超深井石油钻机提升系统动力学建模与分析

论文摘要

随着世界工业化的进一步发展,对石油产品需耗量越来越大,迫切需要开采地下深层石油,从而超深石油钻机的研制开发也就提上日程。ZJ70/4500DBF石油钻机是应用于7000m石油开采的超深井石油钻探装备。超深井石油钻机自重和负载较大,井架较高,比常规钻机更容易振动变形甚至失效。而且在起下钻过程中,提升系统需按照一定速度要求提起和下放钻杆,在正常工作时,保持对钻杆的一定的作用力,在这三种工况下,钻机提升系统都处于循环工作状态,动载荷变化明显,对钻机的动态性能影响较大。为了确保钻机不发生共振,各个部件的受力都在允许的范围之内,并寻找到运动时间与力、速度、加速度、位移等变量的关系,因此,对钻机提升系统做动力学分析非常必要。本文首先运用三维实体建模软件Pro/E创建钻机提升系统的三维实体模型,通过修改密度来补偿省略结构的质量,以减小误差;然后,为了更加准确的模拟提升系统的振动特性,把有相对运动的或主要受力的单个零件截分为多个零件,而把那些相对固定的、对提升系统动态特性影响不大的零件组合为一个刚体,并在接口程序Mech/Pro中对各个零件的连接部位做定位坐标(Marker),再参照提升系统实际连接情况,运用多刚体动力学软件ADAMS建立对应连接关系,并结合有限元软件ANSYS,对井架系统进行参数识别,同时还运用宏命令创建钻杆的几何模型和动力学模型;最后,通过外界激励下强迫振动的频域分析,求得井架在顶端四个连接点处正弦激励下的振动特性,再通过时域仿真分析,模拟提升系统的起下钻工作过程,并对仿真结果进行分析。通过本文的研究,建立了ZJ70/4500DBF钻机提升系统的动力学模型,获得了提升系统在正弦激励下发生共振的频率范围、相位、幅值和对应的振型,以及在起下钻过程中各个零部件的位移、速度、加速度、力和力矩等与时间关系的曲线,并且从中可以发现最大受力和最大变形的时间和位置。这将为系列超深井钻机产品的设计、优化和控制提供依据,并且提高了系统的稳定性、可靠性,为后继项目仿真平台的开发提供数据基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源与研究的意义
• 1.2 国内外石油钻机研究状况
• 1.3 课题的任务
• 1.4 本文内容安排
• 2 石油钻机提升系统结构分析
• 2.1 引言
• 2.2 石油钻机提升系统的结构组成
• 2.3 钻机提升系统工作原理
• 2.4 本章小结
• 3 ZJ70/4500DBF 钻机提升系统几何建模和质量补偿
• 3.1 引言
• 3.2 钻机几何模型的建立
• 3.4 质量的补偿
• 3.5 本章小结
• 4 多刚体动力学建模
• 4.1 引言
• 4.2 模型细化、合并与接口处理
• 4.3 动力学建模
• 4.4 本章小结
• 5 动力学仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 井架系统的频域分析
• 5.3 提升系统的时域分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录一：钻杆创建宏命令
• 附录二：创建 Sforce 的 Matlab 程序
• 附录三：创建 Sforce 的 ADAMS 宏命令
• 附录四：刚体名称解释