某海洋鉆井井架振動(dòng)測(cè)試及有限元分析

關(guān) 德，劉孔忠

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海200030） ①

某海洋鉆井井架振動(dòng)測(cè)試及有限元分析

關(guān) 德，劉孔忠

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海200030） ①

某海洋平臺(tái)配置有ZJ50／3150DB型海洋鉆機(jī)，在鉆井工況下井架的振動(dòng)幅度較大。為了進(jìn)行安全評(píng)估，對(duì)該井架進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和有限元分析，工況有：起鉆柱作業(yè)、下鉆柱作業(yè)、鉆井作業(yè)、8級(jí)風(fēng)。結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)工況下該井架是安全的。

井架；振動(dòng)測(cè)試；安全評(píng)估；有限元分析

某海洋平臺(tái)配置一臺(tái)ZJ50／3150DB型海洋鉆機(jī)，在鉆井工況下該鉆機(jī)井架振動(dòng)幅度較大。為了準(zhǔn)確分析該鉆機(jī)井架振動(dòng)特性，評(píng)估鉆井井架作業(yè)的安全性，在不同工況下測(cè)試了井架振動(dòng)特性，并結(jié)合有限元計(jì)算模型，分析了振動(dòng)對(duì)鉆井井架結(jié)構(gòu)安全的影響，并為鉆修井作業(yè)安全提出了建議［1－2］。

鉆井井架振動(dòng)測(cè)試評(píng)估工作分為2個(gè)階段：①通過(guò)振動(dòng)測(cè)試儀器，在不同鉆井工況下，現(xiàn)場(chǎng)采集井架振動(dòng)數(shù)據(jù)，記錄作業(yè)載荷、立根存量、環(huán)境條件、振動(dòng)位移、振動(dòng)加速度等，分析該鉆機(jī)固有頻率及在不同工況下的振動(dòng)特性，為井架安全評(píng)估提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。為了考慮外界環(huán)境條件對(duì)海洋鉆機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果的影響，采用風(fēng)速儀等記錄現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境條件；②依據(jù)井架圖紙及現(xiàn)場(chǎng)井架實(shí)際，建立井架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，分析實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)井架結(jié)構(gòu)安全的影響［3－5］。

1 井架參數(shù)

ZJ50／3150DB型海洋鉆機(jī)井架采用直立套裝自升式結(jié)構(gòu)［6］。配置YC315型分體式游車(chē)，DG315型大鉤，SL450型水龍頭，DQ350型頂驅(qū)系統(tǒng)，JZ340型臥式死繩固定器等。

2 振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)測(cè)試儀器由CA－YD－109A型壓電式傳感器、YE5858A雙積分型電荷放大器、DSP－32并口數(shù)據(jù)采集儀及筆記本電腦組成。測(cè)點(diǎn)布置在井架基座、小平臺(tái)及二層臺(tái)位置，如圖1，即在主受力構(gòu)件布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試并分析ZJ50／3150DB型海洋鉆機(jī)井架整體振動(dòng)參數(shù)的變化趨勢(shì)。根據(jù)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，不同高度測(cè)點(diǎn)的加速度、振動(dòng)位移的趨勢(shì)一致，二層臺(tái)處振動(dòng)幅值較大。因此在進(jìn)行振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移分析時(shí)以二層臺(tái)x、y向測(cè)點(diǎn)為分析對(duì)象。

2.1 固有頻率

由于井架固定在采油平臺(tái)甲板上，進(jìn)行井架固有頻率測(cè)試分析時(shí)，僅考慮因頂驅(qū)上提、下放對(duì)井架的激振作用，可以最大限度地排除采油平臺(tái)自身固有頻率的影響。

采用PSD功率譜密度圖分析測(cè)試結(jié)果，如圖2～3所示，可以看出：y向固有頻率為0.537Hz（滿(mǎn)立根狀態(tài)）；x向固有頻率為0.586Hz（滿(mǎn)立根狀態(tài)）。

圖1 傳感器布置位置

圖2 y向井架固有頻率測(cè)試結(jié)果

圖3 x向井架固有頻率測(cè)試結(jié)果

2.2 不同工況下井架振動(dòng)位移

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，分別針對(duì)4種工況進(jìn)行分析，井架最大振動(dòng)位移（二層臺(tái)處）如表1。

由表1知，不同工況對(duì)井架振動(dòng)的影響程度：8級(jí)風(fēng)工況＞鉆進(jìn)作業(yè)＞下鉆柱作業(yè)＞起鉆柱作業(yè)。

