CN103955593A

CN103955593A - 一种自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱获取方法

Info

Publication number: CN103955593A
Application number: CN201310635275.8A
Authority: CN
Inventors: 刘祥建; 赵一阳; 彭贵胜; 戴挺
Original assignee: Dalian Shipbuilding Industry Co Ltd
Current assignee: Dalian Shipbuilding Industry Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-07-30

Abstract

本发明公开了一种自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱计算方法，其包含以下步骤：进行悬臂梁等效；确定等效梁边界条件和等效梁的许用弯曲应力和许用剪应力；确定等效梁的载荷分布；计算等效梁支座支反力、弯曲应力和剪应力；评估等效梁能承受的钻井载荷，批处理绘制悬臂梁载荷图谱。本发明具有优点为：1、提出一套适用于自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱简化获取方法，大大减少了分析工作量，结果准确可靠。2、本发明具有广泛的适用性和通用性。

Description

一种自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱获取方法

技术领域

本发明涉及一种自升式钻井平台的概念设计、基本设计、完工设计以及实际完工阶段悬臂梁载荷的获取。

背景技术

自升式钻井平台是海上四大移动式钻井装置之一，由于其定位能力强和作业稳定性好，在大陆架海域的油气勘探开发中居重要地位。悬臂梁平台的设计建造，大大提升了自升式钻井平台的作业功能，它能实现在生产平台上实施钻/完井作业、修井作业和钻/调整井作业。由于悬臂梁结构和载荷都比较复杂，且悬臂梁的结构强度直接影响到平台是否能够正常钻井作业，因此悬臂梁结构的确定具有重要的工程意义。当自升式平台插桩站立后，需通过悬臂梁和钻台的移动使井架中心到达井口中心，悬臂梁伸出的距离和钻台的偏移距离并不是一个固定的值，而实际作业中的位置是一个区域内的散布图，也就是我们常说的悬臂梁载荷图谱（Load Chart），平台钻井可以有成百上千个位置。在每一个不同的位置总的钻井载荷是不同的，悬臂梁伸出越远，钻台偏移的越大，钻井载荷越小。另一个复杂的问题是载荷；钻井载荷是由大钩载荷、转盘载荷、立根载荷等构成，立根载荷放在钻台上，其重心与井心有一定的偏离，导致了钻台左右偏移时钻井载荷的大小是不同的，当立根放在悬臂梁管支架上时就不属于钻井载荷但对悬臂梁结构和钻井载荷也有限制作用。若采用测量、设计结合有限元法进行获取，那需要数个月的时间来完成。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种悬臂梁载荷图谱的获取方法，可以获得悬臂梁在钻井区域覆盖范围内任何一点作业时可放置的最大钻井载荷，可以快速得到某作业位置的钻井载荷，并编程批处理，以便快速得到悬臂梁载荷图谱，因此本发明可显著提高悬臂梁载荷图谱设绘的效率，缩短自升式平台的设计、施工周期，提高效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

1、进行悬臂梁等效：

根据实际设计及实物测量获得的悬臂梁结构型式，获取悬臂梁剖面属性，包括剖面模数和剪切面积；

2、确定等效梁边界条件和等效梁的许用弯曲应力和许用剪应力，包括如下步骤：

B1）根据悬臂梁基座的结构型式确定等效梁边界条件，简化成支座，确定支座反力小于等于悬臂梁基座的最大承载力；

B2）根据美国钢结构协会的标准，确定等效梁的许用弯曲应力和许用剪应力；

3、确定等效梁的载荷分布：

需要确定的载荷包含：悬臂梁载荷、钻台自重载荷、大钩载荷、立根载荷和管子堆场载荷；其中悬臂梁载荷和管子堆场载荷以线性载荷施加到等效梁，其他载荷施加到钻台与悬臂梁接触的支点处；

4、获取等效梁支座支反力、弯曲应力和剪应力：

根据力和力矩的平衡关系，求得等效梁的支座反力、等效梁受到的最大弯矩和最大剪力；

5、评估等效梁能承受的钻井载荷，绘制悬臂梁载荷图谱：

根据支反力大小、弯矩和剪力大小，确定悬臂梁在某作业位置能够承受的最大钻井载荷；

同样方法，确认悬臂梁所能覆盖的作业区域各个位置处所能承受的最大钻井载荷。

其中，优选方式下，所述步骤5中，选用计算机通过批处理方式获取悬臂梁所能覆盖的作业区域不同工况下的所有最大钻井载荷。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出一套适用于自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱简化获取方法，该方法与有限元方法相比大大减少了分析工作量，其结果准确可靠2、本发明具有广泛的适用性和通用性，不仅适合于传统型悬臂梁型式，而且还适用于新型悬臂梁型式。综上所述，本发明具有工作量小，适用性强的优点，可应用于自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱的获取。

