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ZJ90/6750DB超深井钻机井架及底座静动态特性研究

作　者: 王栋
导　师: 高学仕
学　校: 中国石油大学
专　业: 机械工程
关键词: 超深井钻机井架及底座地震激励静态特性动态特性
分类号: TE923
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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和底座的静动态特性研究是十分必要的。本文以ZJ90/6750DB超深井钻机井架及底座为研究对象，根据其结构特点应用ANSYS有限元分析软件完成了井架及底座力学模型的建立。依据最新API Spec 4F《钻井和修井结构规范》中载荷设计的原则，着重选取工况1a、工况2和工况3a完成钻机井架及底座的整体静态特性分析，得到结构的应力分布和变形情况，并给出安全系数。最后根据静态特性分析结果对井架及底座结构安全等级进行综合评价。对井架及底座整体进行动态特性研究。分析结构的自振特性，获得结构自振频率和模态振型。完成结构在周期性载荷和冲击载荷作用下的谐响应和瞬态动力学响应，得到激励点的动态响应规律。完成结构的屈曲分析，确定结构的失稳形式和极限载荷。介绍了地震反应谱的理论和特点，结合建筑地震规范完成了ZJ90/6750DB超深井钻机井架及底座的抗震分析，得到结构在地震激励作用下的位移和内力响应。介绍了井架和底座的起升原理和受力分析。应用Pro/E建立了井架及底座的三维模型，结合机械系统动力学分析软件ADAMS分别完成了井架起升和底座起升的动力学分析，获得了起升过程中的动态响应。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 石油钻机井架及底座概述  10-13
    1.1.1 钻机井架及底座介绍  10-11
    1.1.2 钻机井架及底座的发展趋势  11-12
    1.1.3 ZJ90 超深井钻机井架及底座的特点  12-13
  1.2 井架及底座计算研究现状  13-14
  1.3 课题内容研究的意义  14
  1.4 课题研究的主要内容  14-16
第二章 ZJ90/6750DB 超深井钻机井架及底座模型的建立  16-25
  2.1 引言  16
  2.2 井架及底座力学模型的简化  16-17
  2.3 井架及底座单元的BEAM188 实现  17-22
    2.3.1 BEAM188 空间梁单元特性  17-18
    2.3.2 单元截面的BEAM188 实现  18-22
  2.4 井架及底座有限元模型的形成  22-24
  2.5 本章小结  24-25
第三章 ZJ90/6750DB 超深井钻机井架及底座静强度计算  25-44
  3.1 引言  25-26
    3.1.1 许用应力的规定  25
    3.1.2 次应力的概念  25-26
  3.2 设计载荷标准  26-27
  3.3 风载荷的计算  27-31
    3.3.1 设计风速  27-28
    3.3.2 单元杆件法风载荷的计算  28-31
  3.4 钻机井架及底座静力学有限元仿真  31-42
    3.4.1 ZJ90/6750DB 超深井钻机井架及底座技术参数  31
    3.4.2 ZJ90/6750DB 超深井钻机井架及底座静力计算分析  31-41
    3.4.3 钩载与风速关系曲线  41-42
  3.5 结构安全等级评价  42-43
    3.5.1 结构安全等级的定义  42
    3.5.2 ZJ90/6750DB 超深井钻机井架及底座结构安全等级评定  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第四章 ZJ90/6750DB 超深井钻机井架及底座动态特性分析  44-58
  4.1 引言  44
  4.2 钻机井架及底座模态分析  44-50
    4.2.1 无应力状态模态分析  44-46
    4.2.2 预应力状态模态分析  46-50
  4.3 井架及底座谐响应计算分析  50-53
    4.3.1 谐响应的计算原理  50-51
    4.3.2 井架及底座的谐响应计算结果  51-53
  4.4 井架及底座系统稳定性分析  53-54
  4.5 井架及底座系统瞬态动力学分析  54-56
  4.6 本章小结  56-58
第五章 ZJ90/6750DB 超深井钻机井架及底座抗震分析  58-74
  5.1 引言  58
  5.2 地震反应谱定义  58-60
  5.3 地震影响系数  60-62
    5.3.1 特征周期  60
    5.3.2 地震影响系数最大值  60-61
    5.3.3 地震影响系数曲线及计算公式  61-62
  5.4 地震动作用力的计算  62-63
    5.4.1 单自由度体系地震作用计算方法  62
    5.4.2 多质点体系地震作用力计算方法  62-63
  5.5 钻机井架及底座地震动力响应计算分析  63-72
  5.6 本章小结  72-74
第六章 ZJ90/6750DB 超深井钻机井架及底座起升动力学分析  74-83
  6.1 引言  74
  6.2 井架及底座起升原理  74-78
    6.2.1 井架起升原理及力学分析  74-76
    6.2.2 底座起升原理及力学分析  76-78
  6.3 井架及底座起升动态特性分析  78-82
    6.3.1 井架及底座动力学模型的建立  78-80
    6.3.2 井架及底座起升动态特性分析  80-82
  6.4 本章小结  82-83
结论  83-84
参考文献  84-87
攻读硕士学位期间取得的学术成果  87-88
致谢  88

ZJ90/6750DB超深井钻机井架及底座静动态特性研究

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