基于优化的在役石油井架承载能力检测仿真研究

摘要

受环境及搬迁影响，石油井架在使用一段时间后会产生多种缺陷，致使承载能力下降，标准规定须进行承载能力检测。目前的检测由于受井架较高、攀爬危险等因素影响，其应力检测布点测量部位集中在位置较低层面。对于使用多年且存在缺陷(特别是较严重缺陷)的井架来说，其测试获得的数据可能不是井架最危险、受力最大的部位，用此数据作基础进行评估计算难免带来误差。
　　 为建立与在役石油井架等效的仿真模型，探索井架各类型缺陷对其受力状况的影响，提高模型与实测井架之间应力、损伤缺陷状况等数据的吻合精度，获得在役井架现场承载能力。本文依托有限元分析计算基础，建立了无损伤缺陷井架受力计算模型并进行了仿真分析，得到无损伤缺陷井架受载时应力分布规律，再以仿真分析井架存在局部杆件截面锈蚀、弯曲、大腿整体弯曲及支座沉降等缺陷时井架应力分布特点为基础，提出一种基于井架杆件实测应力与仿真模型应力数值的均方差构建的优化目标函数，以井架缺陷类型、位置、程度等参数为设计变量，杆件材料的许用应力为约束条件，运用ANSYS零阶和一阶优化算法的模型修正方法。将此方法应用于含损伤缺陷的仿真井架和实验井架，对井架有限元仿真模型进行修正后，通过提取测点处杆件应力，对比实际井架和修正后井架的损伤状况及应力分布，相对误差在10％左右。表明该方法用于钻井井架结构极限承载能力评定是可行和有效的，为钻机系统的安全运行提供了重要参考依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1前言

1.2项目研究的目的意义

1.3国内外研究现状及趋势

1.4研究的主要内容

1.5研究的关键技术

第二章 无损伤缺陷石油井架有限元分析技术

2.1有限元分析软件

2.2有限元建模基础

2.2.1单元类型选择

2.2.2单元理论基础

2.2.3 ANSYS的坐标系

2.2.4梁单元BEAM4坐标系

2.4.5实常数定义

2.3有限元模型分析计算

2.3.1石油井架有限元计算的几何模型

2.3.2石油井架有限元计算实常数定义

2.3.3建立节点和定义单元

2.3.4有限元计算的边界条件

2.3.5结果后处理

2.3.6模型参数化技术与APDL语言

2.4无损伤缺陷井架受力计算

2.4.1井架技术参数

2.4.2模型简化方案

2.4.3建立井架仿真模型

2.4.4仿真计算结果

2.5有限元建模与分析主体程序

2.6小结

第三章 含损伤缺陷K型井架有限元分析

3.1损伤缺陷模型的建立及APDL程序实现

3.1.1杆件局部锈蚀

3.1.2杆件局部弯曲

3.1.3井架整体弯曲

3.1.4支座沉降

3.2各损伤缺陷对井架大腿受力的影响分析

3.2.1截面锈蚀缺陷对井架大腿受力的影响分析

3.2.2局部杆件弯曲缺陷对井架大腿受力的影响分析

3.2.3井架整体弯曲缺陷对井架大腿受力的影响分析

3.2.4井架支座沉降缺陷对井架大腿受力的影响分析

3.3小结

第四章 含损伤缺陷井架有限元模型修正技术与承载力研究

4.1有限元模型修正方法及优化理论

4.1.1有限元模型修正方法

4.1.2零阶优化算法

4.1.3一阶优化算法

4.1.4有限元优化分析的流程与APDL实现

4.2实验室K型井架实验

4.2.1实验井架参数

4.2.2实验井架应力测试

4.3含损伤缺陷的参考仿真井架模型修正与承载力计算

4.3.1含损伤缺陷的参考仿真井架模型修正

4.3.2含损伤缺陷的参考仿真井架模型承载力计算

4.4含损伤缺陷的实验井架模型修正与承载力计算

4.4.1含损伤缺陷的实验井架模型修正

4.4.2含损伤缺陷的实验井架承载力计算

4.5小结

第五章 含损伤缺陷在役井架模型修正与承载能力评估

5.1现场井架基本参数

5.2现场井架应力测试方案

5.3现场井架应力测试数据

5.4基于现场井架应力测试数据的仿真模型修正

5.5现场井架承载能力计算

5.6小结

第六章 结论

6.1课题主要结论与成果

6.2课题下阶段研究建议及展望

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介