附图说明

图1是典型悬臂梁结构剖面。

图2等效梁示意图，示出了分段等效梁的受力状况。

图3等效梁受力示意图，示出了简化悬臂梁载荷和边界条件。

图4等效梁弯矩、剪力、弯曲应力和剪切应力示意图。

图5悬臂梁分段示意图，示出了剖面特性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，本发明包括以下步骤：

1、进行悬臂梁等效；

悬臂梁典型结构型式如图1所示，由两个工字梁通过横向结构连接，以左舷或右舷工字梁为研究对象，获得其剖面属性，简化为外伸梁如图2所示。

图1中左侧为悬臂梁的基本结构型式，两侧部分为工字梁，上面部分为管子堆场载荷盛放处，上部结构主要承担管子堆场的载荷，对整体的强度贡献较小，因此可以忽略，取两侧中的一个工字梁作为等效梁进行简化。

2、确定等效梁边界条件和等效梁的许用弯曲应力和许用剪应力；

悬臂梁依靠悬臂梁基座支撑，根据悬臂梁基座的结构形式确定悬臂梁边界条件，简化为铰支支座。由于悬臂梁工字梁尺寸超过了通常意义上的梁，因此其许用的弯曲应力和许用剪应力根据美国钢结构协会的经验公式确定。

3、确定等效梁上面的载荷分布；

悬臂梁上面的载荷包含悬臂梁自重，钻台自重、立根载荷、管子堆场载荷和位于井心的钻井载荷。其中按照悬臂梁的结构质量分布特点将悬臂梁等效梁分为前后两部分，假定这两部分的结构重量沿悬臂梁方向分别均匀分布。根据悬臂梁整体重心坐标，根据力和力矩平衡得到前后两部分悬臂梁的质量分布；管子堆场载荷与悬臂梁自重类似；钻台结构与悬臂梁通过4个支座连接，因此根据钻台的重量分布，获得钻台自重作用于悬臂梁上的力，由于钻井位置的变化，钻台要在悬臂梁上左右偏移，因此钻台自重的分布也要相应改变。立根载荷和位于井心的钻井载荷与钻台自重类似。

4、获得等效梁支座支反力、弯曲应力和剪应力；

将悬臂梁等效为如图3所示的外伸梁，将步骤3）的载荷施加到等效梁上。

图3中：Push Up表示平台艉端基座简化成的铰支支座；Hold Down表示平台前端基座简化成的铰支支座。

根据力和力矩的平衡关系，求得等效梁的支座反力，以及等效梁受到的最大弯矩和最大剪力。

\begin{matrix} R_{hold - down} = R_{aft} \times x + R_{fwd} \times (x - L_{1}) + q_{1} \times L_{1} \times x - \frac{1}{2} \times q_{1} \times L_{1}^{2} + q_{2} \times L_{2} \times x \\ - q_{2} \times L_{1} \times L_{2} - \frac{1}{2} \times q_{2} \times L_{2}^{2} \end{matrix}

R_push-up=R_aft+R_fwd+q₁×L₁+q₂×L₂+R_hold-down

F_shear=R_push-up-R_aft-R_fwd-q₁×L₁-q₂×(x+L_dis-L1)

M = R_{aft} \times x + q_{1} \times L_{1} \times (x - L_{1} / 2) + R_{fwd} \times (x - L_{1}) + \frac{1}{2} \times q_{2} \times {(x - L_{1})}^{2}

