复合缸式钻井升沉补偿系统的设计研究

论文摘要

深海石油开发大多采用半潜式平台、钻井船等浮式钻井装置进行钻井作业。由于海浪的作用,钻井平台会产生升沉运动。而平台的升沉会带动钻柱一起运动,从而引起井底钻压的不稳定,降低钻头的使用寿命,甚至被迫停工,增加了钻井成本。因此,需要采用升沉补偿系统对钻柱升沉运动进行补偿。为研究大钩位移量与钻压变化量间的关系,本文建立了钻柱系统的动力学模型,应用级数法求解了钻柱系统的振动微分方程,得到了大钩位移量与钻压变化间的关系。通过Matlab编程进行数值计算得到,在钻柱长度为10000m时,大钩位移允许的最大值为83.8mm。在对现有升沉补偿系统分析和研究的基础上,本文提出了基于复合缸的钻井升沉补偿系统设计方案,设计计算了系统的主要结构参数和液压系统参数,建立了系统的数学模型,在此基础上建立了系统的Simulink仿真模型并进行了仿真研究。仿真结果表明,升沉补偿系统的工作气瓶体积可取为12m3,系统的补偿效果较好,可满足钻井过程中各种工艺的要求,并且能耗较低。仿真还得到了不同海况下对升沉补偿系统工作气瓶体积的要求,可作为升沉补偿系统实际操作过程中的参考值。为验证仿真模型的正确性并对设计的复合缸式升沉补偿系统进行模拟实验研究,本文设计了复合缸式升沉补偿系统的模拟实验,并拟定了多套液压控制方案,以通过实验来对比各种方案的补偿效果和系统能耗,以期找到复合缸式升沉补偿系统的最佳液压控制方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及研究目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 死绳升沉补偿系统
• 1.2.2 快绳升沉补偿系统
• 1.2.3 天车上的升沉补偿系统
• 1.2.4 游车和大钩间的升沉补偿系统
• 1.3 研究目标内容和解决的关键问题
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 解决的关键问题
• 1.4 本文采取的研究方案和技术路线
• 第二章 大钩运动的钻柱位移响应与钻压响应的分析
• 2.1 钻柱的设计
• 2.1.1 钻柱的设计参数
• 2.1.2 钻柱的设计计算
• 2.1.3 钻柱的变形及当量刚度计算
• 2.2 大钩运动的钻柱位移响应与钻压响应的分析
• 2.2.1 动力学模型
• 2.2.2 级数法求解振动微分方程
• 2.2.3 钻压变化量与大钩位移的关系
• 2.2.4 与静力学分析结果的比较
• 2.2.5 大钩位移与钻压变化量间关系的应用
• 第三章 复合缸式升沉补偿系统的设计研究
• 3.1 升沉补偿系统的设计参数
• 3.1.1 钻井平台的升沉运动
• 3.1.2 升沉补偿系统的负载
• 3.1.3 其他设计参数
• 3.2 复合缸式升沉补偿系统的原理
• 3.3 系统结构参数的设计计算
• 3.3.1 补偿缸运动规律计算
• 3.3.2 补偿系统工作气瓶体积的计算
• 3.3.3 补偿缸结构参数的计算
• 3.3.4 补偿缸内缸柱塞压杆稳定性的校核
• 3.4 系统液压系统的设计计算
• 3.4.1 工作气瓶的体积和工作压力
• 3.4.2 补偿缸主动补偿部分压力极限的计算
• 3.4.3 升沉补偿系统的最大流量和功率配置
• 第四章 复合缸式升沉补偿系统的理论分析
• 4.1 复合缸式升沉补偿系统的数学模型
• 4.1.1 升沉补偿系统负载的数学模型
• 4.1.2 复合式液压缸的数学模型
• 4.1.3 液压缸和比例阀间管路的连续性方程
• 4.1.4 气液转换器及工作气瓶的数学模型
• 4.1.5 比例方向阀的数学模型
• 4.1.6 油源部分的数学模型
• 4.2 复合缸式升沉补偿系统的仿真模型
• 4.2.1 仿真工具Simulink简介
• 4.2.2 升沉补偿系统仿真模型的建立
• 4.3 复合缸式升沉补偿系统的仿真分析
• 4.3.1 仿真参数的设置
• 4.3.2 仿真结果分析
• 第五章 升沉补偿系统的模拟实验研究
• 5.1 升沉补偿系统模拟实验的原理
• 5.1.1 平台升沉运动模拟系统
• 5.1.2 负载模拟系统
• 5.1.3 升沉补偿系统模拟系统
• 5.2 模拟实验系统的建立
• 5.2.1 模拟实验台结构及主要设备
• 5.2.2 模拟实验台液压系统的设计
• 5.2.3 各种液压控制方案的设计
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