车载式不压井修井机井架系统的分析与仿真

发布时间：2016-07-15 08:58

第 1 章 绪论 

1.1 不压井技术简述 
由于压井作业往往给产层带来大量的污染问题，严重的情况甚至能导致底层的油气通道堵塞，从而导致油气的产量降低。尤其是水平井以及天然气井，压井会给产量带来尤为恶劣的影响，结果使资源的开采以及后期的持续性发展都带来了极大的不利。因此为了解决这个问题就需要用一种更先进的技术来解决井下作业，不压井技术或称带压技术可以很好地处理在修井作业时因为压井技术的弊端而引起产量减少的问题，不但大大提高了作业效率，还使得作业的周期缩短，并将有关地层的准确信息及时地反映出来，为油田环境的保护以及产量的提高带来了新的解决方案[1]。 不压井作业技术是指油气井不压井、不放喷井内存在压力的情况下，对油气井强制进行作业和检修的一种方法。不压井作业的优点非常明显，比如降低压井液对石油产层的污染，提升油田作业中的采出率，使地层的压力更稳定以及提供良好的作业环境，最重要的是对油田后期的产量的提升起到了重要的作用，由于这些明显的优势，不压井作业技术也得到的广泛的发展与应用[2-3]。 不压井作业技术能够有效地处理传统作业方式带来的问题，该项技术的特点在于能够在带压的条件下进行修井作业，因此解决了由压井液对地层造成污染的问题，从而提高了油气的产量和开采上限。另一方面，因为不压井作业技术不需要利用压井液，所以使得地面的环境得到了控制，有利于油田的可持续性发展，不但使开采所需成本降低，同时又满足了 HSE 要求。最早提出的带压作业的实际情况是指在起下管柱或者井下工具时满足井口带压的条件，即一般来讲的不压井作业。上世纪三十年代在美国的奥迪斯公司设计出了机械式带压作业[3]。五十年代时的布朗公司开发出了第一台不压井液压装置[4]。八十年代时美国 LTD 公司研发了出了有着高机动性的，作业灵活的车载式不压井修井机。车载式不压井修井机的这些优势使得带压作业时变得更加安全，灵活，进一步加速了不压井作业技术的发展进程[5]。随着与带压技术相关的各项周边技术的发展，不压井技术也给其它领域带来了发展，例如压裂酸化、带压完井、欠平衡钻井等领域。当今的北美市场已经将不压井技术及对应的设备发展到了极致，与不压井技术相关的各类辅助式设备，独立式设备都非常完善。与其配套使用的工具也非常齐全，能够符合不同条件下的开采，包括陆地与海洋当中的气井、油井和水井等。 
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1.2 不压井技术发展概况
我国早在上个世纪五六十年代中曾经研发出国一种需要使用钢丝绳的不压井设备，工作时需要使用一般的通井机来起下管柱，再利用自封式封井器将讲油套环密封。几年后，第一台撬装液压式不压井作业设备在大庆油田的多年努力下研制出来了，但是因其对操作人员有着极高的要求，且劳动强度很大，在安全性上达不到标准，最终导致该产品没有被大范围使用。 到了七十年代，四川使用管理局钻采工艺研究所研发出了两种修井装置。一种是被称为 BY3D-2 型的不压井起下作业设备，其可以克服井内的顶力可达 294kN；另一种是被称为 BYXT15 型的不压井起下作业设备，其可以克服井内的顶力可达 144kN。这两种设备比较适用于井口压力为 5~7Mpa 的情况。 到了八十年代时，吉林油田根据实际项目，针对井口压力小于 6Mpa 的环境，开发出了一台车载式液压型的不压井修井机，能够将最大提升力提至 700kN。最终因其在密封方面有严重的问题给系统本身带来了致命性的打击。虽然该设备进行了六十余次的作业，但还是没有继续在吉林油田中使用也没有在其他地方得到推广[6]。改革开放过后，华北荣盛公司通过不断对国外的技术反复研究，最终在已有技术的基础上研制了一种液压型作业装置。随后经过吉林油田和辽河油田将该设备进一步优化。该装置在改进后的最大提升能力可达 700kN，能够针对 14Mpa 上下的井压进行起下油管的工作[6]。现在我国在不压井技术的研究程度上仍然处于起步状态，虽然有承载压力小于14Mpa 的不压井作业设备已经被研发出来，但是在得到广泛应用之前，还有一系列的问题需要解决，目前在不压井技术方面还有很多欠缺，而针对高压井的不压井设备方面的研究更加稀缺。 
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第 2 章 井架系统静力学分析的理论基础

