新一代顶驱钻机钻井深度可达3 000 m,解决了深孔复杂地层钻探对高效能钻机的迫切需要,井架作为钻机重要组成部分,在勘探工作中承载复杂载荷的同时还用于安放天车、游车等设备。现常用井架主要是水平低位安装,整体起升,移运不便,为了提高新型钻机使用效率,设计了一款占地面积小,起升节约空间,适用于丘陵、山峦地带,运输成本低的新型井架。使用ANSYS Workbench有限元分析软件对设计的井架进行静态分析、动态分析、稳定性分析,从而验证井架结构设计的可靠性。主要研究内容如下:(1)新型井架基于K型井架优点,将其改进为一款垂直起升模块化井架,井架设计符合API Spec 4F《钻井和修井井架、底座规范》等规范要求,根据钻机的工作要求,对井架主体和附件进行设计,同时确定井架起升和连接方式。(2)对井架进行静力学分析。确定井架不同环境工况,在其相应位置施加载荷,得到井架不同工况下的变形、应力分布情况,分析结果得出各工况下井架应力安全系数均大于API标准规定,满足强度要求。(3)对井架进行动态特性分析。井架模态分析得出前十阶固有频率和自振型,调试钻井工作中旋转设备的转速,避免共振危险发生;使用完全法完成谐响应分析,井架可以避开危险频率,克服共振发生;井架进行瞬态动力学分析时,在井架施加冲击钩载的基础上耦合风载,响应结果得出:井架结构本身存在系统阻尼,导致瞬态振动响应会有延迟,振动幅值在波动过程中变化,分析井架抵抗冲击载荷的能力。(4)对井架整体进行稳定性理论折算,得到整体结构稳定性应力小于井架材料的许用应力,井架整体稳定性满足符合使用要求,通过有限元分析计算得到井架的失稳临界载荷大于井架顶部承受的最大载荷,两种方法证明井架的稳定性能良好。分析结果表明,研制的新型井架刚度、强度和整体稳定性满足安全设计要求,性能可靠,使用前景广泛。