海洋钻机井架振动检测及评估——以ZJ50_3150DB钻机为例

石油勘探与开发
2013年2月PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.40 No.1 117
文章编号：1000-0747(2013)01-0117-04
海洋钻机井架振动检测及评估
——以ZJ50/3150DB钻机为例
胡军1，唐友刚1，李士喜2
（1. 天津大学建筑工程学院暨港口与海洋工程教育部重点实验室；2. 法利科瑞成（天津）安全技术有限公司）
摘要：渤海某海洋平台配置的ZJ50/3150DB海洋钻机在钻井作业时井架振动幅度较大，为了评估井架在钻井作业时的安全性，对井架进行了振动检测，并建立了井架结构有限元模型，结合现场检测数据和模型计算结果分析井架振动对井架结构安全的影响。

分别进行了井架固有频率检测、钻进作业工况井架幅频响应检测、井架振动幅值检测和井架振动加速度检测；依据井架图纸及现场井架实际情况，采用ANSYS软件建立了井架结构有限元模型。

使用该模型计算出的井架第1阶固有频率为0.555 8 Hz，与现场检测结果较吻合，验证了模型的正确性。

分析现场检测数据和模型计算结果发现：顶驱转速为36 r/min时，井架易发生共振；井架C型开口抗扭强度低；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；各种工况下的井架振动和顶驱通过二层台时引起的井架冲击振动均符合安全要求。

图3表3参10
关键词：海洋钻机；井架；振动检测；有限元模型；振动评估
中图分类号：TE923 文献标识码：A
Vibration test and assessment for an ocean drilling rig derrick:
Taking the ZJ50/3150DB drilling rig as an example
Hu Jun1, Tang Yougang1, Li Shixi2
(1. Key Laboratory of Harbor & Ocean Engineering of Ministry of Education, School of Civil Engineering, Tianjin University,
Tianjin 300072, China; 2. BV-BOSUN (Tianjin) Safety Technology Co., Ltd, Tianjin 300201, China)
Abstract:The rig derrick of a ZJ50/3150DB drilling rig in an offshore jacket platform located in the Bohai bay vibrates obviously when drilling. In order to assess the safety of the derrick when drilling, vibration test for the derrick was carried out and a finite element model of the derrick was built to analyze the impact of vibration on the derrick’s structure safety, in combination of the field test data with the calculation results got using the model. Natural frequency, amplitude-frequency response when drilling, vibration amplitude and vibration acceleration of the derrick were tested. Based on the derrick drawing and field situation, the finite element model of the derrick structure was built using ANSYS software. The first-order natural frequency of the derrick calculated using the model was 0.555 8 Hz, which coincided with the filed test data and proved the validity of the model. The analysis of the field test data and the calculation results, show, the derrick is resonance-prone when the rotation speed of the top drive is 36 r/min, the derrick C-style opening has low torsional strength, the two front brace rods of the derrick substructure are crucial components that concern the derrick safety, and derrick vibrations under different working conditions and shock vibration happening when the top drive passing by the monkey board meet safety requirements.
Key words:ocean drilling rig; derrick; vibration test; finite element model; vibration assessment
0 引言
渤海某海洋平台配置一台ZJ50/3150DB海洋钻机，在钻井作业时该钻机井架振动幅度较大。

为了评估井架在钻井作业时的安全性，对井架进行振动检测，并建立井架结构有限元模型，分析井架振动对井架结构安全的影响。

钻机井架振动检测及评估工作分为2个阶段。

第1阶段：运用振动检测仪器，在不同钻井工况下，现场采集井架振动数据，分工况记录作业载荷、立根存量、环境条件、振动幅值、振动加速度等参数，计算、分析该钻机的固有频率及在不同工况下的振动特性，为后续井架振动评估提供数据[1-2]。

海洋钻机受外界环境条件影响，其中风力的影响最显著，为了考虑外界环境条件对振动检测的影响，采用风速仪等记录现场环境条件。

第2阶段：依据井架图纸及现场井架实际情况，建立井架结构有限元模型，结合现场振动检测数据分析振动对井架结构安全的影响。

1 钻机井架参数
ZJ50/3150DB海洋钻机井架为直立套装自升式结构，主要由井架本体、井架底座、井架支撑、二层台、
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套管扶正台（可升降液压式）、梯子（带有护栏及安全逃生装置）、天车防碰装置（包括天车防碰减速装置）、提升装置和井架附件等组成[3]。

井架配置了YC315分体式游车、DG315大钩、SL450水龙头、DQ350顶驱系统、JZ340卧式死绳固定器等设备[3]。

ZJ50/3150DB 海洋钻机井架的主要参数[3]如下：钻井深度，即使用127 mm（5 in）钻杆时钻达深度，5 000 m；最大钩载，3 150 kN；井架有效高度，46 m；钻台高度，9 m；空立根、空载荷条件下最大抗风能力47.8 m/s，满立根、空载荷条件下最大抗风能力36.0 m/s；满立根、最大钩载条件下最大抗风能力21.6 m/s；钻进作业条件下最大抗风能力27.2 m/s。

