第 1 章 緒論 

1.1 不壓井技術(shù)簡述 
由于壓井作業(yè)往往給產(chǎn)層帶來大量的污染問題，嚴重的情況甚至能導(dǎo)致底層的油氣通道堵塞，從而導(dǎo)致油氣的產(chǎn)量降低。尤其是水平井以及天然氣井，壓井會給產(chǎn)量帶來尤為惡劣的影響，結(jié)果使資源的開采以及后期的持續(xù)性發(fā)展都帶來了極大的不利。因此為了解決這個問題就需要用一種更先進的技術(shù)來解決井下作業(yè)，不壓井技術(shù)或稱帶壓技術(shù)可以很好地處理在修井作業(yè)時因為壓井技術(shù)的弊端而引起產(chǎn)量減少的問題，不但大大提高了作業(yè)效率，還使得作業(yè)的周期縮短，并將有關(guān)地層的準確信息及時地反映出來，為油田環(huán)境的保護以及產(chǎn)量的提高帶來了新的解決方案[1]。 不壓井作業(yè)技術(shù)是指油氣井不壓井、不放噴井內(nèi)存在壓力的情況下，對油氣井強制進行作業(yè)和檢修的一種方法。不壓井作業(yè)的優(yōu)點非常明顯，比如降低壓井液對石油產(chǎn)層的污染，提升油田作業(yè)中的采出率，使地層的壓力更穩(wěn)定以及提供良好的作業(yè)環(huán)境，最重要的是對油田后期的產(chǎn)量的提升起到了重要的作用，由于這些明顯的優(yōu)勢，不壓井作業(yè)技術(shù)也得到的廣泛的發(fā)展與應(yīng)用[2-3]。 不壓井作業(yè)技術(shù)能夠有效地處理傳統(tǒng)作業(yè)方式帶來的問題，該項技術(shù)的特點在于能夠在帶壓的條件下進行修井作業(yè)，因此解決了由壓井液對地層造成污染的問題，從而提高了油氣的產(chǎn)量和開采上限。另一方面，因為不壓井作業(yè)技術(shù)不需要利用壓井液，所以使得地面的環(huán)境得到了控制，有利于油田的可持續(xù)性發(fā)展，不但使開采所需成本降低，同時又滿足了 HSE 要求。最早提出的帶壓作業(yè)的實際情況是指在起下管柱或者井下工具時滿足井口帶壓的條件，即一般來講的不壓井作業(yè)。上世紀三十年代在美國的奧迪斯公司設(shè)計出了機械式帶壓作業(yè)[3]。五十年代時的布朗公司開發(fā)出了第一臺不壓井液壓裝置[4]。八十年代時美國 LTD 公司研發(fā)了出了有著高機動性的，作業(yè)靈活的車載式不壓井修井機。車載式不壓井修井機的這些優(yōu)勢使得帶壓作業(yè)時變得更加安全，靈活，進一步加速了不壓井作業(yè)技術(shù)的發(fā)展進程[5]。隨著與帶壓技術(shù)相關(guān)的各項周邊技術(shù)的發(fā)展，不壓井技術(shù)也給其它領(lǐng)域帶來了發(fā)展，例如壓裂酸化、帶壓完井、欠平衡鉆井等領(lǐng)域。當(dāng)今的北美市場已經(jīng)將不壓井技術(shù)及對應(yīng)的設(shè)備發(fā)展到了極致，與不壓井技術(shù)相關(guān)的各類輔助式設(shè)備，獨立式設(shè)備都非常完善。與其配套使用的工具也非常齊全，能夠符合不同條件下的開采，包括陸地與海洋當(dāng)中的氣井、油井和水井等。 
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1.2 不壓井技術(shù)發(fā)展概況
我國早在上個世紀五六十年代中曾經(jīng)研發(fā)出國一種需要使用鋼絲繩的不壓井設(shè)備，工作時需要使用一般的通井機來起下管柱，再利用自封式封井器將講油套環(huán)密封。幾年后，第一臺撬裝液壓式不壓井作業(yè)設(shè)備在大慶油田的多年努力下研制出來了，但是因其對操作人員有著極高的要求，且勞動強度很大，在安全性上達不到標準，最終導(dǎo)致該產(chǎn)品沒有被大范圍使用。 到了七十年代，四川使用管理局鉆采工藝研究所研發(fā)出了兩種修井裝置。一種是被稱為 BY3D-2 型的不壓井起下作業(yè)設(shè)備，其可以克服井內(nèi)的頂力可達 294kN；另一種是被稱為 BYXT15 型的不壓井起下作業(yè)設(shè)備，其可以克服井內(nèi)的頂力可達 144kN。這兩種設(shè)備比較適用于井口壓力為 5~7Mpa 的情況。 到了八十年代時，吉林油田根據(jù)實際項目，針對井口壓力小于 6Mpa 的環(huán)境，開發(fā)出了一臺車載式液壓型的不壓井修井機，能夠?qū)⒆畲筇嵘μ嶂?700kN。最終因其在密封方面有嚴重的問題給系統(tǒng)本身帶來了致命性的打擊。雖然該設(shè)備進行了六十余次的作業(yè)，但還是沒有繼續(xù)在吉林油田中使用也沒有在其他地方得到推廣[6]。改革開放過后，華北榮盛公司通過不斷對國外的技術(shù)反復(fù)研究，最終在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了一種液壓型作業(yè)裝置。隨后經(jīng)過吉林油田和遼河油田將該設(shè)備進一步優(yōu)化。該裝置在改進后的最大提升能力可達 700kN，能夠針對 14Mpa 上下的井壓進行起下油管的工作[6]�，F(xiàn)在我國在不壓井技術(shù)的研究程度上仍然處于起步狀態(tài)，雖然有承載壓力小于14Mpa 的不壓井作業(yè)設(shè)備已經(jīng)被研發(fā)出來，但是在得到廣泛應(yīng)用之前，還有一系列的問題需要解決，目前在不壓井技術(shù)方面還有很多欠缺，而針對高壓井的不壓井設(shè)備方面的研究更加稀缺。 
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第 2 章 井架系統(tǒng)靜力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)

