某海洋钻井井架振动测试及有限元分析.pdf

2 0 1 2年 第 4 1卷 第 8 期第 5 o页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D EQUI PME NT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 2 0 8 0 0 5 0 0 5 某海洋钻井井架振动测试及有限元分析 关德 ， 刘孔忠 中 海 石 油 中 国 有 限公 司 上海 分公 司 ， 上 海 2 0 0 0 3 0 摘 要 某海 洋平 台配置 有 Z J 5 0 ／ 3 1 5 0 D B型 海 洋钻机 ， 在 钻 井工 况 下 井架 的振 动 幅 度较 大 。为 了进 行 安 全评估 ， 对该 井 架进 行振 动测 试和 有限元 分析 ， 工况 有 起 钻 柱 作 业 、 下钻 柱 作 业 、 钻 井作 业 、 8 级 风 。结 果表 明， 在设计 工 况下该 井 架是安 全的 。 关 键词 井架 ； 振 动测试 ； 安 全评估 ； 有 限元 分析 中图分 类号 TE 9 5 1 文献 标识码 A 某海洋平 台配置一台 Z J 5 O ／ 3 1 5 0 D B型海洋钻 机 ， 在钻 井工 况下 该 钻 机 井架 振 动 幅 度 较大 。为 了 准确分析该钻机井架振动特性 ， 评估钻井井架作业 的安全 性 ， 在 不 同工况 下测试 了井架 振 动特性 ， 并结 合 有 限元计算 模 型 ， 分 析 了振 动 对 钻井 井 架 结 构安 全的影响， 并为钻修井作业安全提出了建议口 ] 。 钻井井 架振动测试评估 工作分为 2 个 阶段 ① 通 过 振动测试仪 器 ， 在 不 同钻井 工况 下 ， 现场 采集 井 架 振 动数据 ， 记 录作业 载 荷 、 立 根 存量 、 环境 条 件 、 振 动 位移 、 振动加速 度等 ， 分析 该钻 机 固有 频率 及 在不 同 工况下 的振 动特性 ， 为井 架安 全 评估 提 供实 测数 据 。 为 了考虑外 界环境 条件 对海 洋 钻机 振动 测试 结果 的 影响， 采用风速仪等记录现场测试环境条件 ； ②依据 井架 图纸及 现场井架实际 ， 建立井 架结构 有 限元 计算 模型 ， 分析 实测振动数据对井架结 构安全 的影 响 ] 。 1 井架参数 Z J 5 o ／ 3 1 5 0 D B型 海 洋 钻 机 井 架 采 用 直 立 套 装 白升式结构 ] 。配置 Y C 3 1 5型分体式游车 ， D G3 1 5 型 大 钩 ， 8 L 4 5 0 型 水 龙 头 ， D Q3 5 O 型 顶 驱 系 统 ， J Z 3 4 O型卧式 死绳 固定 器等 。 钻井 深度 5 0 0 0 m 5英寸 钻杆 最大 钩载 3 1 5 0 k N 井架 有效 高度4 6 m 钻 台高度 9 m 最大 抗风 能力 9 3 k n 空 立根 ， 空载 荷 ； 7 O k n 满立 根 ， 空载荷 4 2 k n 满 立根 ， 最 大钩载 ； 5 3 k n 工作 状态 2 振动测试 振 动测 试 仪 器 由 C A Y D 1 0 9 A 型 压 电 式 传 感 器 、 Y E 5 8 5 8 A 双 积 分 型 电 荷 放 大 器 、 D S P 一 3 2并 口 数据采集仪及笔记本电脑组成 。测点布置在井架 基 座 、小 平 台及 二层 台位 置 ，如 图 1 ，即在 主受 力 ” ”““ “”””” 一““ “ ” ”””一 ““““ “ ””””” “““” ．-” ” 一 。 参 考文 献 [ 1 ] 骆 发前 ， 吕拴录 ， 李鹤林 ， 等． 游车大钩断裂原 因分 析及 预防措施 D3 ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 4 7 7 8 0 ． [ 2 ] 温宏权 ， 向顺华 ， 张永杰 ， 等． 