专利名称：作业井架载荷能力的评估方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油修井技术，具体地，涉及一种作业井架载荷能力的评估方法及装置。
背景技术：
目前对作业井架的力学行为分析大都是在线弹性范围内进行，而对结构在弹塑性、塑性阶段的研究很少。绷绳作为作业井架的特殊支承构件，其空间位置和物理特性对作业井架的力学行为有较大影响。在小载荷、小变形情况下，按线弹性理论对井架结构进行分析是可行的。在较大载荷下，绷绳的非线性效应对作业井架的刚度影响较大，必须考虑绷绳的非线性因素。同时，还必须考虑结构几何非线性来研究结构的大初曲率、大变形对结构力学性能的影响，考虑材料非线性研究结构在弹塑性阶段的力学性能。目前，国内对作业井架的非线性因素考虑还较少。另外，修井作业井架由于作业条件不同，其实际作业参数也有所不同，从而导致实际极限提拉载荷的未知，容易造成作业的盲目性，从而增加了修井的周期与成本，甚至危及设备和操作者的安全。也就是说，目前对作业井架的力学行为分析由于未考虑绷绳而导致了实际极限提拉载荷的未知，进而将危及设备和操作者的安全。

发明内容
本发明实施例的主要目的在于提供一种作业井架载荷能力的评估方法及装置，以解决现有技术中的对作业井架的力学行为分析由于未考虑绷绳而导致无法获知实际极限提拉载荷的问题。为了实现上述目的，本发明实施例提供一种作业井架载荷能力的评估方法，该方法包括根据作业井架在非标准工作条件下的安装情况分析所述作业井架的结构形式和受力特征；根据所述结构形式和受力特征建立所述作业井架的数学物理模型；根据所述作业井架的数学物理模型确定所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则；根据所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则确定所述作业井架参数，其中，所述的作业参数包括最大钩载、绷绳型号及绷绳位置；根据所述作业井架参数评估所述作业井架在非标准工作条件下的绷绳拉力，并预测所述作业井架在所述非标准工作条件下的极限提拉载荷。根据所述作业井架的数学物理模型确定所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则包括根据所述作业井架的数学物理模型建立作业井架线弹性模型、几何非线性物理模型、材料非线性物理模型、双重非线性物理模型、并分析井架绷绳非线性效应；根据所述的作业井架线弹性模型、几何非线性物理模型、材料非线性物理模型、双重非线性物理模型确定所述作业井架承载能力的相关准则；根据所述井架绷绳非线性效应确定所述绷绳允许拉力的相关准则。根据所述作业井架参数评估所述作业井架在非标准工作条件下的绷绳拉力和极限提拉载荷之后，所述的方法还包括根据所述作业井架在所述非标准工作条件下的绷绳拉力和极限提拉载荷优化所述作业井架参数。本发明实施例还提供一种作业井架载荷能力的评估装置，所述装置包括结构形式分析单元，用于根据作业井架在非标准工作条件下的安装情况分析所述作业井架的结构形式和受力特征；数学物理模型建立单元，用于根据所述结构形式和受力特征建立所述作业井架的数学物理模型；力学行为准则确定单元，用于根据所述作业井架的数学物理模型确定所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则；参数确定单元，用于根据所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则确定所述作业井架参数，其中，所述的作业参数包括最大钩载、绷绳型号及绷绳位置；载荷能力评估单元，用于根据所述作业井架参数评估所述作业井架在非标准工作条件下的绷绳拉力，并预测所述作业井架在所述非标准工作条件下的极限提拉载荷。所述力学行为准则确定单元包括子模型建立模块，用于根据所述作业井架的数学物理模型建立作业井架线弹性模型、几何非线性物理模型、材料非线性物理模型、双重非线性物理模型、并分析井架绷绳非线性效应；承载能力准则确定模块，用于根据所述的作业井架线弹性模型、几何非线性物理模型、材料非线性物理模型、双重非线性物理模型确定所述作业井架承载能力的相关准则；绷绳强度准则确定模块，用于根据所述井架绷绳非线性效应确定所述绷绳允许拉力的相关准则。所述的装置还包括参数优化单元，用于根据所述作业井架在此所述非标准工作条件下的绷绳拉力和极限提拉载荷优化所述作业井架参数。借助于上述技术方案至少之一，通过分析作业井架受现场实际条件限制无法按照标准要求进行安装情况下的结构形式和受力特征，建立了作业井架数学物理模型和数值仿真模型，得到了判定作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则，并根据作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则确定了作业井架参数，完成了对给定参数作业井架的绷绳拉力校核和极限最大钩载荷的预测，从而可以提高修井作业的安全性及设备的使用效率。


为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是根据本发明实施例的作业井架载荷能力的评估方法的流程图；图2是XJ450型作业井架绷绳布置示意图；图3是XJ450型作业井架截面示意图；图4a、图4b是根据本发明实施例的XJ450型作业井架侧面和正面数值模拟图；图5是根据本发明实施例的XJ450型作业井架整体三维数值模拟图；图6是XJ450型标准井架在最大钩载下总变形等值线图；图7是根据本发明实施例的XJ450作业井架现场施工正面图；图8是根据本发明实施例的XJ450作业井架现场施工侧面图；图9是根据本发明实施例的XJ450作业井架侧视的参数优选界面；