2.1 井架有限元分析原理
在針對井架系統(tǒng)的載荷能力的計算分析時，有限元法是現(xiàn)代一種較為優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)分析方法，該方法能夠直觀地反映出井架系統(tǒng)在工作時得到真實載荷情況。相比一般機械機構(gòu)，井架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜多元化，因此需要利用有限元這樣的方法將井架的結(jié)構(gòu)離散化，分離成個數(shù)有限且形狀簡單的小單元體。以井架的重要組成單元，梁類桿件為例，，將一根梁等同于一個單元，那么通過多個單元的組合就能夠組成一個井架。不同的單元通過來自內(nèi)部或來自外部的載荷相互作用，從而得出單個單元的受力或變形情況，再進一步分析井架系統(tǒng)的特性。如果繼續(xù)將梁單元細分，使整個井架系統(tǒng)中的單元數(shù)量變得更多，這樣就會使最終分析的結(jié)果更精確，因此也利用到了ANSYS 軟件劃分網(wǎng)格的功能。在計算機技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，有限元法是分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的必要手段之一[26-28]。在軟件分析技術(shù)全面革新，計算機得到迅猛發(fā)展的今天，機械工程師們可以更加有效且準確地模擬出所需要的分析數(shù)據(jù)，這便是有限元分析軟件所帶來的結(jié)果。目前比較主流的分析軟件有 I-DEA、ADINA、ANSYS 和 FEAS 等。而本論文使用的有限元分析軟件是 ANSYS14.5，該軟件兼具線性分析功能與非線性分析功能[27]。 ANSYS 是一款集合了四大研究方向的有限元分析軟件，其中包括結(jié)構(gòu)、電磁場、流體、聲場等經(jīng)常需要有限元分析的領(lǐng)域。作為全球最優(yōu)先的有限元軟件分析公司，美國 ANSYS 公司經(jīng)過多年的努力與實踐，終于開發(fā)出了這款能被廣泛應(yīng)用的分析軟件。ANSYS 的優(yōu)勢在于能夠和多款 CAD 軟件互通，將生成的文件與數(shù)據(jù)用在其他軟件中，例如 UG，Pro/E 等，因此也成為了當(dāng)今產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域中必要的 CAD 軟件[28]。 
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2.2 結(jié)構(gòu)靜力分析原理 

