本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）开题报告题 目：12000米钻机井架底座有限元新 模型建立与强度分析 学生姓名： 院 （系）： 机械工程学院 专业班级： 指导教师： 完成时间： 20年 月 日 1.课题的意义 近年来钻机的发展有了长足的进步，以液压盘式的刹车，电动钻机，顶部驱动钻机系统，液压自动钻机为代表的新技术装备成为钻井机械的亮点，而DZ900/12-X底座用于特深井钻机ZJ120/9000DB的配套使用底座，用以安放钻机井架、绞车、转盘及放置立根和钻井工具，提供钻井作业操作的场所和井口装置的安装空间。由于这种钻机与底座的系统中，钻井过程中，底座的振动与井架的振动相互影响，相互耦合，对钻井的质量和钻机都产生一定的影响，因此，研究底座对于结构设计理论，提高设计水平，提供优秀的钻井设备都是有很大的理论意义及现实意义。这些年来，我国的石油装备水平已有了大的提高，特别是钻机工程，为了追求安全，稳定，没有事故发生并且在国际上有好的声誉，我们必须做好做强我们的石油工业，这是关系我国石油事业的大事，我们不能有任何的马虎，认真做好每一个环节，分析任何一种情况。2.国内外研究现状 陆地用的9000m及以上超深井钻机的井架底座而言，底座以弹弓式，旋升式构成的自升式结构为主，少量辅助箱叠式结构。2.1 箱叠式箱叠式结构主要以左右箱座及钻台构件组成，超深井钻机12m高的满足陆上运输，其箱座一般分为四层。箱叠式结构尽管节奏紧促，承载性能及整体稳定性较好，但因高位安装工作量大，尤其是支脚处于较高位置的井架，钻台面的绞车及钻盘等设备均须在高位安装，为此需动用多台大吨位的起吊设备，其安装周期和费用相对较高，另外，井架，绞车这些大吨位设备安装时对台吊车同时起吊的安全性较差，鉴于此，近年在超深井钻机中的箱叠式结构的使用相对较少。2.2弹弓式 弹弓式底座是根据平行四边形机构的运动原理，利用钻井绞车的动力通过游吊系统拉动底座起升大绳或通过专配动力拉动底座起升绳系，使底座及台面设备从低位整体起升到工作位置的结构。该结构的明显优点在于可实现全部高台面工作设备的低位安装，同时因经济爱，人字架支脚及绞车均位于钻台面，使得钻台以下结构比较简捷，但其主要缺点是绞车等设备工作位置及井架支脚均在钻台高位，整机的重心较高，钻井时整体稳定性差，另外，起升底座时井架及绞车均随之起升，因而底座起升载荷相对较大，这一点在超深井钻机中表现的更加突出。2.3 旋升式旋升式底座结构的显著特点是井架支脚位于底座的下基座中，在保留弹弓底座平行四边形机构运动原理的同时，克服了弹弓式底座稳定性相对较差的缺点，该型结构包括井架扒杆起升和人字架起升。2.3.1 扒杆起升的井架底座扒杆用来替代传统井架的人字架，且只承担对井架的起升，扒杆质量比人字架要轻，另外井架下段可作为底座的一部分，该结构源于美国金字塔公司，对扒杆起升的底座来说，按绞车位于后台低位或位于钻台面工作的不同，其结构又分为2种。1. 底座后台高度在2m以下，用于安放，连接绞车，前台为平行四边形结构并与井架连接，其主要构件随井架的起升从低位位置升至工作位置，其优点是质量较大的绞车勿需上钻台，另外，井架起升绳可通过采用多股绳系降低其受力，使绳径减小。缺点是可司偏方及钻台有关偏房及钻台有关铺台等构件不能在低位一次完成安装，仍需在钻台高位安装。2. 钻台分为前后2部分，前半部分由立根台及立柱组成并与井架相连，随井架的起升由低位升至工作位置。后半部分由绞车梁及立柱组成，在低位时先将绞车安装在绞车梁上，用绞车动力通过专配的起升绳系将安装绞车的钻台后半部分整体由低位升至工作位置。其优点在于可满足绞车位于高于的钻台结构，另外由于将钻台分为一部分，因此尽管后半部分带着绞车起升，但相对整个钻机整体起升的结构，其起升力要小一些。缺点是结构相对复杂，构件多，钻盘梁，司钻偏房及钻台有关铺台还需在高位安装。2.3.2 人字架起升的传统旋升式底座该结构类似上述绞车高位工作的扒杆起升式井架，底座，前后台也是分次起升。不同的井架采用人字架起升，此结构也存在构件多，起升过程复杂，钻盘及司钻偏房等需在底座起升后进行高位安装等缺点。3.毕业设计的主要内容 第一部分主要对石油钻机底座的组成及工况进行划分与描述。根据自升式底座的结构特点，技术要求以及在各种状态下的工作特点，研究了钻机底座的正常工作状态，即正常钻进工况和起下钻工况，并对此工况进行描述。第二部分主要实现对钻机井架及其底座承受的载荷进行分析。分析研究底座可能承受的载荷情况，根据结构分析所用载荷组合的基本原则，确定其主要载荷工况是钻井工况，钻井工况又可分为大钩静载荷工况和钻盘梁静载荷工况，考虑到所有可能出现的载荷对底座产生的最不利影响，底座的静力分析主要按最大钩工况和最大的转盘梁载荷工况计算分析。第三部分主要研究钻井底座有限元理论与方法。底座是一个空间刚架结构，对其进行结构分析最有效的方法是有限元方法，对于底座的复杂的结构，应用有限元软件可以轻松进行结构分析。第四部分主要研究底座的结构组成，实现计算模型的建立，在井架底座有限元模型的建立，详细地分析了井架底座的结构组成及连接关系，把它看成多个框架的组合体，建立框架结构单元分析的概念。井架底座的有限元模型基本上反映了井架及底座的有限元模型基本上反映了井架及底座的实际结构特点。第五部分重点实现底座的力学分析，采用有限元方法，应用ANSYS软件对底座主要进行结构静力学计算。通过对有限元模型进行约束，加载，求解，得出计算结果，并对其详细分析。