2 钻机井架振动检测
振动检测设备由CA-YD-109A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。

共有8个测点，分别布置在井架基座、小平台及二层台。

采用振动检测设备分别进行了井架固有频率检测、钻进作业工况井架幅频响应检测、井架振动幅值检测和井架振动加速度检测。

2.1井架固有频率检测
由于井架固定在采油平台甲板上，进行井架固有频率检测时，仅考虑因顶驱上提下放引起的井架激振，可以最大限度地排除采油平台自身固有频率对检测结果的影响。

图1为ZJ50/3150DB海洋钻机井架固有频率的检测结果。

由图1a可知，井架沿平台北方向的固有频率为0.537 0 Hz，此时功率谱密度最大，为0.033 00 mm2/s；由图1b可知，井架垂直于平台北方向的固有频率为0.586 0 Hz，此时功率谱密度最大，为0.001 56 mm2/s。

图1 井架固有频率检测结果
2.2 钻进作业工况井架幅频响应检测
根据结构力学理论，当井架的受迫振动频率接近固有频率时，振动幅值将出现峰值，即引起井架结构共振[4]。

从钻进作业工况的幅频响应曲线图（见图2）中可以看出：频率为0.586 0 Hz时振动幅值最大，为9.43 mm。

图2 钻进作业工况下井架幅频响应曲线图2.3井架振动幅值检测
为了分析不同工况对井架振动的影响，对不同工况下ZJ50/3150DB海洋钻机井架的振动幅值进行了检测。

根据不同工况下井架二层台处的最大振动幅值（见表1），不同工况对井架振动的影响程度由强到弱依次为：8级风、钻进作业、下钻柱作业、起钻柱作业；钻进作业是井架因钻机自身作业导致的振动最大的工况。

表1 不同工况下井架二层台处的最大振动幅值
最大振动幅值/mm
振动方向
起钻柱下钻柱钻进8级风沿平台北方向 3.58 6.60 9.44 24.00
垂直于平台北方向 2.42 4.42 4.43 24.58 2.4 井架振动加速度检测
现场检测发现，顶驱快速通过二层台时，井架振动存在明显的冲击效应。

为了分析冲击效应对井架结构的影响，对顶驱快速通过二层台时井架的振动加速度进行了检测。

检测结果（见表2）表明：顶驱快速通
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表2 顶驱快速通过二层台时井架振动加速度检测结果
振动加速度/（m ・s −2
）
满立根 半立根 空立根
振动方向 最大值 平均值 最大值 平均值 最大值平均值沿平台北 方向 1.23 0.52 2.03 1.28 2.02 0.76 垂直于平台北
方向
1.41 0.67 3.79 1.49
2.43 0.92
过二层台引起的冲击效应与立根存量有关，半立根状态时井架的振动加速度最大。

3 井架振动评估模型与评估结果分析
受环境条件（如风等）的限制，现场振动检测可以检测的工况有限。

因此，建立了井架结构有限元模型，结合模型计算结果和振动检测数据评估钻井作业时井架结构的安全性。

3.1 井架结构有限元模型
依据井架图纸及现场井架实际情况，采用ANSYS 软件建立了井架结构有限元模型。

①井架本体为刚架结构，各杆件之间焊接可靠，
不发生相互窜动现象，为刚性连接。

因此，采用BEAM188单元模拟井架本体[5]。

②井架底座采用SHELL181单元进行模拟[5]。

井
架本体底部与井架底座不发生相对移动或转动，井架底座为固定支座。

井架本体底部与井架底座间的销连接采用简支方式模拟
[6-7]。

③一些较小的井架附属结构不采用具体单元进行模拟，其重量及风力等因素统一计入整体保守系数。

④井架载荷按载荷所对应的位置，用面载荷、线载荷和集中载荷模拟，平台结构自重由程序自动生成。

对动力分析有影响的设备载荷、立根载荷等用质量单元MASS21模拟[8]。

3.2 井架固有频率
井架自振分析一般计算其前10阶固有频率[9]，实际检测受检测设备和条件限制，一般只能检测井架第1阶固有频率。

根据现场检测结果，ZJ50/3150DB 海洋钻机井架不同方向的第1阶固有频率分别为0.537 0 Hz （沿平台北方向）和0.586 0 Hz （垂直于平台北方向）。

