深海石油鉆機提升系統(tǒng)動力學建模與分析

深海石油鉆機

提升系統(tǒng)動力學建模與分析主要內容課題意義及國內外研究現狀綜述課題研究目標、研究內容及擬解決的關鍵性問題擬采取的研究方案、技術路線、實驗方案及其可行性分析課題創(chuàng)新性一、課題意義及國內外現狀綜述課題研究的意義石油鉆機是石油生產設備中的核心部件，直接影響著石油資源的開采，對國家的能源供應起著至關重要的作用。工業(yè)發(fā)展對石油能源需求的提高及陸地上采油的局限性。我國在石油開采行業(yè)起步比較晚，技術還相對比較落后，效率還很低下，很多問題還沒有得到解決，特別是海洋深層下面的開采問題。海洋鉆機鉆機的提升系統(tǒng)是鉆機的核心，它的工作性能直接影響到整個鉆機的工作性能。國內外研究現狀1896年，美國在加利福尼亞海岸為開發(fā)由陸地延伸至海里的油田，從防波提上向海里搭建了一座木質棧橋，安上鉆機打井，這是世界上第一口海上石油鉆機平臺。最初的海上勘探采用這種棧橋或人工島的方式。從此以后各個國家相繼出現海上石油鉆機平臺。據了解，1982年中國海油成立時，原油年產量僅九萬噸，經過28年發(fā)展，不僅油氣產量登上5000萬噸新臺階，更建立起完整的海洋石油工業(yè)體系，技術水平、裝備水平、作業(yè)能力和管理能力均處于亞洲前列，并得到國際同行的廣泛認可。從300米到3000米，以至于到現在的9000米。根據國內外的海上石油鉆機的發(fā)展狀況，絕大多數的產品都是國外公司設計的，真正屬于我們自主知識產權的較少，我國的海洋石油鉆機發(fā)展水平在整體技術方面與國外的海洋石油鉆機相比還存在一定的差距，我們應該看到這些差距。行業(yè)的整體技術與國外的差距也是不可忽視的：超深井鉆機配套設備不能滿足目前海洋鉆機的配套要求和技術發(fā)展需要；交流變頻鉆機轉盤防倒轉技術尚不成熟；鉆桿自動排放系統(tǒng)尚處于空白。

這些差距導致我國海洋石油鉆機不能滿足我國工程技術服務開拓國際市場的需要，更不能滿足我國海洋石油工業(yè)實施新的鉆井技術的需要。二、課題研究目標、研究內容和擬解決的關鍵性問題本課題通過對深海石油鉆機提升系統(tǒng)的理論研究和技術分析，以至于獲得提升系統(tǒng)發(fā)生共振的頻率范圍、相位、幅值和對應的振型，以及在起下鉆過程中各個零件的位移、速度、加速度和力與時間的關系曲線，并可以發(fā)現最大受力和最大變形的時間和位置，為以后深海石油鉆機平臺的開發(fā)提供數據基礎和理論依據。用虛擬樣機對井架的動態(tài)特性進行分析研究，為其結構設計和提升操作提供依據，從而避免起升事故的發(fā)生。課題研究目標研究內容對深海石油鉆機的提升系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析；

對鉆機井架進行單獨的研究及分析；在整個提升過程中，對系統(tǒng)的各個零部件的受力變化進行研究。擬解決的關鍵性問題用Pro/E進行三維實體建模；Pro/E與ADAMS模型的轉換問題；在轉換過程中要注意如環(huán)境變量統(tǒng)一處理、單位的統(tǒng)一、定位坐標的建立等重要問題；對鋼絲繩-滑輪系統(tǒng)進行建模分析。三、研究方法、技術路線、試驗方案及其可行性分析研究方法及手段首先根據閱讀大量海上石油鉆機的相關資料，了解國內外發(fā)展現狀；然后對深海石油鉆機的提升系統(tǒng)進行結構上的分析，了解深海石油鉆機提升系統(tǒng)的結構組成及工作原理；最后借助Pro/E和ADAMS等軟件對石油鉆機提升系統(tǒng)進行動力學建模與分析。技術路線1、鉆機提升系統(tǒng)的三維實體建模

海洋鉆機平臺提升系統(tǒng)研究的機械系統(tǒng)從初始的幾何模型到系統(tǒng)動力學模型的建立流程圖如下：幾何模型物理模型數學模型物理模型數學模型初始條件計算方程自動組集求解器涉及“初始條件計算”，即根據運動學約束和初始位置條件進行的幾何模型裝配。數學建模時，由求解器完成系統(tǒng)運動方程的各系數矩陣自動組集過程。b）深海石油鉆機提升系統(tǒng)三維實體建模絞車幾何模型井架幾何模型人字架幾何模型天車幾何模型游動滑輪幾何模型大鉤幾何模型轉盤幾何模型其它零件幾何模型深海石油鉆機提升系統(tǒng)整體裝配圖（未含繩索）2、Pro/E中建立了鉆機提升系統(tǒng)的三維模型，將鉆機提升系統(tǒng)的模型通過接口軟件Mech/Pro導入到ADAMS中，施加約束和載荷，建立了鉆機提升系統(tǒng)的虛擬樣機模型，而導入到ADAMS的模型不含繩索，鋼絲繩由于其特殊的結構特性，它介于剛體和柔體之間，難以在Pro/E中建模。3、鋼絲繩-滑輪系統(tǒng)建模。提升裝置的關鍵部分在于繩索-滑輪系統(tǒng)，其特點是繩索局部因與滑輪間存在復雜的接觸作用而產生大變形，繩索的其它部分做大范圍運動。不論是對井架在起升過程中的應力、應變及振動分析，還是整體上對井架起升裝置進行分析，繩索-滑輪系統(tǒng)建模非常重要。4、井架多剛體模型井架作為超深井石油鉆機的主要承載部件，在不同工況下承受多種動、靜載荷的作用，對其結構的設計和使用性能有著嚴格的要求，而且井架中的連接參數對整個系統(tǒng)動力學特性影響比較大，所以要對井架進行多剛體模型從新分析。兩種方法基于有限元的思想，在有限元軟件中建立井架的有限元模型基于多剛體系統(tǒng)動力學的理論，將井架分為多個剛體，剛體之間采用剛度阻尼柔性連接5、動力學仿真分析可行性分析1、符合現代化石油鉆機的發(fā)展需求隨著生產力的不斷發(fā)展，科學技術日新月異，而石油的需求量也越來越大，所有石油鉆機的發(fā)展也應該滿足我們對石油的需求量，而海上石油鉆機的發(fā)展是刻不容緩的，特別是深海石油鉆機，因此對深海石油鉆機提升系統(tǒng)的動力學建模和分析對我國的石油鉆機的研究顯得尤為重要。2、具有先進的理論支持近年來，國內外無論是陸地上的還是海上的石油鉆機都發(fā)展得非常快，也有許多人對石油鉆機的提升系統(tǒng)進行了分析，對提升系統(tǒng)的各個結構也做了詳細的分析等等，這就為深海石油鉆機提升系統(tǒng)提供了先進的理論支持。3、具有先進的技術平臺

通過這幾年各種軟件技術的不斷提高和發(fā)展，通過Pro/E進行三維實體建模，利用接口技術導入到ADAMS中，建立虛擬樣機模型。虛擬樣機技術為本課題的研究提供了技術保障。四、課題創(chuàng)新性課題的創(chuàng)新性1、在建模的過程中，盡可能把省略的零部件全部建立以獲得和現實完全相同的精確模型。利用現代的技術“虛擬樣機模型”的建立，也就是通過采用Pr