2.1 井架有限元分析原理
在针对井架系统的载荷能力的计算分析时，有限元法是现代一种较为优秀的结构分析方法，该方法能够直观地反映出井架系统在工作时得到真实载荷情况。相比一般机械机构，井架系统的结构更加复杂多元化，因此需要利用有限元这样的方法将井架的结构离散化，分离成个数有限且形状简单的小单元体。以井架的重要组成单元，梁类杆件为例，，将一根梁等同于一个单元，那么通过多个单元的组合就能够组成一个井架。不同的单元通过来自内部或来自外部的载荷相互作用，从而得出单个单元的受力或变形情况，再进一步分析井架系统的特性。如果继续将梁单元细分，使整个井架系统中的单元数量变得更多，这样就会使最终分析的结果更精确，因此也利用到了ANSYS 软件划分网格的功能。在计算机技术迅猛发展的今天，有限元法是分析复杂结构的必要手段之一[26-28]。在软件分析技术全面革新，计算机得到迅猛发展的今天，机械工程师们可以更加有效且准确地模拟出所需要的分析数据，这便是有限元分析软件所带来的结果。目前比较主流的分析软件有 I-DEA、ADINA、ANSYS 和 FEAS 等。而本论文使用的有限元分析软件是 ANSYS14.5，该软件兼具线性分析功能与非线性分析功能[27]。 ANSYS 是一款集合了四大研究方向的有限元分析软件，其中包括结构、电磁场、流体、声场等经常需要有限元分析的领域。作为全球最优先的有限元软件分析公司，美国 ANSYS 公司经过多年的努力与实践，终于开发出了这款能被广泛应用的分析软件。ANSYS 的优势在于能够和多款 CAD 软件互通，将生成的文件与数据用在其他软件中，例如 UG，Pro/E 等，因此也成为了当今产品设计领域中必要的 CAD 软件[28]。 
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2.2 结构静力分析原理 

在线性有限元平衡方程的推导过程中，应用了弹性力学的基本方程及虚功原理。弹性力学中的二个基本方程分别是几何方程和本构方程，下面分别对这些方程作出简单介绍，从方程的推导过程中理解线性有限元法的平衡方程。几何方程是描述结构的应变函数和位移函数之间关系的方程，在经典弹性理论中假定结构的位移、转动和应变是很小的，而且在结构变形时载荷方向不变，从而得到线性的几何方程[31]。根据修井机井架的结构，本文选用单元 BEAM188 作为各杆件的基本单元。BEAM188 为三维线性有限应变杆单元，适合分析从细到中等短粗的杆结构，均基于铁木辛哥杆结构理论，并都考虑了剪切变形的影响。这种单元在每个节点上有 6 个自由度，其中，线位移自由度包括  1 个轴向位移及  2 个平面内外的横向位移，转动自由度包括  1 个扭转角和  2 个弯曲转角自由度。一个节点具有 6 个杆端力（矩）分量，即 3个杆端力分量和 3 个杆端力矩分量，因此，其单元刚度矩阵应是一个 12×12 矩阵[33-35]。 一般情况下，每个 BEAM188 单元由 I，  J，K 三个节点组成，其中，I，J 节点分别为单元的起始和终止节点，K 节点为参考节点，用于确定单元坐标系，从而确定单元的截面参数。BEAM188 单元比之于其他简单的杆单元，ANSYS 赋予其强大的截面定义功能，无需用户再输入实常数来定义截面特性，同时用户也可以根据需要来自定义截面形状，通过 CAD 软件绘制二维截面，然后导入到  ANSYS  软件的 BEAM188单元自定义截面中，这样用户就可以对复杂截面杆件进行建模分析。