在線性有限元平衡方程的推導(dǎo)過程中，應(yīng)用了彈性力學(xué)的基本方程及虛功原理。彈性力學(xué)中的二個基本方程分別是幾何方程和本構(gòu)方程，下面分別對這些方程作出簡單介紹，從方程的推導(dǎo)過程中理解線性有限元法的平衡方程。幾何方程是描述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變函數(shù)和位移函數(shù)之間關(guān)系的方程，在經(jīng)典彈性理論中假定結(jié)構(gòu)的位移、轉(zhuǎn)動和應(yīng)變是很小的，而且在結(jié)構(gòu)變形時載荷方向不變，從而得到線性的幾何方程[31]。根據(jù)修井機井架的結(jié)構(gòu)，本文選用單元 BEAM188 作為各桿件的基本單元。BEAM188 為三維線性有限應(yīng)變桿單元，適合分析從細到中等短粗的桿結(jié)構(gòu)，均基于鐵木辛哥桿結(jié)構(gòu)理論，并都考慮了剪切變形的影響。這種單元在每個節(jié)點上有 6 個自由度，其中，線位移自由度包括  1 個軸向位移及  2 個平面內(nèi)外的橫向位移，轉(zhuǎn)動自由度包括  1 個扭轉(zhuǎn)角和  2 個彎曲轉(zhuǎn)角自由度。一個節(jié)點具有 6 個桿端力（矩）分量，即 3個桿端力分量和 3 個桿端力矩分量，因此，其單元剛度矩陣應(yīng)是一個 12×12 矩陣[33-35]。 一般情況下，每個 BEAM188 單元由 I，  J，K 三個節(jié)點組成，其中，I，J 節(jié)點分別為單元的起始和終止節(jié)點，K 節(jié)點為參考節(jié)點，用于確定單元坐標系，從而確定單元的截面參數(shù)。BEAM188 單元比之于其他簡單的桿單元，ANSYS 賦予其強大的截面定義功能，無需用戶再輸入實常數(shù)來定義截面特性，同時用戶也可以根據(jù)需要來自定義截面形狀，通過 CAD 軟件繪制二維截面，然后導(dǎo)入到  ANSYS  軟件的 BEAM188單元自定義截面中，這樣用戶就可以對復(fù)雜截面桿件進行建模分析。

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第 3 章 井架系統(tǒng)的總體設(shè)計 ...... 18
3.1 井架的設(shè)計要求........ 18 
3.2 修井架的設(shè)計.... 18 
3.3 本章小結(jié) ........... 22 
第 4 章 井架系統(tǒng)支撐部件的力學(xué)分析 ...... 23 
4.1 井架系統(tǒng)的剛體動力學(xué)分析 ........... 23 
4.1.1 井架系統(tǒng)移運過程中的受力分析與運動副的建立....... 23 
4.1.2 井架系統(tǒng)剛體動力學(xué)有限元分析的建模....... 27 
4.2 井架系統(tǒng)液壓缸的有限元分析 ....... 30 
4.3 井架系統(tǒng)鎖緊環(huán)的有限元分析 ....... 45 
4.3.1 鎖緊環(huán)分析環(huán)境的設(shè)定........... 46 
4.3.2 鎖緊環(huán)約束載荷的設(shè)定........... 47 
4.3.3 鎖緊環(huán)的靜力學(xué)強度分析....... 47 
4.4 本章小結(jié) ........... 50 
第 5 章 井架系統(tǒng)支撐部件的模態(tài)分析 ...... 51 
5.1 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ) ....... 51
5.2 結(jié)構(gòu)的模態(tài)計算 ....... 55 
5.2.1 前六階固有頻率....... 55 
5.2.2 液壓缸模態(tài)分析的前六階振型....... 55
5.3 本章小結(jié) .... 59 