6 0 S i 2 Mn弹簧钢加热 温度 对表面脱碳 的影 响[ J ] ． 宝钢技术 ， 2 0 0 8 3 4 4 4 7 ． [ 3 ] 刘丽华 ， 丁伟 中． 6 0 S i 2 Mn弹簧钢脱碳 的研究[ J ] ． 热处 理 ， 2 0 0 5 ， 2 0 3 6 - 7 ． [ 4 ] 蔡海燕 ， 张 忠铧 ， 张 弛． 6 0 S i 2 Mn弹簧钢 表面脱 碳 的 ”- 4 -”一“ “ “ 研究[ J ] ． 金属制品 ， 2 0 0 5 3 3 5 3 7 ． [ 5 ] L i a n g g a n g D a i ， R o n g f a C h e n ， X i a n l i a n g Z h a n g ， R u i Z h u ， Ta o I i u ．Th e Nu me r i c a l Simul a t i o n o f De c a r b u r i z a t i on of 6 0 Si 2 Cr VA i n He a t Tr e a t me n t b y DE - 3 D a nd t h e R e s e a r c h o f P r a c t i c a l A p p l i c a t i o n [ J ] ． A d v a n c e d Ma t e r i a l s Re s e a r c h， 2 0 11， 1 89 1 9 3 4 2 07 4 21 1 ． [ 6 ] 陈 文 辉． 弹 簧 钢 脱 碳 研 究 [ D ] ． 北 京 北 京 交 通 大 学 ， 2 0 0 9 ． 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 6 1 0 作 者简 介 关 , 1 9 6 2 ， 男 ， 山西 临汾人 ， 高级工程师 ， 博士 ， 2 0 0 2年毕业 于西南石油 大学石 油与天然 气工程 专业 ， 研究 方 向 海洋石油 与天然气工程及开采 ， 邮箱 g u a n d e c n o o c ． c o rn． c n 。 第 4 1 卷第 8 期 关德 ， 等 某海洋钻井井架振 动测 试及 有限元分析 构件 布置 8个 测点 ， 测 试 并分 析 Z J 5 0 ／ 3 1 5 0 D B型 海 洋钻机井架整体振动参数的变化趋势。根据振动测 试结 果 ， 不 同高度 测 点 的加 速度 、 振 动位 移 的趋势 一 致 ， 二层 台处 振 动 幅值 较 大 。因 此在 进 行 振 动 加 速 度 、 振动 位 移 分 析 时 以 二 层 台 z、 向测 点 为 分 析 对 象 。 2 ． 1 固有 频率 量 曼 黼 讲 督 f r _ 量 量 船 翘 尉 0 3 6 O 0 3 0 0 0 2 4 0 01 8 O 0l 2 O 0 0 6 0 O 0 O 0 由于 井架 固定 在 采油 平 台 甲板 上 ， 进 行 井架 固 有 频率 测试 分析 时 ， 仅 考虑 因顶 驱上 提 、 下 放对 井架 的激振 作用 ， 可 以最 大 限 度 地排 除采 油 平 台 自身 固 有 频率 的影 响 。 采用 P S D功率谱密度图分析测试结果 ， 如图2 ～ 3 所示 ， 可 以看 出 向固有频 率为 0 ． 5 3 7 Hz 满立 根 状态 ； 向固有频率为 0 ． 5 8 6 Hz 满立根状态 。 图 1 传感器布置位置 O 01 0 01 O O1 0 O1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O O 0 频率／ H z 图 2 向井架 固有频率测试结果 图 3 向井架 固有频率测试结果 感器布置位置 处， 6 在y 向，7 2 ． 