前开口钻井井架设计

前开口钻井井架设计摘要：井架是石油钻井设备中重要的设备，它在钻井过程中用于安放和悬挂天车，游车，大钩等起升设备与工具，以及起下、存放钻杆、油管或抽油管。

在泛调研当前钻井井架发展状况的基础后，确定了前开口井架的结构形式。

本次设计井架总体结构采用五段焊接件，用圆锥销连接，既具有良好的移运性，又便于现场安装。

随后确定了三种井架工况组合，综合应用相关力学方面的知识对各种工况下的载荷进行分析计算，得出井架所受的载荷，建立井架分析的力学模型。

根据结构有限元分析的要求，对井架进行网格剖分，用ANSYS软件进行计算，计算结果表明，井架的强度、刚度满足设计要求。

最后进行井架整体结构稳定性校核和销轴与耳板校核。

关键词：前开口井架、结构有限元分析、钻井设备Hatched In The Front Derrick DesignAbstract：Derrick is one of the most important equipment in drilling machine.After the widespread investigation and study current well drilling development condition, has determined the derrick K structural style. this design derrick overall structure uses five sections of weldments, with conform forelock joint, both has the good portage nature, and is advantageous for the scene installment. According to the API standard and the national standard, had determined three kind of derricks operating modes combination, carries on the analysis computation each kind of operating mode load, obtains the derrick to received the load, establishes mechanics model which the derrick analyzes. According to the structure finite element analysis request, carries on the grid to the derrick to cut in half, carries on the computation with ANSYS software, the computed result indicated, the derrick intensity, the rigidity satisfy the design request. Finally carries on the derrick overall construction stability examination and sells the axis auricle examination.Key words: hatched in the front derrick, finite element analysis, drilling machine目录第一章绪论 (1)第二章井架的结构方案 (5)2.1 井架的结构设计 (5)2.2 井架杆件的截面选择 (6)2.3 井架材料的选择 (7)2.4 井架各杆件几何尺寸的确定 (7)2.5 井架整体框架结构的确定 (9)第三章载荷分析与计算 (10)3.1 井架载荷基本定义及其计算方法 (10)3.2 井架的载荷组成 (12)第四章井架的强度、刚度分析计算 (16)4.1 ANSYS软件简介 (16)4.2 有限元分析方法的基本思想和分析步骤 (17)4.3 有限元法分析井架的基本原理 (18)4.4 井架结构有限元静力分析 (18)4.5 节点、载荷的计算 (20)4.6 ANSYS5.4程序的数据输入 (28)第五章井架的稳定性校核 (45)5.1 井架整体稳定性校核 (45)5.2 绕X轴的整体稳定性校核 (45)5.3 绕y轴的整体稳定性校核 (47)第六章井架连接处销轴、耳板的设计及强度校核计算 (49)6.1 井架与井架底座连接处销轴与耳板的设计及强度校核 (49)6.2 人字架与井架主体连接处销轴与耳板的设计及强度校核 (51)6.3 井架各主体的销轴、耳板的设计及强度校核 (53)小结 (55)参考文献 (56)致谢................................................................................................. 错误！未定义书签。

第一章绪论石油和天然气是宝贵的能源和化工原料，是现代经济的“血液”，是当今最重要的能源之一。

它与人们的衣食住行密切相关，它是衡量一个国家综合实力的标准，它能够影响一个国家或地区的发展，直接影响到国民经济的稳定，更能导致一个国家或地区政治经济的安定。

它们埋藏在地下几百米、上千米甚至超过万米的岩层中。

为了寻找油气藏，开采石油天然气，需要钻井，需要一整套俗称钻机的钻井机械及设备。

而钻井井架又是石油钻机的重要组成部分，用于安放天车、游车大钩等起升设备与工具，承受起下钻、下套管及其他作业产生的载荷，提供起下钻及存放管柱操作的高度与空间，是一大型复杂的金属钢架结构，其杆件多、受力复杂，。

近年来，随着不同地貌条件和地质条件下的油气天的勘探开发，以及钻井深度的不断增加，国内外正在不断地设计功能更强、自动化程度更高的各种钻机，这对井架的强度、刚度及稳定性的要求会越来越高，同时提高可靠性，降低成本，对井架进行优化设计变的越来越重要，因此针对这种现状本文将对此进行设计研究井架结构组成1）井架主体：空间桁架结构，是承受载荷的支柱和安放其他设备的基础，通常上部截面小，下部截面大，钢件之间采用焊接或螺栓连接；2）天车台：用于安置天车和天车架，位于井架顶部；3）二层台：包括井架工进行起下操作的二层台，以及存靠立根的指梁；4）立管平台：固定立管和安装、拆卸水龙带的工作平台；5）工作梯：井架工上下井架的通道；6）天车架：安装和维修天车之用7）人字架：起落井架之用，起升后作为井架整体的一部分；井架的基本类型目前国内外钻机井架主要有塔型、前开口型、A型、桅型等结构形式，其主要特点如下：1. 塔型井架特征：1）井架本体是封闭的整体结构，整体稳定性好，承载能力大；2）整个井架是由单个构件用螺栓连接而成的可拆结构。