第 5 章 井架系統(tǒng)支撐部件的模態(tài)分析

5.1 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)
結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是在結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)的模態(tài)是一種由自身決定不受外因素干擾的屬性，即是結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)所固有的特性。一階模態(tài)對應(yīng)著三種特性，即固有頻率，模態(tài)振型以及阻尼比。經(jīng)過對這三種特性，以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部振源和外部振源的分析，能夠得知結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的振動情況，并根據(jù)所得結(jié)果用于設(shè)計工程結(jié)構(gòu)，或者排除結(jié)構(gòu)中的設(shè)計錯誤[38]。在子空間迭代法計算中，為了能夠計算出的結(jié)果更接近真實值的，需要選定一組線性無關(guān)的向量用來當(dāng)做 Ep 子空間的基底�；椎倪x擇在很大程度上會影響近似解的精度，如果選擇的基底不理想，便會導(dǎo)致結(jié)果的近似值精度很低[41]。所以為了能夠更精準的選擇基底。模態(tài)分析是對動力學(xué)分析而言，最為基礎(chǔ)的分析之一。本文通過使用有限元分學(xué)習(xí)軟件 ANSYS14.5，針對液壓缸在實際工程當(dāng)中的情況，利用軟件中的動力學(xué)分析功能，對液壓缸進行模態(tài)分析。由于在實際工程中發(fā)生劇烈振動和破壞的情形往往發(fā)生在低階模態(tài)區(qū)間，因此在分析中需要計算出液壓缸前 6 階的固有頻率以及前 6 階的主振型。 
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結(jié)論 

本文根據(jù)車載式不壓井修井機的工作情況，針對修井作業(yè)對修井機的設(shè)計要求，研究并分析了井架系統(tǒng)中的液壓缸支撐架以及鎖緊環(huán)。針對這兩個關(guān)鍵部件的設(shè)計進行了工作狀態(tài)下靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，為方案的確定建立了基礎(chǔ)，并得出以下結(jié)論： 
（1）對國內(nèi)外修井作業(yè)工藝進行了充分的調(diào)研，并總結(jié)了在不壓井作業(yè)設(shè)備上國內(nèi)外在各方面的差距以及我國修井作業(yè)技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢。簡述了有限元法相比傳統(tǒng)現(xiàn)場測試的方法的優(yōu)勢及使用有限元法進行虛擬仿真的意義。 
（2）闡述了有限元法的基本原理以及有限元法分析的基本步驟以及 ANSYS 有限元分析軟件及其各領(lǐng)域中的應(yīng)用。詳細說明了井架系統(tǒng)的設(shè)計計算基本原理及靜力分析原理，最后對修井機結(jié)構(gòu)靜力分析以及桿、殼、實體的單元特性進行了簡單介紹，為后續(xù)對修井機井架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析提供了理論依據(jù)。 
（3）根據(jù)車載式不壓井修井機的設(shè)計要求，闡述了井架系統(tǒng)整體的設(shè)計內(nèi)容以及在井架系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的工作原理，完成了 3D 模型的建立，為后邊的靜態(tài)載荷分析以及模態(tài)分析提供了模型依據(jù)。 
（4）針對井架系統(tǒng)中重要的支撐部件，液壓缸支撐架和鎖緊環(huán)進行了剛體動力學(xué)分析與靜力學(xué)有限元分析。首先對液壓缸支撐架在豎起的過程中進行了受力分析并計算液壓缸在豎起與回縮過程中速度，加速度與時間的關(guān)系。根據(jù)得出的速度與加速度的情況，確定了液壓缸可能受力最大的時間點，再根據(jù)對應(yīng)時間點上液壓缸的狀態(tài)進行靜力學(xué)有限元分析。然后對要分析的兩個零件進行了物理建模，添加零件的各類屬性，并根據(jù)實際情況將模型進行了簡化。最后在 ANSYS 軟件的幫助下得出了零件的應(yīng)力云圖與應(yīng)變云圖，其液壓缸所受的最大等效載荷為212.08MPa，小于屈服極限345Mpa。而鎖緊環(huán)所受的最大應(yīng)力為 1.1998Mpa，遠小于許用強度 310MPa。其結(jié)果顯示液壓缸和鎖緊環(huán)在典型工況下均滿足工程需要，驗證了結(jié)構(gòu)的合理性。 
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參考文獻(略)

本文編號：71458