其中：

R_push-up　悬臂梁前端支座反力；

R_hold-dow　悬臂梁后端支座反力；

F_shear　悬臂梁受到的最大剪力；

M　悬臂梁受到的最大弯矩；

q₁-悬臂梁前半部分自重载荷（含管子堆场载荷）；

q₂-悬臂梁后半部分自重载荷（含管子堆场载荷）；

L₁-悬臂梁前半部分长度（钻台支点距离）；

L₂-悬臂梁后半部分长度；

L_dis-悬臂梁基座之间的距离；

x-悬臂梁伸出的距离；

R_aft-钻台自重和钻台上的载荷在钻台前支点的载荷；

R_fwd-钻台自重和钻台上的载荷在钻台后支点的载荷；

根据获得结果绘制的悬臂梁等效梁受到的弯矩和剪力图，以及应力图如图4所示，其中：Moment表示等效梁沿长度方向受到的弯矩，单位为N-mm；

Shear表示等效梁沿长度方向受到的剪力，单位为N；

Bending Stress表示等效梁沿长度方向弯曲应力分布，单位为N/mm²；

Average Shear Stress表示等效梁沿长度方向剪应力分布，单位为N/mm²；

图中横坐标为悬臂梁的长度，纵坐标从上往下依次为：弯矩值、剪力值、弯曲应力值和平均剪切应力值。阴影部分为值的大小，弯矩和剪力图，本领域人员都能看懂。

5、评估等效梁能承受的钻井载荷，批处理绘制悬臂梁载荷图谱。

根据所求得的最大弯矩和最大剪力，得到等效梁上的最大弯曲应力和最大剪切应力，与步骤2）的许用标准对比，若大于许用弯曲应力和许用剪应力，则降低钻井载荷重新计算直至应力小于许用值，强度满足设计要求。然后判断所求得的最大支反力是否小于悬臂梁基座的最大承载能力，若不小于则降低钻井载荷重新计算直至支反力小于基座最大承载能力，若同时满足上述两个条件则钻井载荷为该作业位置的所允许的最大钻井载荷。

使用本方法编制独立程序“悬臂梁载荷图谱”实现了批处理、自动迭代的功能。

下面以某自升式钻井平台为具体实施案例，对本发明方法进行进一步的说明。

1、根据悬臂梁结构型式将悬臂梁分为5段如图5所示，分别获取出每段悬臂梁剖面属性，包含梁界面的剪切面积和剖面模数如表1所示。

	剖面模数（m³）	剪切面积（m²）
			SPAN A(分段A)	0.302	0.155
SPAN B(分段B)	0.377	0.153
			SPAN C(分段C)	0.577	0.268
SPAN D(分段D)	0.464	0.179
			SPAN E(分段E)	0.091	0.072

表1等效梁剖面属性

悬臂梁基座Push up最大承载力（吨）：2300

悬臂梁基座Hold down最大承载力（吨）：900

悬臂梁许用弯曲应力（兆帕）：248

悬臂梁许用剪切应力（兆帕）：180

3、确定等效梁的载荷分布；

平台载荷输入参数如下表所示：

悬臂梁自重（吨）	659
		悬臂梁宽（米）	17
悬臂梁纵向重心（米）	18.6
		悬臂梁横向重心（米）	0.426
悬臂梁前半部分长度（米）	10.668
		悬臂梁后半部分长度（米）	27.332

悬臂梁管子堆场载荷（吨）	0
		钻台自重（吨）	734
钻台横向重心（米）	-0.75
		钻台纵向重心（米）	5.334
钻台支点距离（米）	10.668
		立根载荷（吨）	0
立根载荷横向重心（米）	2.56
		立根载荷纵向重心（米）	5.334
等效梁基座间距（米）	14.5

表2悬臂梁载荷参数和几何参数

4、获取等效梁支座支反力、弯曲应力和剪应力；

根据载荷分布和悬臂梁几何参数获取支座反力、弯曲应力和剪应力

根据以上步骤得到的参数评估悬臂梁能承受的钻井载荷，获得某工况下的悬臂梁载荷图谱如表3所示。

表3某工况下悬臂梁载荷图谱

其中：

表中左右两侧加粗数值为悬臂梁伸出的距离

表中第一行加粗数值为钻台偏移的距离

表中的钻井载荷单位为吨

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.进行悬臂梁等效：

根据实际设计及实物测量获得的悬臂梁结构型式，获取悬臂梁各个位置的剖面属性，包括剖面模数和剪切面积；

B.确定等效梁边界条件和等效梁的许用弯曲应力和许用剪应力，包括如下步骤：

B2）根据美国钢结构协会的标准，计算等效梁的许用弯曲应力和许用剪应力；

C.确定等效梁的载荷分布：

D.获取等效梁支座支反力、弯曲应力和剪应力：

E.评估等效梁能承受的钻井载荷，绘制悬臂梁载荷图谱：

同样方法，确认悬臂梁所能覆盖的作业区域在不同钻井位置处所能承受的最大钻井载荷。

2.根据权利要求1所述自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱获取方法，其特征在于，所述步骤E中，利用计算机通过自动计算批处理获取悬臂梁所能覆盖的作业区域不同工况下的所有最大钻井载荷。