钻井平台钻杆自动排放系统研究

论文摘要

钻杆排放是钻井作业过程中的一项重要操作。为克服常规钻杆排放操作存在的不足,人们开始探索使钻杆操作机械化的各种方法,于是用来在井口与立根盒之间移动钻杆的钻杆排放系统应运而生。钻杆自动排放系统可以实现钻井过程中井口到立根盒之间钻杆排放的自动化遥控操作,避免人与钻杆的直接接触,并可加快起下钻速度,对提高海上钻井作业安全性和降低作业成本将会发挥重要作用。随着对深水及超深水海域的钻探开发,越来越多的钻杆自动排放系统逐步应用于半潜式钻井平台,并且已经显示出极大的优越性。钻井过程中采用钻杆自动排放系统在提高钻井作业安全性、加快钻井速度、降低劳动强度等方面发挥了显著的作用。在近年研制的半潜式钻井平台上,钻杆自动排放系统得到广泛应用。为降低海上钻井作业成本,改善钻井人员工作条件,本课题设计研究一种适用于半潜式钻井平台的钻杆排放系统,实现钻杆排放操作的自动化。论文主要完成了以下几个方面的工作:首先,分析了课题研究的目的和意义,论述了钻杆自动排放系统的发展概况以及国外的典型系统。其次,完成了钻杆排放系统和PLS系统的总体方案设计,主要包括原动机、传动系统和执行系统,阐述了系统的工作过程。然后对系统各运动构件进行运动学、静力学和动力学分析,其中采用旋量理论对立柱部分的运动学和动力学进行分析。最后总结全文得出结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 国外钻杆排放系统的典型结构
• 1.3.1 星型
• 1.3.2 X-Y型
• 1.3.3 平行型
• 1.4 X-Y型钻杆排放系统
• 1.4.1 系统的机构介绍
• 1.4.2 控制系统
• 1.4.3 操作
• 1.4.4 系统操作试验
• 1.5 发展因素
• 1.6 主要研究内容与方法
• 1.6.1 课题研究内容
• 1.6.2 拟采取的研究方法及其可行性分析
• 第二章 钻杆自动排放系统机械系统设计
• 2.1 总体功能分析
• 2.2 机械系统设计
• 2.2.1 举升手臂机构
• 2.2.2 引导手臂机构
• 2.2.3 夹持机构
• 2.2.4 轨道小车
• 2.2.5 排放架
• 2.2.6 PLS系统
• 2.3 操作
• 2.3.1 钻杆锁定
• 2.3.2 钻杆排放
• 2.3.3 PLS系统移送单根上钻台
• 2.3.4 单根接成立根
• 2.4 执行系统协调设计
• 2.4.1 PRS系统协调设计
• 2.4.2 PLS系统协调设计
• 2.5 机构尺寸设计
• 第三章 钻杆自动排放系统运动学分析
• 3.1 刚体旋量理论及指数积
• 3.1.1 旋量
• 3.1.2 刚体速度和伴随变换
• 3.1.3 指数积与雅可比矩阵
• 3.2 立柱部分运动学分析
• 3.2.1 运动学正解
• 3.2.2 运动学逆解
• 3.2.3 空间雅可比矩阵
• 3.3 举升臂和引导臂运动分析
• 3.3.1 沿水平方向运动
• 3.3.2 沿竖直方向运动
• 3.4 PLS系统运动分析
• 第四章 钻杆自动排放系统静力分析
• 4.1 PRS系统静力分析
• 4.1.1 夹持部分
• 4.1.2 举升部分
• 4.1.3 立柱部分
• 4.2 PLS系统静力分析
• 4.2.1 提升臂部分
• 4.2.2 立柱部分
• 第五章 钻杆自动排放系统动力学分析
• 5.1 概述
• 5.2 拉格朗日方程
• 5.2.1 基本公式
• 5.2.2 刚体的惯性
• 5.3 开链系统动力学
• 5.3.1 开链系统的拉格朗日函数
• 5.3.2 开链系统的运动方程
• 5.4 钻杆自动排放系统动力学
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