优点：井架尺寸可不受运输条件限制，允许井架内部空间大，起下操作方便、安全；缺点：单件拆装工作量大，高空作业，不安全。

2. 前开口（Π形）井架特征：1）整个井架本体分成4～5段，一般各段为焊接的整体结构，段间采用锥销定位、螺栓联接，地面或接近地面水平安装，整体起放，分段运输；2）受运输尺寸限制，井架本体截面尺寸比塔型井架小；3）采用人字架起升，之后人字架成为井架本体的一部分；4）一般采用液压千斤顶调整井架位置，对正井眼中心。

优点：水平拆装，整体起放，分段运输，运移性好。

缺点：承载能力和总体稳定性相对于塔型井架略有下降，内部空间比塔型井架小。

3. A形井架特征：1）两根大腿通过天车台、二层台及附加杆件连成“A”字形采用撑杆或人字架支撑；整个井架在地面或接近地面水平组装，整体起放，分段运输；2）大腿可以是空间杆件结构或管柱式结构，其断面依所选用型材不同，一般分为矩形（角钢）和三角形（管材）优点：A形井架的每根大腿都是封闭的整体结构，承载能力和稳定性好。

缺点：因仅有两腿，且腿间联系较弱，井架整体稳定性不理想。

4. 桅形井架由一节或几节杆件结构或管柱结构组成的单柱式井架，有整体式和伸缩式两种；一般采用液缸或绞车整体起放，整体或分段运输；工作时向井口方向倾斜，需利用绷绳保持其结构的稳定性；结构简单、轻便，一般只用于车装轻便钻机和修井机（承载能力小）。

例如：XJ250修井机用的就是Π形伸缩式桅形井架。

5. 动力井架安装于海上浮式钻井装置上，因设计计算时必须计入动力载荷，通称为动力井架；一般是塔架或前开口井架，必须有控制游车运行的导轨。

井架的基本参数井架的基本特性参数主要包括最大钩载、井架高度、二层台容量、井架的抗风能力及理论自重等。

1 最大钩载最大钩载是修井机的主参数。

井架的最大钩载是指定绳固定在指定位置，用规定的修井绳数，在没有风载和立根载荷的前提下，井架所能承受大钩的最大起重量。

在此最大钩载中包括游车、大钩和游绳的重量，这一参数表明井架承受垂直载荷的能力。

2 井架高度井架高度指的是井架大腿支脚底板底面到天车梁底面的垂直距离，但这个参数并不能完全反映井架提供游动系统操作空间高度的指标。

为了表明游动系统可上下运动的空间，规定了井架的有效高度，其定义为:钻台面到天车梁底面的垂直距离。

3 二层台容量二层台容量是指在二层台内所能靠放的钻杆、油管的数量，通常以一定尺寸的钻杆、油管的总长度表示。

二层台指梁应能满足存放钻进到名义井深时所需要规定尺寸的全部立根，所以二层台容量主要取决于指梁的包围面积S，在指梁高度确定后，有效面积S就可根据所要存放的立根数和钻杆直径(取接头直径)计算确定。

考虑处理事故及附加作业需要，应在理论计算的基础上增大15%。

4 井架的最大抗风能力井架的最大抗风能力是指井架在一定工况下抵抗最大风载荷的能力，常用Km/h表示。

井架的国内外研究现状本世纪初到40年代，世界上几乎全部石油钻机都采用塔形井架。

这种井架的安装和搬迁工作量大，高空作业危险性大，因此逐渐趋于被淘汰的境地。

，但从70年代以来随着海洋钻采工程的发展，这种井架又显示出承载能力大、稳定性好的优势，在当代海洋钻井中己占绝对优势。

A形井架是美国艾迪科公司在1948年开始研制的一种自升式井架。

由于具有视野开阔、钻台空间大、整套井架低位水平安装及整体起升等优点，这种井架很快被广泛采用。

美国李西莫尔公司在1939年研制出K型井架后，即被各国钻井公司广泛采用.美国十多家井架制造公司生产这种井架。

当前世界上从事钻机井架生产的国家除俄罗斯、罗马尼亚及西德部分生产A形井架外，其余国家的陆地井架全部为K形井架。

70年代以前高位装K形井架独占鳌头。

但70年代以后低位装K形并架发展很快，并出现了与之配套的旋升式底座，井架在钻台下面的部分为井架和底座所共用。