2不 同工况 下井 架振 动位 移 根据 现 场测 试 结 果 ， 分别 针 对 4种工 况 进 行 分 析 ， 井 架最 大振 动位 移 二 层 台处 如 表 1 。 由表 1知 ， 不 同工 况 对井 架 振 动 的影 响 程 度 8 级风工 况 钻进 作业 下 钻柱 作业 起 钻柱作 业 。 表 1 不 同工况下井架最大 二层台处 振 动 位 移 测 试 数 据 mm 以钻进作业工况为典型工况 ， 给出井架振动位 石 油矿 场f J 【械 移 测试 曲线 ， 如 图 4所示 。从 图 4可 以看 出， 井 架振 动 峰值 出现周 期 为 l 5 0 ～ l 8 0 s 。振 动位 移峰值 约 为 4． 5 1] l m 。 l IlL ． I _llL “ 上 ． L 山 JlIlI ” ’’ 1 1 l’ 1『 ” ’ 『1I．” 0 l 8 3 6 5 4 7 2 9 0 0 I 8 l 2 6 l 4 4 l 6 2 0 l 8 0 时 I} 1] ／ s 网 d 典型 钻井作业 j 二 况下井架振动化移测试 } }} I 线 2 ． 3 钻进 作业 工况 下井架 的谐 响应 由结 构 力学 可知 ， 当井 架 结 构 受迫 振 动 频率 接近 井架 固有频 率 时 ， H ∞ 将 出现峰 值 ， 即弓 I 起 井架 结构 发 生共 振 。该 钻机 使 用 D Q3 5 0型 顶 驱 系统 ， 转速 为 0 ～ 1 8 O r ／ mi n 。 转 动频 率 为 0 ～3 Hz 。 分 析 图 5 ， 可 以 看 出 位 移 峰 值 分 别 出 现 在 0 ． 5 8 6 、 0 ． 7 6 3 、 0 ． 9 2 5 、 1 ． 1 7 4及 1 ． 4 6 9 Hz 。对 比本 文第 3节 巾理 论计 算 出的井 架 固有 频 率 及 实测 固有 频 率 。 可 知钻 进作 业1 一 况下 ， 井架 1阶 固有 频 率 易受 顶驱 影 响 而发 生共 振 ， 即顶 驱 转 速 为 3 6 r ／ rai n时 ， 由于 转 速低 、 扭 矩大 ， 导致井 架低 阶振 动响应 明显 。 2 ． 0 8 9 6 8 4 7 2 6 0 4 8 3 6 2 4 1 2 蝴-％I n z 图 5 井架的幅频响应曲线 2 ． 4井 架振动 加速度 现场测 试发 现 ， 顶 驱快 速通过 二层 台时 ， 井架振 动存在 一个 明显 的 冲 击效 应 ， 且 这 种 冲击 与 立 根 区 的立根存量有关 。为分 析该 冲击对井架结构 的影 响 ， 需 要 进 行 振 动 加 速 度 分 析 。测 试 数 据 如 表 2 、 图 6 。 由表 2知 ， 顶 驱快 速 通过 二 层 台 引起 井架 冲 击 振动的原因与直根区市根存量有关 。立根 立根存 量 的变 化导致 井架 频 率 发 生 变化 ， 影 响顶 驱 快 速通 过立根 时引起 的 振 动 。 由图 6知 ， 下 钻 柱 作 业 工 况下 ， 立根 区 根 存量 比在 1 2时 ． 顶 驱快 速通 过所 引起 的振动 加速度 最 大 。 表 2 井 架二 层 台处 振 动 加 速 度 测 试 数 据 g I刳 6 井架振 动J J I l 速度 卜 j 根仔量关系曲线 3 有 限元模型及计算结果 根据 钻机 图纸 及 现 场 调研 。 采 用 AN S YS软件 建 立 了该 钻机 井架计 算模 型 ， 如 图 7所示 。 7 “架计算模 型 1 井 架 为刚架结 构 ， 各杆 件之 间焊接 町靠 ， 为 川性 连接 。 2 井架 工作 时底部 与 支座 不发生相 对 移动或 0 4 8 2 6 0 6 2 8 4 0 8 6 4 3 0●3 4 6 8 第 4 1卷第 8期 关德 ， 等 某海洋钻井 井架 振动测试 及有限元分析 转动 ， 为 固定 支 座 。