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第 3 章 井架系统的总体设计 ...... 18
3.1 井架的设计要求........ 18 
3.2 修井架的设计.... 18 
3.3 本章小结 ........... 22 
第 4 章 井架系统支撑部件的力学分析 ...... 23 
4.1 井架系统的刚体动力学分析 ........... 23 
4.1.1 井架系统移运过程中的受力分析与运动副的建立....... 23 
4.1.2 井架系统刚体动力学有限元分析的建模....... 27 
4.2 井架系统液压缸的有限元分析 ....... 30 
4.3 井架系统锁紧环的有限元分析 ....... 45 
4.3.1 锁紧环分析环境的设定........... 46 
4.3.2 锁紧环约束载荷的设定........... 47 
4.3.3 锁紧环的静力学强度分析....... 47 
4.4 本章小结 ........... 50 
第 5 章 井架系统支撑部件的模态分析 ...... 51 
5.1 模态分析的理论基础 ....... 51
5.2 结构的模态计算 ....... 55 
5.2.1 前六阶固有频率....... 55 
5.2.2 液压缸模态分析的前六阶振型....... 55
5.3 本章小结 .... 59 

第 5 章 井架系统支撑部件的模态分析

5.1 模态分析的理论基础
结构模态分析是在结构动态设计的基础。结构的模态是一种由自身决定不受外因素干扰的属性，即是结构材料和结构所固有的特性。一阶模态对应着三种特性，即固有频率，模态振型以及阻尼比。经过对这三种特性，以及结构内部振源和外部振源的分析，能够得知结构在不同状态下的振动情况，并根据所得结果用于设计工程结构，或者排除结构中的设计错误[38]。在子空间迭代法计算中，为了能够计算出的结果更接近真实值的，需要选定一组线性无关的向量用来当做 Ep 子空间的基底。基底的选择在很大程度上会影响近似解的精度，如果选择的基底不理想，便会导致结果的近似值精度很低[41]。所以为了能够更精准的选择基底。模态分析是对动力学分析而言，最为基础的分析之一。本文通过使用有限元分学习软件 ANSYS14.5，针对液压缸在实际工程当中的情况，利用软件中的动力学分析功能，对液压缸进行模态分析。由于在实际工程中发生剧烈振动和破坏的情形往往发生在低阶模态区间，因此在分析中需要计算出液压缸前 6 阶的固有频率以及前 6 阶的主振型。 
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结论 

本文根据车载式不压井修井机的工作情况，针对修井作业对修井机的设计要求，研究并分析了井架系统中的液压缸支撑架以及锁紧环。针对这两个关键部件的设计进行了工作状态下静力学分析与模态分析，为方案的确定建立了基础，并得出以下结论： 
（1）对国内外修井作业工艺进行了充分的调研，并总结了在不压井作业设备上国内外在各方面的差距以及我国修井作业技术在未来的发展趋势。简述了有限元法相比传统现场测试的方法的优势及使用有限元法进行虚拟仿真的意义。 
（2）阐述了有限元法的基本原理以及有限元法分析的基本步骤以及 ANSYS 有限元分析软件及其各领域中的应用。详细说明了井架系统的设计计算基本原理及静力分析原理，最后对修井机结构静力分析以及杆、壳、实体的单元特性进行了简单介绍，为后续对修井机井架结构静力学分析提供了理论依据。 
（3）根据车载式不压井修井机的设计要求，阐述了井架系统整体的设计内容以及在井架系统中关键部件的工作原理，完成了 3D 模型的建立，为后边的静态载荷分析以及模态分析提供了模型依据。 
（4）针对井架系统中重要的支撑部件，液压缸支撑架和锁紧环进行了刚体动力学分析与静力学有限元分析。首先对液压缸支撑架在竖起的过程中进行了受力分析并计算液压缸在竖起与回缩过程中速度，加速度与时间的关系。根据得出的速度与加速度的情况，确定了液压缸可能受力最大的时间点，再根据对应时间点上液压缸的状态进行静力学有限元分析。然后对要分析的两个零件进行了物理建模，添加零件的各类属性，并根据实际情况将模型进行了简化。最后在 ANSYS 软件的帮助下得出了零件的应力云图与应变云图，其液压缸所受的最大等效载荷为212.08MPa，小于屈服极限345Mpa。而锁紧环所受的最大应力为 1.1998Mpa，远小于许用强度 310MPa。其结果显示液压缸和锁紧环在典型工况下均满足工程需要，验证了结构的合理性。 
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参考文献(略)

本文编号：71458