图10是根据本发明实施例的XJ450作业井架受力优化软件的优选结果；图11是根据本发明实施例的作业井架载荷能力的评估装置的结构框图；图12是根据本发明实施例的力学行为准则确定单元3的结构框图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例提供一种作业井架载荷能力的评估方法及装置。以下结合附图对本发明进行详细说明。实施例一本发明实施例提供一种作业井架载荷能力的评估方法，如图I所示，该方法包括步骤101，根据作业井架在非标准工作条件下的安装情况分析作业井架的结构形式和受力特征；步骤102，根据结构形式和受力特征建立作业井架的数学物理模型；步骤103，根据作业井架的数学物理模型确定作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则；步骤104，根据作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则确定作业井架参数， 其中，作业参数包括最大钩载、绷绳型号及绷绳位置；步骤105，根据作业井架参数评估作业井架在非标准工作条件下的绷绳拉力，并预测作业井架在非标准工作条件下的极限提拉载荷。由以上描述可以看出，本发明实施例通过分析作业井架受现场实际条件限制无法按照标准要求进行安装情况下的结构形式和受力特征，建立了作业井架数学物理模型和数值仿真模型，得到了判定作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则，并根据作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则确定了作业井架参数，完成了对给定参数作业井架的绷绳拉力校核和极限最大钩载荷的预测，从而可以提高修井作业的安全性及设备的使用效率。以下详细描述本发明实施例。(一)步骤101在非标准工作条件下，对作业井架力学行为的分析可以采用有限元法，在有限元分析模型中将井架主体结构简化为三维弹性梁单元，将绷绳简化为仅能承受拉伸载荷的杆单元。井架底部与支座为铰接约束，绷绳与地面连接为固定约束，限制全部自由度。对于作业井架，可以将全部载荷折算成两种静力载荷进行计算，这两种静力载荷即为垂直载荷和水平载荷。其中，垂直载荷包括作用在作业井架上的恒定静载、大钩静载荷、工作绳作用力、绷绳分力和二层台自重；水平载荷包括风载荷、由立根自重引起的水平靠力(即立根载荷)及立根风载荷。( 二)步骤 102非标准工作条件下作业井架的数学物理模型的建立
I)作业井架线弹性模型的建立(I)线弹性应力-应变本构方程
权利要求
1.一种作业井架载荷能力的评估方法，其特征在于，所述的方法包括根据作业井架在非标准工作条件下的安装情况分析所述作业井架的结构形式和受力特征；根据所述结构形式和受力特征建立所述作业井架的数学物理模型；根据所述作业井架的数学物理模型确定所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则；根据所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则确定所述作业井架参数，其中，所述的作业参数包括最大钩载、绷强型号及绷绳位置；根据所述作业井架参数评估所述作业井架在非标准工作条件下的绷绳拉力，并预测所述作业井架在所述非标准工作条件下的极限提拉载荷。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，根据所述作业井架的数学物理模型确定所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则包括根据所述作业井架的数学物理模型建立作业井架线弹性模型、几何非线性物理模型、 材料非线性物理模型、双重非线性物理模型、并分析井架绷绳非线性效应；根据所述的作业井架线弹性模型、几何非线性物理模型、材料非线性物理模型、双重非线性物理模型确定所述作业井架承载能力的相关准则；根据所述井架绷绳非线性效应确定所述绷绳允许拉力的相关准则。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，根据所述作业井架参数评估所述作业井架在非标准工作条件下的绷绳拉力和极限提拉载荷之后，所述的方法还包括根据所述作业井架在所述非标准工作条件下的绷绳拉力和极限提拉载荷优化所述作业井架参数。
4.一种作业井架载荷能力的评估装置，其特征在于，所述的装置包括结构形式分析单元，用于根据作业井架在非标准工作条件下的安装情况分析所述作业井架的结构形式和受力特征；数学物理模型建立单元，用于根据所述结构形式和受力特征建立所述作业井架的数学物理模型；力学行为准则确定单元，用于根据所述作业井架的数学物理模型确定所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则；参数确定单元，用于根据所述作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则确定所述作业井架参数，其中，所述的作业参数包括最大钩载、绷绳型号及绷绳位置；载荷能力评估单元，用于根据所述作业井架参数评估所述作业井架在非标准工作条件下的绷绳拉力，并预测所述作业井架在所述非标准工作条件下的极限提拉载荷。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述力学行为准则确定单元包括子模型建立模块，用于根据所述作业井架的数学物理模型建立作业井架线弹性模型、 几何非线性物理模型、材料非线性物理模型、双重非线性物理模型、并分析井架绷绳非线性效应；承载能力准则确定模块，用于根据所述的作业井架线弹性模型、几何非线性物理模型、 材料非线性物理模型、双重非线性物理模型确定所述作业井架承载能力的相关准则；绷绳强度准则确定模块，用于根据所述井架绷绳非线性效应确定所述绷绳允许拉力的相关准则。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括参数优化单元，用于根据所述作业井架在此所述非标准工作条件下的绷绳拉力和极限提拉载荷优化所述作业井架参数。
全文摘要
本发明提供一种作业井架载荷能力的评估方法及装置，其中，该方法包括根据作业井架在非标准工作条件下的安装情况分析作业井架的结构形式和受力特征；根据结构形式和受力特征建立作业井架的数学物理模型；根据作业井架的数学物理模型确定作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则；根据作业井架承载能力和绷绳允许拉力的相关准则确定作业井架参数，其中，作业参数包括最大钩载、绷绳型号及绷绳位置；根据作业井架参数评估作业井架在非标准工作条件下的绷绳拉力，并预测作业井架在非标准工作条件下的极限提拉载荷。通过本发明，可以提高修井作业的安全性及设备的使用效率。
文档编号G01M13/00GK102589869SQ20121005751
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者付玉红, 刘玉, 张军, 张成宇, 张春堂, 李弈缘, 杨平阁, 林丽娜, 肖素梅, 胡燕, 郝卓吾 申请人:中国石油天然气股份有限公司