表1 不同工況下井架最大（二層臺(tái)處）振動(dòng)位移測(cè)試數(shù)據(jù) mm

以鉆進(jìn)作業(yè)工況為典型工況，給出井架振動(dòng)位移測(cè)試曲線(xiàn)，如圖4所示。從圖4可以看出，井架振動(dòng)峰值出現(xiàn)周期為150～180s。振動(dòng)位移峰值約為4.5mm。

圖4 典型（鉆井作業(yè)）工況下井架振動(dòng)位移測(cè)試曲線(xiàn)

2.3 鉆進(jìn)作業(yè)工況下井架的諧響應(yīng)

由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，當(dāng)井架結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)頻率ω接近井架固有頻率ωn時(shí)，H（ω）將出現(xiàn)峰值，即引起井架結(jié)構(gòu)發(fā)生共振［7］。該鉆機(jī)使用DQ350型頂驅(qū)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速為0～180r／min，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為0～3Hz。分析圖5，可以看出位移峰值分別出現(xiàn)在0.586、0.763、0.925、1.174及1.469Hz。對(duì)比本文第3節(jié)中理論計(jì)算出的井架固有頻率及實(shí)測(cè)固有頻率，可知鉆進(jìn)作業(yè)工況下，井架1階固有頻率易受頂驅(qū)影響而發(fā)生共振，即頂驅(qū)轉(zhuǎn)速為36r／min時(shí)，由于轉(zhuǎn)速低、扭矩大，導(dǎo)致井架低階振動(dòng)響應(yīng)明顯。

圖5 井架的幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)

2.4 井架振動(dòng)加速度

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，頂驅(qū)快速通過(guò)二層臺(tái)時(shí)，井架振動(dòng)存在一個(gè)明顯的沖擊效應(yīng)，且這種沖擊與立根區(qū)的立根存量有關(guān)。為分析該沖擊對(duì)井架結(jié)構(gòu)的影響，需要進(jìn)行振動(dòng)加速度分析。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2、圖6。

由表2知，頂驅(qū)快速通過(guò)二層臺(tái)引起井架沖擊振動(dòng)的原因與立根區(qū)立根存量有關(guān)。立根區(qū)立根存量的變化導(dǎo)致井架頻率發(fā)生變化，影響頂驅(qū)快速通過(guò)立根區(qū)時(shí)引起的振動(dòng)。由圖6知，下鉆柱作業(yè)工況下，立根區(qū)立根存量比在1／2時(shí)，頂驅(qū)快速通過(guò)所引起的振動(dòng)加速度最大。

表2 井架二層臺(tái)處振動(dòng)加速度測(cè)試數(shù)據(jù) g

圖6 井架振動(dòng)加速度與立根存量關(guān)系曲線(xiàn)

3 有限元模型及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)鉆機(jī)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，采用ANSYS軟件建立了該鉆機(jī)井架計(jì)算模型，如圖7所示。

圖7 井架計(jì)算模型

1） 井架為剛架結(jié)構(gòu)，各桿件之間焊接可靠，為剛性連接。

2） 井架工作時(shí)底部與支座不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，為固定支座。銷(xiāo)連接采用簡(jiǎn)支方式模擬。

3） 井架一些小的附屬結(jié)構(gòu)在模型中不予建立，其重力及風(fēng)作用力等因素計(jì)入整體保守系數(shù)。

4） 井架載荷按載荷所對(duì)應(yīng)的位置，作為面載荷、線(xiàn)載荷、集中載荷施加，平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重力由程序自動(dòng)生成。對(duì)動(dòng)力分析有影響的設(shè)備載荷、立根載荷等按質(zhì)量單元施加在結(jié)構(gòu)單元上。

5） 井架上下體連接可靠，不發(fā)生相互竄動(dòng)現(xiàn)象。

本次建模過(guò)程中使用了BEAM188、SHELL181、MASS21三種單元。采用該模型，對(duì)上述現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，并分析實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)井架結(jié)構(gòu)安全的影響程度［8－10］。

3.1 自振周期和頻率（如表3）

表3 井架前10階固有頻率

井架1階固有頻率計(jì)算結(jié)果為0.555 8Hz，與實(shí)測(cè)固有頻率0.537Hz及0.586Hz近似相等，說(shuō)明計(jì)算模型正確。