销 连接 采用 简 支方式 模 拟 。 3 井 架 一 些 小 的 附 属 结 构 在 模 型 中不 予 建 立 ， 其重 力及 风作 用力 等 因素计 入 整体保 守 系数 。 4 井架 载 荷 按 载 对 应 的位 置 ， 作 为 面 载 荷 、 线 载荷 、 集 中载 荷施 加 ， 平 台 结构 自重 力 由程 序 自动生 成 。对 动力 分 析有 影 响 的设 备 载 荷 、 立 根 载 荷 等按 质量 单元 施加 在结 构单 元上 。 5 井架上下 体连接 可靠 ， 不发 生相互 窜动 现 象 。 本 次建 模过 程中 使用了B E AM1 8 8 、 S HE I I 1 8 1 、 MAS S 2 l三种 单元 。采 用该 模 型 ， 对 上 述 现场 测试结 果 进行 分 析 验 证 ， 并 分 析 实测 振 动 数 据 对井 架结 构安 全 的影 响程 度 。 。 3 ． 1 自振周 期 和频率 如表 3 表 3井架 前 l 0阶 固有 频 率 阶数 1 2 3 4 5 6 频 率 ／ Hz 0 ． 5 5 5 8 0 ． 7 7 9 3 1 ． 4 9 7 7 1 ． 7 7 4 6 2 ． 1 0 8 2 2 ． 4 9 4 1 3 ． 0 4 0 8 3 ． 7 3 6 6 4 ． 2 7 6 6 4 ． 4 8 4 4 井 架 1阶 固有频 率计 算 结 果 为 0 ． 5 5 5 8 Hz ， 与 实测 固有频率 O ． 5 3 7 Hz 及 0 ． 5 8 6 Hz 近 似 相 等 ， 说 明计 算模 型 正确 。 3 ． 2井架振 型 分析 井 架振 型 如图 8 。l阶振 型 为 整体 扭 转 ； 2阶 振 型 为井 架 中段 以上 整 体 沿 向弯 曲 ； 3阶 振 型 为错 层弯 曲； 4阶振型为井架整体沿 向弯曲； 5阶振型 为钻井架 自身扭转i 6阶振型为整体 向弯 曲i 7阶 阶振型 振 型 为二层 台局 部 振 动 ； 8阶振 型 为整 体 ． 7- ’ 向弯 曲 自身扭转 ； 9阶振 型为二 层 台和小 平 台 向弯 曲i 1 0阶振型 为钻 井 甲板局部 弯 曲 。 井架 1阶振型为整体扭转 ， 说 明井架 c型开 口 的抗 扭 强度 低 ； 2阶振 型 为 井 架 中段 以上 整 体 沿 向弯曲， 说明井架底座 2个前撑杆为关键构件 ， 其结 构 安全性 影 响整个 井架 安全 。 图 8井架前 5阶 固有振型 3 ． 3 8级风 满立 根工 况下 井架 计算 结果 根 据 井 架 杆 件 位 移 校 核 结 果 ， 井 架 杆 件 在 8 级 风 满 立 根 工 况 下 ， 二 层 台 处 位 移 沿 向 为 3 4 ． 5 4 mm， 沿 向 为 3 8 ． 3 2 mm， 大 于 现 场 实 际 测 试 位 移 2 4 ． 0 0 mm 及 2 4 ． 5 8 mm。杆 件 计 算 U C 值 U C 值 为 根 据 ANS I ／ AI S C 3 6 0 -- 0 5规 范 得 到 的杆件受压 、 受拉 、 弯扭组 合工况 许用应 力值 5阶振 1 ． 0， 井 架 结 构 符 合 ANS I ／ AI S C 3 6 0 0 5 规 范 要 求 E 1 。 3 ． 4 顶驱快 速 通过 引起 的井 架振 动分析 在 1 ／ 2立根存量状态下 ， 分析顶驱快速通过二 层台引起的井架冲击振动 ， 最大 U C值为 0 ． 6 8 。U C 值 1 ．0 ， 符 合 ANS I ／ AI S C 3 6 0 0 5 规 范 1 2 1 3 ] 要求 。 5 4 石油 矿场 机械 2 0 1 2年 8月 4 结论 1 测试 结果 表 明钻 井井 架 因外部 因素 引起 的 振 动 明显 ， 由井 架 自身作 业工况 引起 的振 动较小 。8 级 风工 况为井 架振 动幅度 最大 的工 况 。