石油井架极限承载力研究
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摘要
石油井架是石油装备的重要组成部分。多年来，井架倒塌事故时有发生，只在线弹性范围内评价井架的承载性能已经不能完全满足现场井架作业的需要，因而合理地预报出井架的极限承载力，已成为石油井架安全评定理论所研究的重要内容。
鉴于工程上最常用的方法是通过测试现场井架应力，以线性外推法确定井架的安全承载力，因而本文提出了以测试杆件的应力为参照修正井架数值模型从而预测井架极限承载力的方法，这一方法的提出实现了安全评定理论与极限承载预测在算法上的统一和在理论上的连续性。
本文首先应用有限元法分析了井架结构的几何非线性和材料非线性，并借助大型工程辅助分析软件ANSYS建立了无初始缺陷井架数值模型，分析了在设计承载范围内，几何非线性对井架承载各参数的影响；并对数值模型井架进行了几何非线性和双重非线性极限承载性能分析，得出预测A形井架的极限承载力必须考虑双重非线性的影响。
本文将理论分析与测试数据相结合，室内试验与室外试验相融合，采用64通道实时并行大容量静动态测试系统，基于PCI总线DAQ系列数据采集板，LabVIEW数据采集软件，DASYLab数据分析平台对室内实验室模型井架和现场在用井架进行数据采集及分析，为准确预测井架极限承载力提供了准确充足的数据。
最后，基于以上理论分析及测试数据，本文提出了以参考应力法修正无初始缺陷井架数值模型从而预测含损伤缺陷井架极限承载力的方法，这种方法虽在理论上能达到精确的程度，但必须修正数值模型井架每一单元的应力，工作量大，因而本文实际做法以测试杆件的应力为参照来预测井架的极限承载力。实验室模型井架预测结果与试验值相差仅为5％，从而验证这一做法的可行性。
Oil derrick is an important part of oil equipment. For many years, some accidents of derrick collapse have happened occasionally, only according to the elastic theory to evaluate can't meet the need of oil field derrick work fully. Therefore, forecasting the ultimate bearing capacity properly has become an urgent content of safety evaluation theory.
As the most frequently employed method is to determine the load resisting capacity by the method of the linearity extrapolation from the measured data about stress, thus this paper present the ultimate bearing capacity method based on the measured stress of derrick members to modify the computer numerical model, which realized the unification on algorithmic analysis and continuity on theory between safety evaluation and ultimate bearing capacity forecasting.
This paper firstly analyzed the geometric and material nonlinearity according to FEM method. After it, it established the numerical model of perfect derrick by using huge engineering auxiliary software-ANSYS, and analyzed the influence of geometric nonlinearity on the parameters of derrick; In addition, this part discussed the geometric and double nonlinear ultimate bearing capacity aiming at numerical model and concluded that double nonlinearity must be considered if you want to acquire the ultimate bearing capacity of A-shaped mast.
This thesis combined not only the theory analysis of derrick structure and measured data but also test in Lab and test in oil field. Further more, this research has adopt mass parallel real-time test system with 64 channels, DAQ data acquisition panel with PCI wire, Labview software and DASYlab analysis platform. We gathered and analyzed data of Lab model and derrick in oil field and then offered enough and accurate data for forecasting ultimate bearing capacity.
Finally, according to the research above, the author presented the method, with which we can forecast the ultimate bearing capacity of derrick with defeats and defacements by modifying the perfect numerical derrick model with the method of taking measured stress as reference. This method could achieve excellent solution, but we must modify each element of FEM numerical model and then the amount of work is very large. Therefore practically the author took the measured stress of derrick members as reference to infer the ultimate bearing capacity. The relative error is only 5% between the forecasting result of Lab model and the result of collapsing test, which also proved that it is a feasible.
鉴于工程上最常用的方法是通过测试现场井架应力，以线性外推法确定井架的安全承载力，因而本文提出了以测试杆件的应力为参照修正井架数值模型从而预测井架极限承载力的方法，这一方法的提出实现了安全评定理论与极限承载预测在算法上的统一和在理论上的连续性。
本文首先应用有限元法分析了井架结构的几何非线性和材料非线性，并借助大型工程辅助分析软件ANSYS建立了无初始缺陷井架数值模型，分析了在设计承载范围内，几何非线性对井架承载各参数的影响；并对数值模型井架进行了几何非线性和双重非线性极限承载性能分析，得出预测A形井架的极限承载力必须考虑双重非线性的影响。
本文将理论分析与测试数据相结合，室内试验与室外试验相融合，采用64通道实时并行大容量静动态测试系统，基于PCI总线DAQ系列数据采集板，LabVIEW数据采集软件，DASYLab数据分析平台对室内实验室模型井架和现场在用井架进行数据采集及分析，为准确预测井架极限承载力提供了准确充足的数据。
最后，基于以上理论分析及测试数据，本文提出了以参考应力法修正无初始缺陷井架数值模型从而预测含损伤缺陷井架极限承载力的方法，这种方法虽在理论上能达到精确的程度，但必须修正数值模型井架每一单元的应力，工作量大，因而本文实际做法以测试杆件的应力为参照来预测井架的极限承载力。实验室模型井架预测结果与试验值相差仅为5％，从而验证这一做法的可行性。
Oil derrick is an important part of oil equipment. For many years, some accidents of derrick collapse have happened occasionally, only according to the elastic theory to evaluate can't meet the need of oil field derrick work fully. Therefore, forecasting the ultimate bearing capacity properly has become an urgent content of safety evaluation theory.
