1、井架是石油鉆機起升設(shè)備的重要組成部分之一，在油田鉆井中，用于安放天車，懸掛游車、大鉤及專用工具，起下鉆、下套管等。作為承載構(gòu)件的鉆機井架，其工作環(huán)境遠比一般的鋼結(jié)構(gòu)物惡劣。井架結(jié)構(gòu)要承受提放鉆具的大鉤載荷、風激勵產(chǎn)生的風載荷以及鉆機振動時產(chǎn)生的振動載荷等動載荷作用。目前，采用等效靜力法研究井架結(jié)構(gòu)，僅僅能滿足井架設(shè)計階段的基本要求，對井架在動載下的振動響應(yīng)沒有進行深入研究。特殊情況下的縱向沖擊響應(yīng)，正常工作階段受周期性持續(xù)載荷作用的響應(yīng)

2、，以及在風載荷作用下的風致振動問題已經(jīng)受到關(guān)注。在動載下對井架進行動態(tài)響應(yīng)分析，能夠更有效地減少或避免油田生產(chǎn)中發(fā)生的井架動力失效或被風刮倒而造成的安全事故。因此，開展動載荷作用下的鉆機井架動態(tài)響應(yīng)研究，對井架結(jié)構(gòu)設(shè)計和油田安全生產(chǎn)有著重要指導意義。 本文主要以前開口鉆機井架為對象，根據(jù)彈性體理論和模型等效原則建立了用于動態(tài)特性分析的井架系統(tǒng)動力學模型，并根據(jù)井架結(jié)構(gòu)特點和工作實際將其劃分為特殊工作狀態(tài)和正常工作狀態(tài)兩種工況，通

3、過概率統(tǒng)計方法，以大鉤載荷為統(tǒng)計變量獲得井架豎向載荷概率模型，繼而采用國內(nèi)慣用的編譜原則，編制符合實際的瞬態(tài)沖擊載荷歷程和周期性試驗用程序載荷譜，對鉆機井架進行了瞬態(tài)動力學分析與動態(tài)響應(yīng)計算，得到了井架在動載何作用下的變形和應(yīng)力變化，以及井架頂部、二層臺和人字架等主要部位在不同方向的時間響應(yīng)變化規(guī)律和振動特性。 采用ANSYS軟件對井架進行了模態(tài)分析，獲得了前10階固有頻率和振型，并在此基礎(chǔ)上進行響應(yīng)譜分析，得到井架的頻率響應(yīng)特

4、性。 運用空氣動學原理，研究了大慶油田的陸地風場特性，進行了井架結(jié)構(gòu)風載荷譜分析。現(xiàn)場采集大慶地區(qū)從1960～2003年間44年的年最大風速氣象資料，建立了極值Ⅰ型概率分析數(shù)學模型，對鉆機井架的設(shè)計風速進行概率統(tǒng)計分析。根據(jù)油田生產(chǎn)實際，建立了9種模擬井架結(jié)構(gòu)力學行為的載荷工況，運用結(jié)構(gòu)隨機振動理論計算了四段井架結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)和等效脈動風載荷。用能量法系統(tǒng)分析了各種脈動風速譜和風力譜的基本規(guī)律，給出了基于三角級數(shù)疊加諧波合成法的

5、脈動風模擬方法，并采用Matlab6.5軟件給出了風載荷的數(shù)值模擬結(jié)果。 探討了鉆機井架風致振動的安全評價方法。通過分析風載荷與井架結(jié)構(gòu)的相互作用和破壞形式，運用安全度和疲勞驗算方法，評價了井架結(jié)構(gòu)風振安全性能。用風玫瑰圖描述了大慶地區(qū)冬季、夏季、全年的主導風向，建立了油田安全生產(chǎn)中的井位安裝方位圖。安全評價結(jié)果表明，井架結(jié)構(gòu)在颶風情況下，井架頂部已經(jīng)超過安全度控制極限，可能出現(xiàn)第一風向傾倒，但不會發(fā)生疲勞破壞。分別研究了周期鉤