3.2 井架振型分析

井架振型如圖8。1階振型為整體扭轉(zhuǎn)；2階振型為井架中段以上整體沿y向彎曲；3階振型為錯(cuò)層彎曲；4階振型為井架整體沿x向彎曲；5階振型為鉆井架自身扭轉(zhuǎn)；6階振型為整體y向彎曲；7階振型為二層臺(tái)局部振動(dòng)；8階振型為整體x向彎曲＋自身扭轉(zhuǎn)；9階振型為二層臺(tái)和小平臺(tái)y向彎曲；10階振型為鉆井甲板局部彎曲。

井架1階振型為整體扭轉(zhuǎn)，說(shuō)明井架C型開(kāi)口的抗扭強(qiáng)度低；2階振型為井架中段以上整體沿y向彎曲，說(shuō)明井架底座2個(gè)前撐桿為關(guān)鍵構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)安全性影響整個(gè)井架安全。

圖8 井架前5階固有振型

3.3 8級(jí)風(fēng)滿(mǎn)立根工況下井架計(jì)算結(jié)果

根據(jù)井架桿件位移校核結(jié)果，井架桿件在8級(jí)風(fēng)滿(mǎn)立根工況下，二層臺(tái)處位移沿y向?yàn)?4.54mm，沿x向?yàn)?8.32mm，大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試位移24.00mm及24.58mm。桿件計(jì)算UC值（UC值為根據(jù)ANSI／AISC 360—05規(guī)范得到的桿件受壓、受拉、彎扭組合工況許用應(yīng)力值）＜1.0，井架結(jié)構(gòu)符合ANSI／AISC 360—05規(guī)范要求［11］。

3.4 頂驅(qū)快速通過(guò)引起的井架振動(dòng)分析

在1／2立根存量狀態(tài)下，分析頂驅(qū)快速通過(guò)二層臺(tái)引起的井架沖擊振動(dòng)，最大UC值為0.68。UC值＜1.0，符合ANSI／AISC 360—05規(guī)范［12－13］要求。

4 結(jié)論

1） 測(cè)試結(jié)果表明鉆井井架因外部因素引起的振動(dòng)明顯，由井架自身作業(yè)工況引起的振動(dòng)較小。8級(jí)風(fēng)工況為井架振動(dòng)幅度最大的工況。鉆進(jìn)作業(yè)工況是井架因自身作業(yè)導(dǎo)致的振動(dòng)響應(yīng)最大工況。

2） 頂驅(qū)上提、下放快速通過(guò)二層臺(tái)時(shí)，井架振動(dòng)存在一個(gè)明顯的沖擊效應(yīng)，且立根區(qū)立根存量在1／2時(shí)，這種沖擊效應(yīng)最明顯。

3） 該鉆機(jī)使用頂驅(qū)為天意公司的DQ350型頂驅(qū)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速為0～180r／min。有限元計(jì)算表明，在低轉(zhuǎn)速工況下，尤其是鉆井工況，轉(zhuǎn)速低，扭矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近1階固有頻率時(shí)，易導(dǎo)致井架低階振動(dòng)響應(yīng)明顯，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果一致。

4） 風(fēng)載荷引起的井架振動(dòng)幅度約為井架因自身作業(yè)引起振動(dòng)幅度的2.5倍，是主要影響因素。

5） 井架1階振型為整體扭轉(zhuǎn)，說(shuō)明井架C型開(kāi)口抗扭強(qiáng)度低；2階振型為井架中段以上整體沿y向彎曲，說(shuō)明井架底座2個(gè)前撐桿為關(guān)鍵構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)安全性影響整個(gè)井架安全。

6） 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及模型計(jì)算分析，該井架振動(dòng)幅度位于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，承載能力符合相關(guān)規(guī)范要求。

［1］ 韓國(guó)有，劉金梅，周?chē)?guó)強(qiáng)，等.基于海洋波浪脈動(dòng)的海洋鉆機(jī)井架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)B(tài)識(shí)別［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，33（1）：60－64.

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［10］ 武進(jìn)福，韓 剛.基于斷裂力學(xué)的起重機(jī)焊接箱形梁疲勞壽命估算［J］.重型機(jī)械，2012（1）：63－65，68.

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［12］ API SPEC 4F，Specification for Drilling and Well Servicing Structures［S］.2008.

［13］ ANSI／AISC 360－05，Specification for Structure Steel Buildings［S］.2005.

1001－3482（2012）08－0050－05

TE951

A

2012－06－10

關(guān) 德（1962－），男，山西臨汾人，高級(jí)工程師，博士，2002年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：海洋石油與天然氣工程及開(kāi)采，郵箱：guande＠cnooc.com.cn。