4.所采用的方法、手段以及步骤等 随着计算机技术的不断发展和可供大型空间刚架结构分析的计算机辅助分析软件与测试软件的逐渐成熟与完善，对空间结构的受力分析大都采用有限元方法，使得分析过程更细，求解精度更高，对象底座这样的大型复杂结构进行静力学分析成为可能，并为本课题的探索和研究创造了极为有利的条件。5.阶段进度计划。结合导师的要求和自身的实际情况，决定以下设计进度第一阶段查阅资料，做外文翻译，编写开题报告调研，对照资料了解其底座的形式和特点。第二阶段利用pro/e建立井架底座的模型。第三阶段完成模型在ansys的导入及计算校核，并且分析其位移图和应力图。第四阶段写设计说明书，画装配图和零件图。完成设计校核及对比比较。准备设计答辩。参考文献：1.常玉连，刘玉泉。钻井井架、底座的设计计算石油工业出版社；2.韩成才，朱小平。石油钻采设备陕西科学技术出版社；3. 黄悦华，王进全，李厚岭，李治平，刘树前.超深井钻机井架底座特点分析4.李继志，陈荣振。石油钻采机械概论中国石油大学出版社；5吕兰，陈俊中深井陆地钻机井架底座结构和发展方向.石油矿场机械；6.陈荣振。石油钻采机械概论中国石油大学出版社；7.潘浩，李佳玲，池胜高，危峰新型钻机井架及底座设计模型石油机械；指导教师意见：指导教师签名：年 月 日系（教研室）意见：主任签字：年 月 日12000米钻机井架底座有限元新模型建立与强度分析摘要：随着油气资源的不断开发，钻井面向更深的地层，超深井钻机的应用成为必然。作为钻机起升设备的重要组成部分井架和底座，在钻井作业中起着重要的作用。与普通钻机不同的是超深井钻机的工作环境更为恶劣，名义钻井深度和设备重量等显著增加，井架和底座承受的静载荷和动载荷更大。井架和底座的强度和安全性是钻进得以正常进行的保障，所以对超深井钻机井架底座的静态特性研究是十分必要的。本文以ZJ120/9000DB超深井钻机井架底座为研究对象，根据其结构特点应用pro/e软件完成DZ900/12-X底座力学模型的建立。在选单元方面，考虑到12000m对于分析准确性有更高的要求，本文以solid45建立超大规模的单元模型，而不是传统的以梁作为单元建立模型，建立单元另外本文依据最新API Spec 4F钻井和修井结构规范中载荷设计的原则，进行静态特性分析，详细分析得到的结构应力分布和变形情况。最后根据静态特性分析结果对底座结构安全等级进行综合评价。关键词：超深井钻机，井架底座，静态特性。12000 meters drilling machine derrick base finite element new model building and strength analysisAbstract: With continuous oil and gas resources exploitation, drilling develops.To deeper formation, the use for ultra-deep drilling rigs is becoming necessity，As the important component of rig hoisting equipments derrick and substructure, which play a important role in drilling operation .Different from ordinary rig ,ultra-deep drilling rig working environment is even worse ,nominal drilling depth and equipment ,a significant in crease in weight ,derrick and substructure to with stand the static load and dynamic load greater. The strength and security for derrick and substructure is the protection of drilling to be normal, therefore, study on static and dynamic characteristics of ultra-deep drilling rig derrick and substructure is necessary.In this paper,ZJ120 /9000DB ultra-deep drilling rig derrick substructure for the research object, according to its structural features ,application ANSYS finite element analysis software to complete mechanical model derrick substructure-building .Based on the latest API Spec 4FSpecification for Drilling and Well Servicing Structures in the payload design principles, focusing on selected conditions 1a,the completion of d