使用井架结构有限元模型计算的第1阶固有频率为0.555 8 Hz 。

现场振动检测结果与模型计算结果较吻合，说明建立的模型能够反应井架结构实际。

ZJ50/3150DB 海洋钻机井架使用天意DQ350 顶驱系统，转速范围为0～180 r/min 。

当顶驱转速为36 r/min （即转动频率为0.600 0 Hz ）时，由于顶驱转动频率接近井架固有频率，易发生共振。

3.3 井架固有振型
采用井架结构有限元模型计算了井架前5阶固有
振型，结果表明：1阶振型为整体扭转（见图3a ）；2
阶振型为井架中段以上整体沿平台北方向弯曲（见图3b ）；3阶振型为错层弯曲（见图3c ）；4阶振型为井架沿垂直于平台北方向弯曲（见图3d ）；5阶振型为井架
自身扭转（见图3e ）。

井架1阶振型为整体扭转，说明井架C 型开口抗扭强度低；2阶振型为井架中段以上整体沿平台北方向弯曲，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。

3.4 井架振动幅值
采用井架结构有限元模型计算了不同工况下井架二层台处的最大振动幅值（见表3）。

8级风工况下，井架二层台处沿平台北方向和垂直于平台北方向的最大振动幅值计算值分别为31.26 mm 和38.92 mm ，现场实际检测的结果分别为24.00 mm 和24.58 mm 。

由于模型计算值大于现场检测结果，使用模型计算值校
图3 井架前5阶固有振型
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核8级风工况下井架杆件的UC值（根据ANSI/AISC 360-05[10]得到的杆件受压、受拉、弯扭组合工况许用
应力值）。

计算出的UC值小于1.0，符合ANSI/AISC 360-05的要求。

因为其他各工况的最大振动幅值均小
于8级风工况的最大振动幅值，则各种工况下井架结
构的振动都符合安全要求。

表3 不同工况下井架二层台处的最大振动幅值计算值
最大振动幅值/mm
振动方向
起钻柱下钻柱钻进8级风沿平台北方向 4.47 6.87 13.27 31.26 垂直于平台北方向 3.72 5.01 4.97 38.92 3.5顶驱快速通过二层台的冲击效应分析
根据现场检测结果，半立根状态时顶驱快速通过
二层台引起的井架冲击振动最大。

此时，结合现场检
测得到的井架振动加速度，使用井架结构有限元模型
计算出的井架结构最大UC值为0.68，小于1.0，符合ANSI/AISC 360-05的要求。

因此，顶驱快速通过二层
台引起的井架振动符合安全要求。

4 结论
对ZJ50/3150DB海洋钻机井架进行了井架固有频
率检测、钻进作业工况井架幅频响应检测、井架振动幅
值检测和井架振动加速度检测，结果表明：井架沿平台
北方向和垂直于平台北方向的固有频率分别为0.537 0 Hz和0.586 0 Hz；频率为0.586 0 Hz时井架振动幅值
最大，为9.43 mm；不同工况对井架振动的影响程度由
大到小依次为：8级风、钻进作业、下钻柱作业、起钻
柱作业，钻进作业是井架因钻机自身作业导致的振动最
大的工况；顶驱快速通过井架二层台引起的冲击效应与
立根存量有关，半立根状态时井架的振动加速度最大。

依据井架图纸及现场井架实际情况，采用ANSYS
软件建立了井架结构有限元模型。

分别采用BEAM188
单元和SHELL181单元模拟井架本体和井架底座；井
架本体底部与井架底座间的销连接采用简支方式模拟；较小的井架附属结构的重量及风力等因素统一计
入整体保守系数；井架载荷按载荷所对应的位置，用
面载荷、线载荷和集中载荷模拟；平台结构自重由程
序自动生成；对动力分析有影响的设备载荷、立根载
荷等用质量单元MASS21模拟。

使用该模型计算出的井架第1阶固有频率为0.5558 Hz，与现场检测结果较吻合，验证了模型的正
确性。

顶驱转速为36 r/min时，其转动频率接近井架
固有频率，井架易发生共振。

采用井架结构有限元模型计算了井架前5阶固有振型，结果表明：井架C型开口抗扭强度低；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。

采用井架结构有限元模型计算了不同工况下井架二层台处的最大振动幅值和顶驱快速通过二层台时井架的最大UC值。

结合模型计算结果和现场检测数据进行分析发现：各种工况下的井架振动和顶驱通过二层台时引起的井架冲击振动均符合安全要求。

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第一作者简介：胡军（1982-），男，安徽舒城人，天津大学建筑工程学
院在读博士研究生，主要从事船舶与海洋工程结构动力学和风险评估等方面
的研究工作。

地址：天津市河西区友谊路5号北方金融大厦19层，法利科瑞
成（天津）安全技术有限公司，邮政编码：300201。

E-mail: bosun_hj@ 收稿日期：2012-03-19修回日期：2012-11-24
（编辑胡苇玮绘图刘方方）
石油勘探与开发版 权 所 有。