深海石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與分析

深海石油鉆機(jī)

提升系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與分析主要內(nèi)容課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題研究目標(biāo)、研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵性問題擬采取的研究方案、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及其可行性分析課題創(chuàng)新性一、課題意義及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述課題研究的意義石油鉆機(jī)是石油生產(chǎn)設(shè)備中的核心部件，直接影響著石油資源的開采，對(duì)國家的能源供應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。工業(yè)發(fā)展對(duì)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(shù)還相對(duì)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(jī)鉆機(jī)的提升系統(tǒng)是鉆機(jī)的核心，它的工作性能直接影響到整個(gè)鉆機(jī)的工作性能。國內(nèi)外研究現(xiàn)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(zhì)棧橋，安上鉆機(jī)打井，這是世界上第一口海上石油鉆機(jī)平臺(tái)。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(gè)國家相繼出現(xiàn)海上石油鉆機(jī)平臺(tái)。據(jù)了解，1982年中國海油成立時(shí)，原油年產(chǎn)量僅九萬噸，經(jīng)過28年發(fā)展，不僅油氣產(chǎn)量登上5000萬噸新臺(tái)階，更建立起完整的海洋石油工業(yè)體系，技術(shù)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(rèn)可。從300米到3000米，以至于到現(xiàn)在的9000米。根據(jù)國內(nèi)外的海上石油鉆機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，絕大多數(shù)的產(chǎn)品都是國外公司設(shè)計(jì)的，真正屬于我們自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的較少，我國的海洋石油鉆機(jī)發(fā)展水平在整體技術(shù)方面與國外的海洋石油鉆機(jī)相比還存在一定的差距，我們應(yīng)該看到這些差距。行業(yè)的整體技術(shù)與國外的差距也是不可忽視的：超深井鉆機(jī)配套設(shè)備不能滿足目前海洋鉆機(jī)的配套要求和技術(shù)發(fā)展需要；交流變頻鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤防倒轉(zhuǎn)技術(shù)尚不成熟；鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)尚處于空白。

這些差距導(dǎo)致我國海洋石油鉆機(jī)不能滿足我國工程技術(shù)服務(wù)開拓國際市場(chǎng)的需要，更不能滿足我國海洋石油工業(yè)實(shí)施新的鉆井技術(shù)的需要。二、課題研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性問題本課題通過對(duì)深海石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)的理論研究和技術(shù)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(duì)應(yīng)的振型，以及在起下鉆過程中各個(gè)零件的位移、速度、加速度和力與時(shí)間的關(guān)系曲線，并可以發(fā)現(xiàn)最大受力和最大變形的時(shí)間和位置，為以后深海石油鉆機(jī)平臺(tái)的開發(fā)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。用虛擬樣機(jī)對(duì)井架的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析研究，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提升操作提供依據(jù)，從而避免起升事故的發(fā)生。課題研究目標(biāo)研究內(nèi)容對(duì)深海石油鉆機(jī)的提升系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析；

對(duì)鉆機(jī)井架進(jìn)行單獨(dú)的研究及分析；在整個(gè)提升過程中，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)零部件的受力變化進(jìn)行研究。擬解決的關(guān)鍵性問題用Pro/E進(jìn)行三維實(shí)體建模；Pro/E與ADAMS模型的轉(zhuǎn)換問題；在轉(zhuǎn)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(biāo)的建立等重要問題；對(duì)鋼絲繩-滑輪系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。三、研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可行性分析研究方法及手段首先根據(jù)閱讀大量海上石油鉆機(jī)的相關(guān)資料，了解國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀；然后對(duì)深海石油鉆機(jī)的提升系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的分析，了解深海石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理；最后借助Pro/E和ADAMS等軟件對(duì)石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與分析。技術(shù)路線1、鉆機(jī)提升系統(tǒng)的三維實(shí)體建模

海洋鉆機(jī)平臺(tái)提升系統(tǒng)研究的機(jī)械系統(tǒng)從初始的幾何模型到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立流程圖如下：幾何模型物理模型數(shù)學(xué)模型物理模型數(shù)學(xué)模型初始條件計(jì)算方程自動(dòng)組集求解器涉及“初始條件計(jì)算”，即根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束和初始位置條件進(jìn)行的幾何模型裝配。數(shù)學(xué)建模時(shí)，由求解器完成系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的各系數(shù)矩陣自動(dòng)組集過程。b）深海石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)三維實(shí)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(dòng)滑輪幾何模型大鉤幾何模型轉(zhuǎn)盤幾何模型其它零件幾何模型深海石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)整體裝配圖（未含繩索）2、Pro/E中建立了鉆機(jī)提升系統(tǒng)的三維模型，將鉆機(jī)提升系統(tǒng)的模型通過接口軟件Mech/Pro導(dǎo)入到ADAMS中，施加約束和載荷，建立了鉆機(jī)提升系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，而導(dǎo)入到ADAMS的模型不含繩索，鋼絲繩由于其特殊的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵部分在于繩索-滑輪系統(tǒng)，其特點(diǎn)是繩索局部因與滑輪間存在復(fù)雜的接觸作用而產(chǎn)生大變形，繩索的其它部分做大范圍運(yùn)動(dòng)。不論是對(duì)井架在起升過程中的應(yīng)力、應(yīng)變及振動(dòng)分析，還是整體上對(duì)井架起升裝置進(jìn)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(jī)的主要承載部件，在不同工況下承受多種動(dòng)、靜載荷的作用，對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用性能有著嚴(yán)格的要求，而且井架中的連接參數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性影響比較大，所以要對(duì)井架進(jìn)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(dòng)力學(xué)的理論，將井架分為多個(gè)剛體，剛體之間采用剛度阻尼柔性連接5、動(dòng)力學(xué)仿真分析可行性分析1、符合現(xiàn)代化石油鉆機(jī)的發(fā)展需求隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，而石油的需求量也越來越大，所有石油鉆機(jī)的發(fā)展也應(yīng)該滿足我們對(duì)石油的需求量，而海上石油鉆機(jī)的發(fā)展是刻不容緩的，特別是深海石油鉆機(jī)，因此對(duì)深海石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模和分析對(duì)我國的石油鉆機(jī)的研究顯得尤為重要。2、具有先進(jìn)的理論支持近年來，國內(nèi)外無論是陸地上的還是海上的石油鉆機(jī)都發(fā)展得非?？?，也有許多人對(duì)石油鉆機(jī)的提升系統(tǒng)進(jìn)行了分析，對(duì)提升系統(tǒng)的各個(gè)結(jié)構(gòu)也做了詳細(xì)的分析等等，這就為深海石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)提供了先進(jìn)的理論支持。3、具有先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)

通過這幾年各種軟件技術(shù)的不斷提高和發(fā)展，通過Pro/E進(jìn)行三維實(shí)體建模，利用接口技術(shù)導(dǎo)入到ADAMS中，建立虛擬樣機(jī)模型。虛擬樣機(jī)技術(shù)為本課題的研究提供了技術(shù)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(xiàn)實(shí)完全相同的精確模型。利用現(xiàn)代的技術(shù)“虛擬樣機(jī)模型”的建立，也就是通過采用Pr