钻 进作业 工 况是井架 因自身作业导致的振动响应最大工况 。 2 顶驱 上提 、 下放 快速通 过二 层 台时 ， 井架 振 动存 在 一个 明显 的 冲击 效应 ， 且 立 根 区立 根存 量 在 1 ／ 2时 ， 这种 冲击 效应 最 明显 。 3 该钻 机使 用 顶驱 为 天 意公 司的 DQ3 5 0型 顶驱系统， 转速为 0 ～1 8 0 r ／ mi n 。有限元计算表明， 在 低转 速工况 下 ， 尤其是 钻井 工况 ， 转 速低 ， 扭 矩大 ， 转动频率接近 1阶固有频率 时， 易导致井架低 阶振 动响应 明显 ， 与现 场测试 结果 一致 。 4 风 载荷 引起 的井 架振 动 幅度约 为井架 因 自 身作业 引起振 动 幅度 的 2 ． 5 倍 ， 是 主要影 响 因素 。 5 井 架 1阶振 型为 整体 扭转 ， 说 明井架 C型 开 口抗扭 强 度 低 ； 2阶振 型 为 井架 中段 以上 整体 沿 Y向弯 曲 ， 说 明井架底 座 2个 前撑 杆 为关键 构件 ， 其 结 构安 全性影 响 整个井架 安 全 。 6 根 据现 场测 试 及模 型计 算 分 析 ， 该 井架 振 动幅度 位 于 设 计 范 围 内 ， 承 载 能 力 符 合 相 关 规 范 要 求 。 参考文献 [ 1 ] 韩国有 ， 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2 ] AP I S P E C 4 F ， S p e c i f i c a t i o n f o r Dr i l l i n g a n d We l l S e r v i c i n g S t r u c t u r e s [ S ． 2 0 0 8 ． [ 1 3 ] AN S I ／ A I S C 3 6 0 0 5 ， S p e c i f i c a t i o n f o r S t r u c t u r e S t e e l B u i l d i n g s [ S ] ． 2 0 0 5 ． 卜 “ 卜 - 一 - 一 一 一 ” 一 ” 一” ””-1 -““- - - - 一””” - 4 - - 4 - 陆天 明等 李 金民 刘 小卫等 吴凤 明等 王玲玲 等 吴柳根 等 岑 学齐等 马风 清等 车 晓旭等 王 素玲等 吕亿 明 等 肖文生 等 余 建星 等 王显丰 何 宇 姚 小 飞等 杜 庆贵 徐 鑫等 徐茂 林 张旭 明等 张 彦新 下期 目次预告 预轮 廓螺 杆钻 具研制 及应 用 螺杆 泵 井抽 油杆 柱校 核及 下 泵深度设 计 计 算与应 用 1 0 5 MP a 抗 硫 井 口装 置研制 与 应用 钻 具 接 头 应 力 的 磁 记 忆 检 测 试 验 研 究 水 平 井解 卡打捞 工 艺技 术研 究 膨胀 悬挂 器技 术在石 油 工程 中的应 用 深 井采 油 中玻 璃钢 一钢 混合抽 油杆 设计 新 方 法 三 牙轮钻 头 与地层相 互 作用动 力 学数 值 模 拟 初 探 导 管 架在拖 航 过程 中风 激振动 的计 算 方 法 研 究 基 于振 动 力学的抽 油杆 柱传动 效 率数值 仿 真研 究 防气分 采抽 油泵研 制 与应 用 隔水 管输 送机 关键 部件 设计 与分析 海洋钻 井平 台维修 中的人 因管理 含 不 同粒径 混合砂 粒 离心 泵 固液 两相 流 数 值 模 拟 钻 井液 高速 离心机 转 鼓强度 应 力有 限元 分析 与优化 温度 对超 级 1 3 C r油管 钢慢 拉 伸 应 力腐 蚀 开 裂的影 响 半潜 式钻 井平 台拖航 阻力的数 值分析 胜利 油 田完 井 筛管现 状及研 究展 望 电动 修 井机技 术在 辽河 油 田的应 用 C P F Y4型 固井 水 泥 车静 态 强度 分析 及 改进 油 气回收 系统设 计分析