石油钻机井架及底座安全性分析

石油钻机井架及底座安全性分析

摘要：随着石油行业的发展，目前我国对石油的开采日渐娴熟，石油钻机的

井架与底座作为石油在野外进行开采的重要部件，不仅工程状况更多，受力更加

复杂，还属于石油钻井的核心结构，为了保障井架和底座的安全性，避免发生杆

件变形、焊缝开裂等现象，需要对石油钻机井架及底座的设计安全性进行分析，

为相关工程提供参考，也为井架和底座的设计提供借鉴。

关键词：井架设计；底座设计；安全性

引言：石油钻机的井架及底座是位于整个钻机下部的重要构件，其主要作用

是支持井架并构成钻台，实现井口装置的安装与操作。目前有多种井架被应用在

石油钻机中。例如桅形井架、多节自升式井架等。井架还用于悬挂各种泥浆循环

设备，承担下钻、下套管、打捞等作业载荷，所以需要对其安全性进行分析设计。

一、石油钻机井架及底座设计分析

（一）石油钻机井架及底座安全分析现状

在很多石油作业中，井架安全性的评估一般是根据设计参数来确定

是否满足作业要求。在具体安全性分析中，井架结构一般存在两个调整点，载荷

在经过第二个调整点时，大载荷的响应值会出现剧增现象，这种现象就是钻机结

构失稳的表现，所以可以利用此时的载荷值来判断钻机结构的安全性。井架的设

计一般以工作应力为设计基础，在对新设计的井架进行安全分析时。往往局限于

总体分析，没有针对井架的各个部件进行分析。井架安全性分析是一项系统性的

工作，不仅需要考虑井架的整体结构，例如井架形式、与底座的连接方式、起放

方式等，更需要对其内部构件的连接细节进行分析。最后还要考虑附属设备的安装。对于不合适的连接结构，需要注意其对结构安全性的影响。局部强度的校检

需要针对各种承担较大载荷的焊缝进行参数分析，对于因焊缝开裂及连接点松动

需要额外注意，因为此类现象很容易产生井架安全事故[1]。

（二）石油钻机井架及底座设计的重要性

石油钻机井架作为石油开采作业中的重要组成部分，在钻机进行作

业时需要承受钻柱、套管等部件系统的载荷。因此可以说石油钻机井架的质量影

响着石油开采作业的效率，并且底座的支撑性能也是井架能否正常工作的重要因素。为了能顺利进行石油开采工作，井架及底座的设计必须具有足够的承载能力。目前我国各个油田的钻机井架多种多样，其中K型即前开口形井架应用最为广泛，其结构紧凑、稳定性优良、刚度优秀，在石油钻机上使用效果较好。根据石油钻

机的作业不同，井架使用工况的重要性也不同。例如在吊装、整体起升、井架作业、等候作业中，井架的使用都是具有关键性作用的，但是在运输、井架伸出、

井架保全、地震环境中的重要性较低。

二、石油钻机井架及底座设计安全性探究

（一）确定设计原则及基本参数

在进行石油钻机井架及底座的设计前，需要确定其设计准则及相关

要求。例如《石油天然气工业钻机和修井机》《钻井和修井结构规范》等，并确

定其设计适用的环境参数。以DZ585/12-X底座、JJ585/48-K井架、TC585天车

的技术设计为例，该井架结构设计的适用环境温度为-20℃~+55℃。环境湿度

≤95%（+20℃），在设定好的风速中进行计算，风速也需要进行分层确定，例如

预期工况、非预期工况、工作工况。还需要根据实际石油开采环境来选择井架结

构所使用的钢材。其次需要确定井架的基本参数。首先根据其使用材料确定最大

额定静载荷。静载荷的定义是无风载、无立根。除此之外，加速度或冲击载荷、

排放立根、抽油杆都会影响该数值，需要注意。需要确定井架的有效高度好上下

开档的高度，方便后续其他附属设备的使用。底座则需要确认钻台高度、钻台面积、净空高以及转盘梁负荷，同时需要对配套井架最大静钩载进行测量[2]。

（二）计算方案与结构说明

首先需要确定整体结构，天车与井架采用螺栓连接，天车梁主型材采用

Q460D，可以有效减轻天车的重量。井架则采用无绷绳的k型井架。井架的主体

有左、右两段与背横梁、斜拉杆组成前开口整体式钢架结构。井架的主腿材料使

用的是材质为Q460ND和Q355D的焊接H型钢，段与段之间采用平面接触的方式

进行连接。其余连接则采用双销子连接方式，这样的井架结构整体刚性更加优良，结构也更加紧凑。底座采用大人字架旋升式结构，并分为上、中、下三层，下层

主要是基座和连接架，中层则为连接旋转立柱，上层则包括立根台，左右上座等。

在计算方式上选择建筑钢结构有限元分析软件进行计算，采用图形用户交互

方式建立相关模型，然后在加载出来的模型上进行计算。例如对于井架，可以直

接建立其有限元模型，使用软件提供的单元库，也可以自定义单元截面，然后进

行计算分析。

（三）结构稳定性与总体位移分析

井架结构的稳定性除了从使用的材质与类型进行判断，也可以通过载荷的变

化进行计算分析。例如当结构的承载力达到某一个极限值时，会出现一个微小的

载荷增量，这就意味着井架的结构平衡出现了变化，这种情况被称为结构失稳或

结构屈曲，可以通过计算来确定屈曲的参数标准，传统的井架安全性测试需要大

量的计算，但是利用有限元分析软件就可以得出具体参数。在实际安全性测试中，井架的整体稳定性需要参考很多因素。例如结构本体材料的屈服强度、材料本体

材料的冲击值等这些参数都需要满足应用环境要求[3]。

结构总体位移分析也需要经过计算才能确定是否符合使用需求，但是目前没

有明确的相关标准来决定位移数值，所以会根据其他载荷标准组合来确定其具体

使用数值，需要注意的是，在计算过程中需要将井架作为一个整体看待。

（四）井架和底座的载荷分析

在针对井架和底座的模型参数计算时，需要对其进行处理。由于整

体结构是由天车、井架、底座等组成，为了方便对其进行有限元分析，首先需要

对井架的钢结构进行确认，确保井架各杆件之间连接的可靠性，底座下平面的个

点采用弹簧连接，地面给予基座纯压力支撑，并且需要设定好地面无法对底座施

加拉力。二层台与天车在建模时需要与井架合为一体，在进行建模处理时将其作

为一个整体。其余部件都通过天车作用在井架上。立根考利和立根风力通过二层

台作用在井架上。而一些附件，例如梯子总成、大钳平衡重、套管扶正台等在建