As the most frequently employed method is to determine the load resisting capacity by the method of the linearity extrapolation from the measured data about stress, thus this paper present the ultimate bearing capacity method based on the measured stress of derrick members to modify the computer numerical model, which realized the unification on algorithmic analysis and continuity on theory between safety evaluation and ultimate bearing capacity forecasting.
This paper firstly analyzed the geometric and material nonlinearity according to FEM method. After it, it established the numerical model of perfect derrick by using huge engineering auxiliary software-ANSYS, and analyzed the influence of geometric nonlinearity on the parameters of derrick; In addition, this part discussed the geometric and double nonlinear ultimate bearing capacity aiming at numerical model and concluded that double nonlinearity must be considered if you want to acquire the ultimate bearing capacity of A-shaped mast.
This thesis combined not only the theory analysis of derrick structure and measured data but also test in Lab and test in oil field. Further more, this research has adopt mass parallel real-time test system with 64 channels, DAQ data acquisition panel with PCI wire, Labview software and DASYlab analysis platform. We gathered and analyzed data of Lab model and derrick in oil field and then offered enough and accurate data for forecasting ultimate bearing capacity.
Finally, according to the research above, the author presented the method, with which we can forecast the ultimate bearing capacity of derrick with defeats and defacements by modifying the perfect numerical derrick model with the method of taking measured stress as reference. This method could achieve excellent solution, but we must modify each element of FEM numerical model and then the amount of work is very large. Therefore practically the author took the measured stress of derrick members as reference to infer the ultimate bearing capacity. The relative error is only 5% between the forecasting result of Lab model and the result of collapsing test, which also proved that it is a feasible.
引文
[1] 侯广平等．石油钻机井架的现状与发展趋势．石油机械，1996，3：51～54
[2] 常玉连，刘玉泉．钻井井架、底座的设计计算．第一版．北京：石油工业出版社，1994：157～210
[3] 华东石油学院矿机教研室．石油钻采机械．第一版．北京：石油工业出版社，1980：236～286
[4] 杨敏嘉，常玉连．井架的风载荷．石油矿场机械，1984，13(4)：22～25
[5] API Spec 4E．钻井和修井井架规范．第三版．兰州：兰州石油机械研究所，1988：124～153
[6] Dr Douglas BYNUM Jr. PRACTICAL DRILLING & PRODUCTION DESIGN copyright 1982 by Penn Well Publishing Company
[7] Testing Loaded Derrick of Rotary Drilling. USSR 1698415
[8] Dr Douglas BYNUM Jr. Practical Drilling & Production Design copyright 1982 by Penn Well Publishing Company
[9] 常玉连等．由单位荷载变形判定钻机井架的承载能力．石油机械，1995，23(2)：24～28
[10] 李学彤，周国强．在用7000m钻机井架可靠性评定．石油矿场机械，1992，21(6)：19～23
[11] 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，1997，25(5)：17～18
[12] 张爱林，王光远．服役塔型井架承载力的二级模糊综合评定．石油机械，1995，23(4)：31～35
[13] 张爱林，王惠德等．服役井架结构的双重非线性分析．石油学报，1996，17(2)：106～111
[14] 袁英战．采油井架钢结构承载性能的非线性计算机仿真分析：[硕士学位论文]．北京：清华大学土木工程系，1999
[15] 李学彤，周国强．实验应力分析专业委员会．第七届全国实验力学学术会议．北京：北京大学出版社．1992，10：148～151
[16] 陈骥．钢结构稳定理论方法及应用．北京：科学技术文献出版社，1994：76～98
[17] 王勖成，邵敏．有限单元法基本原理．北京：清华大学出版社，1992：22～105
[18] 张爱林，田汝珉．考虑初始缺陷的服役井架承载力分析．石油矿场机械，1994，23(6)：9～12
[19] 于长武．石油钻井井架缺陷分析．[硕士学位论文]．安达：大庆石油学院，1997
[20] 王国强．实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践．第一版．西安：西北工业大学出版社，1999
[21] 谭建国．使用ANSYS6.0进行有限元分析．第一版．北京：北京大学出版社，2002
[22] 刘涛，杨凤鹏．精通ANSYS．第一版．北京：清华大学出版社，2002
[23] 朱伯芳．有限单元法原理与应用．第二版．北京：中国水利水电出版社，1998：304～398
[24] 韩东颖，周国强．基于ANSYS6.0钻机井架几何非线性分析。石油矿场机械，2004，33(1)：12～14
[25] 冯紫良等．杆系结构的计算机分析．上海：同济大学出版社，1991：58～132
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[47] 齐明侠，田佳禾等．K型模型井架应变位移测试及计算分析。石油机械，1998，26(10)：12～14
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[49] Huang Zhiqian etc. Evaluation of Remaining Resistance for Working Derrick by Reliability and Dynamic Parameter Identify Theory. Beijing: Petroleum Industry Publica.tion. 1998, 261～266
[50] 徐友矩，杜强．石油井架承载力的动态测评方法研究．第七届全国振动理论及其应用学术会议，广东佛山，1999．上海：同济大学出版社，1999：150～154
[51] 王元清，袁英战，周国强．含损伤缺陷采油井架钢结构双重非线性承载性能分析．建筑结构学报，2000，21(6)：62～67
[52] 王惠德，周国强等．初始弯曲对塔形井架承载能力的影响．石油机械，1987，4：20～24
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[54] Wang Yuanqing, Yuan Yingzhan, Zhou Guoqiang. Double Nonlinear Analysis of the Loading Capacity of Drilling Derrick Steel Structure with Defects and Defacements. Yuqiu Long. PROCEEDINGS of 1st Internationai Conference on Structural Engineering, Kunmingof China, 1999,10.Beijing:Tsinghua University Press, 1999: 403～410
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