某海洋钻井井架振动测试及有限元分析

2012-12-11刘孔忠

石油矿场机械 2012年8期

关键词：井架振型固有频率

关德，刘孔忠

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海200030） ①

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200030） ①

某海洋平台配置有ZJ50／3150DB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。

井架；振动测试；安全评估；有限元分析

某海洋平台配置一台ZJ50／3150DB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［1－2］。

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［3－5］。

1 井架参数

ZJ50／3150DB型海洋钻机井架采用直立套装自升式结构［6］。配置YC315型分体式游车，DG315型大钩，SL450型水龙头，DQ350型顶驱系统，JZ340型卧式死绳固定器等。

2 振动测试

振动测试仪器由CA－YD－109A型压电式传感器、YE5858A双积分型电荷放大器、DSP－32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，即在主受力构件布置8个测点，测试并分析ZJ50／3150DB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x、y向测点为分析对象。

2.1 固有频率

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PSD功率谱密度图分析测试结果，如图2～3所示，可以看出：y向固有频率为0.537Hz（满立根状态）；x向固有频率为0.586Hz（满立根状态）。

图1 传感器布置位置

图2 y向井架固有频率测试结果

图3 x向井架固有频率测试结果

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150～180s。振动位移峰值约为4.5mm。

图4 典型（钻井作业）工况下井架振动位移测试曲线

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ω接近井架固有频率ωn时，H（ω）将出现峰值，即引起井架结构发生共振［7］。该钻机使用DQ350型顶驱系统，转速为0～180r／min，转动频率为0～3Hz。分析图5，可以看出位移峰值分别出现在0.586、0.763、0.925、1.174及1.469Hz。对比本文第3节中理论计算出的井架固有频率及实测固有频率，可知钻进作业工况下，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36r／min时，由于转速低、扭矩大，导致井架低阶振动响应明显。

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立根区立根存量有关。立根区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区时引起的振动。由图6知，下钻柱作业工况下，立根区立根存量比在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

图6 井架振动加速度与立根存量关系曲线

3 有限元模型及计算结果

根据钻机图纸及现场调研，采用ANSYS软件建立了该钻机井架计算模型，如图7所示。

图7 井架计算模型

1）井架为刚架结构，各杆件之间焊接可靠，为刚性连接。

2）井架工作时底部与支座不发生相对移动或转动，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）井架载荷按载荷所对应的位置，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BEAM188、SHELL181、MASS21三种单元。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［8－10］。

3.1 自振周期和频率（如表3）

表3 井架前10阶固有频率

井架1阶固有频率计算结果为0.555 8Hz，与实测固有频率0.537Hz及0.586Hz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。1阶振型为整体扭转；2阶振型为井架中段以上整体沿y向弯曲；3阶振型为错层弯曲；4阶振型为井架整体沿x向弯曲；5阶振型为钻井架自身扭转；6阶振型为整体y向弯曲；7阶振型为二层台局部振动；8阶振型为整体x向弯曲＋自身扭转；9阶振型为二层台和小平台y向弯曲；10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。

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y向为34.54mm，沿x向为38.32mm，大于现场实际测试位移24.00mm及24.58mm。杆件计算UC值（UC值为根据ANSI／AISC 360—05规范得到的杆件受压、受拉、弯扭组合工况许用应力值）＜1.0，井架结构符合ANSI／AISC 360—05规范要求［11］。

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UC值为0.68。UC值＜1.0，符合ANSI／AISC 360—05规范［12－13］要求。