 5 2 8 0 0 3 9 1 0 O 4 ,6 9 正卷 8 0 9 4 埘6 * { [ 练r 大港、 四川、 畦 利三油田的 数据． 河南油田的数据目该年用3 2 钻机所钻的 井过渡． 故未包括 龌 圈 暂 册 鞋 0 o 0． o 嚣。 嚣o ． 量o 0． 最大工作荷载 k N 图 1 3 2钻机最大工作荷载综台频率直方图 最大 工作荷 藕 k N 图2 3 2钻机最大工作荷载综台蕞率密度曲线 在可靠性设计中， 不仅关心单井工作荷载的概 率分布情况， 而且重视在井架整个工作年限中工作 荷载的概率分布情况． 由文献[ 2 ] 可知． 当 z 为 正态分布时． T年内荷载最大值 的概率分布 F T z 也近似地服从 正态分布， 其统计参数 的近似值 为 l 3 ．5 i 1 一 _- } 1 ～ n 式中， 坼 和 分 别为最大工作荷载样 本的均值和 标准差； N为钻机或井架打井总口数． 石油井架的确切使用年限至今尚未有定论， 根 据我们的研究， 在仅考虑大气腐蚀作用时其极限寿 命可达 5 O年 J ． 但 由于井架工作条件恶 劣。 又经常 拆迁， 受疲劳、 碰伤的机会也较多， 所以势必降低其 工作寿命． 考虑到 7 0年代初生产 的井架 目前仍在大 量使用， 因此估计使用 3 O年问题不大． 对于 3 2 钻 机， 每年钻井口数约为 5口。 这样 N3 05 1 5 0 口井， 若将最大工作荷载的均值和标准差分别代人 式 1 ， 这样可求得 T年内荷载 Q r 的统计特征值 1 4 0 7 - 2 8 k N， 6 4 - 7 8 k N 由于最大工作荷载是 由实际井深时的最大钻柱 重量而导出的， 因此可直接用于 3 2钻机井架的疲劳 可靠性设计与分析． 而在进行 3 2 钻机或井架的最大 静强度可靠性设计时， 由于 目前缺乏直接 由指重表 上读得的最大钩载数据， 暂时还未能求出其统计特 征． 因此建议设计时将均值移至 国标规定的最大钩 载处， 而由于变异系数反映的是 各井之间最大工作 荷载的变异情况， 故可将本文结果近似代之． 2 3 2钻机 K型井架荷载效应及计算 方法的变异性 国标l 3 指 出， 荷 载 与荷 载效应 一般呈 线性关 系． 故可将上述研究的荷载 的统计 特征用于确定井 架构件截 面的荷载效应， 但 还需研究计算方法的变 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 第 2 1 卷第4期 裴峻峰等 石油井架可靠性设计中的荷载与荷栽效应 3 9 ‘ 异 性 ． 目前 用于计算井架静力荷载效应 的方法有两 种 一种是线性计算法， 即认为材料的几何特征及应 力应变均成线性关系， 而另一种为非线性方法． 用这 两种方法按照空间刚架支座铰支情况分别计算 1 1 0的 K型模型井架的应力． 同时又对此井架 在同 一 荷载作用下各主要杆件 的应力作 了实测． 从而对 这两种计算方法的变异性作 比较和分析． 2 ． 1 计算公式 令 丸 等于第 根杆线性应力计算值与第 i 根 杆试验应力值之比； 卸 等于第 i 根杆非线性应力 计算值与第 根杆试验应力值之比， 则计算值与试 验值之比的平均值为 r ． 1 ’ ， 2 _S p b ／ l 一 1 】 1 l 2 _ J “ ， n 式中， ” 和 m 分别为线性和非线性计算应力值 与试验值之比的平均值 ； n为计算次数 与试验 次数 相等 ． 线性及非线性计算值与试验值之比的标准差 分别为 J - ／ 薯 一 ， ／ n 1 l ．／ 觚一 n _ 1 3 由此可求得线性计算值与非线性计算值的变异系数 分别为 卺 ； ㈨ 显然， 求得的平均值越接近于 1 ， 说 明计算精度 越高， 而标准差的大小则反 映 计算精度的离散程 度， 其值越小则越好； 变异系数越小也说明计算精度 越高． 2 ． 2 计算结果分析 对于线性和非线性计算结果， 分别取出所研究 l T -l 杆 的纯 轴向应力和最大总应 力 l {l 1 I l l 来与实测时同一荷载作用下加载工况与卸载 I r T J 工况所测量的同一杆的应力 取两种 工况下 杆的应 力的平均值进行 比较分析 实测时取 3 2根弦杆 立柱 、 l 3 根非弦杆 横杆 、 斜杆 ． 按上述方法进行了 比较 分析， 从而求得 r均 值、 标准差和变异系数 ， 见表 3 ． 表 3 井架各弦杆应力比的统计结果 从表 3可见， 线性计算值略大于非线性计算值， 两种方法计算精度相差甚小 即变异系数之差值小 于 I ％ ． 取轴 向应力 的计算结果 接 近于实测值， 这 是因为应变片是贴在弦杆 工字钢中轴线上， 但从 安全的角度考虑， 应按最大点应力来校核强度． 在计 算方法的选取上， 用线性计算程序或非线性计算 程 序都是可行 的， 后者精度略高于前者 ． 3 结论 1 3 2钻机最大工作荷载服从正态分布． 可按 求得的均值和标准差来进行井架的疲劳可靠性设计 与分析． 在进行最大静强度可靠性校核中， 可取国标 规定的Qm x 作为计算用的均值， 而变异系数取为 0 ． 2 1 9 ． 2 在 3 2钻机所用 K型井架的设计 中， 由于线 性有限元计算与 非线 性有 限元计 算结果 差值 小于 1 ％， 故用两种方法编制 的计算程序都是可取的． 3 本研究方法同样适用于其它类型的井架． 致谢朱明会、 张志毅及胜利油田钻井四公司提供 了宝贵资料， 石油大学 华东 矿机专业毕业生李淮 明、 董 荣、 王宏、 贺新梅给予帮助， 在此一并表示感 谢 ． 参考文献 1 裴峻峰． 石油井架设 计中基本风压的确定． 石油机械， 1 9 8 9 ， 1 7 1 2 2 赵国藩等． 工程结构可靠度． 北京 水力电力出版社． 1 9 8 4 3 建筑结构设计统一标准 GI3 J 6 88 4 北京 中国建筑工 业出版社， 1 9 8 4 4 裴峻峰， 杨其俊 评估石油井架工作寿命及可靠性的新方 法． 石油机械， 1 9 9 7 ， 2 5 5 责任编辑方斌 维普资讯