超深井石油钻机提升系统动力学建模与分析毕业论文.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 超深井石油钻机提升系统动力学建模与分析 姓名：罗贤勇 申请学位级别：硕士 专业：机械电子 指导教师：陈学东 20080529 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 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。 关键词：关键词：钻机；动力学分析；提升系统；动力学建模。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract with the further development of the industrialization, the consumption of oil products is increasing, so the research of ultra-deep drilling rigs have been on the agenda. the drilling rig zj70/4500dbf is a kind of ultra-deep oil drilling rigs, applicable to drill a depth of 7000 meters. ultra-deep drilling rigs wiht heavy load, high derrick, are more easily distorted because of vibration than conventional drilling rigs. during making a trip, the drill pipe must be put up or put down in accordance with some certain requirements, and in normal working hour the drill pipes need to been maintained with a certain force to make sure the press is right between the aiguille and rock. in the three conditions,the forces on hoisting system are always in a circulation,and the dynamic load,which has a great impact on the performance of drilling rigs, changes significantly.so the study of mechanical properties about hoisting system of drilling rigs is very important now. in this thesis, firstly,the 3d modeling software pro/e is adopted to build up geometric model,and the density must be recorrected to make up the loss of mass to reduce errors because some parts and part features are overlooked;secondly,in order to get better results of vibration,some parts which are moveable or bear the main force are divided into more parts,and some others,which are fixed each other,are mergered to one part.in the software mech/pro,some positioning coordinates (marker) are built between two parts which are connected.then,in accordance with actual connetions,it is simulated by buiding up connections with special joints and forces in adams, and the parameters are identified with ansys together.finally, by time domain analysis and frequency domain analysis, the results of dynamics is attainable. through the study of this thesis, the virtual prototype system of a drilling rig hoisting system can be abtained, and resonance frequency range and the corresponding vibration mode are also attainable, and the curves of displacement, velocity, acceleration force and torque of all parts are aviable. it is easy to find the time and places where have the largeset force as well as deformation. meanwhile, it provides the basis to design, optimize and control of series of deep drilling rig, and enhances system stability, reliability, furthermore, it provide the data source to develop simulation platform software. key words: drilling rigs, dynamic analysis, hoisting system, dynamic modeling. ii 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1.1 课题来源与研究的意义课题来源与研究的意义 1.1.1 课题来源 本课题来源于河南省重大科技攻关项目数字化超深井石油钻机动力学与控制仿 真平台。 1.1.2 课题研究的意义 我国在改革开放二十多年来，国家工业化不断提高，能耗企业也相对较多，对能源 的开发和利用日益紧迫，预计 2020 年中国的石油消费量可能要达到 4 亿吨以上，其中 需要进口 2 亿吨以上。我国在石油开采行业起步比较晚，技术还相对比较落后，效率还 很低下，很多问题还没有得到解决，特别是在深层地表下的开采问题1。要开采深层地 表下的石油，那么超深石油钻机的研制和开发也就提上日程。南阳二机开发的 zj70/4500dbf 钻机就是钻深可达 7000m 的超深井石油钻探设备。 钻机提升系统(包括井架、天车、游车、绞车、底座及其上的所有装备等) 作为一 个复杂的系统，其静力学特性和动力学特性都十分复杂，绞车的的低频振动，钢丝绳的 振动以及地基振动、 风振等都有引起共振的可能性,特别是超深井石油钻机， 其自重和负 载都很大，井架高度大，在外部激励下比常规石油钻机更加容易振动变形，甚至导致结 构失效；其次，由于这样大的工程设备几乎都处于单件生产状态，加工质量和装配精度 的误差是不可避免的，就会产生一系列对系统动力特性有影响的因素，比如杆件之间的 联接方式、 联接间隙等。 由于这些随机性质的影响， 即便是经过精细静力学设计的井架， 仍有一定的发生共振而失效的可能性；再次，在非共振情况下，正常的起下钻过程中， 系统的各个部件受力是否在可承受的范围内， 是否发生失效等都对钻机的改进优化至关 重要2。针对上诉问题，现有的理论研究多偏重于运用静力学或者最大设计钩载的方法 来完成，虽然现在静力分析技术愈趋完善精确，但是静力学分析忽略了特殊情况下的纵 向冲击和正常工作阶段受周期性持续载荷等时间载荷的作用， 故单独从静力学方面考虑 的分析方法显得不够准确、全面。目前动力学分析在科研与工程中都开始广泛运用，而 且在设计中通过精细的动力分析来估算提升系统的动力特性也已成为可能。所以，运用 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 动力学分析方法，以动载荷作为提升系统所承受的实际载荷来研究系统的动力特性，就 能使系统力学分析更准确、更科学合理。这就可最大限度地避免由于在实际使用中钻机 系统发生共振或者结构缺陷失效而给设计者及使用者所造成的困扰和损失3。 1.2 国内外石油钻机研究状况国内外石油钻机研究状况 1.2.1 国内石油钻机发展现状 1957 年以来，我国石油钻井技术大体上经历了仿制和引进消化到再创新两个阶段， 目前已经形成年生产钻深 10009000 米的各种海陆石油钻机 200 台的生产能力，并开 发了可以用于斜井和丛式井以及沙漠地区专用的钻机、顶部驱动、盘式刹车和交流变频 驱动三项新技术，基本上跟上了国外钻机技术发展的步伐。 我国目前一千至九千米的钻机已经形成系列，具备生产 10009000 米机械传动、 电传动、顶部驱动的各种成套钻机的能力。 全国目前有 900 多台大中型钻机，其中 87%都为国产。在石油钻机中，80%为机械 驱动，20%为电驱动。近年来，我国石油钻井已经在国际市场上占有一席之地，除了直 接出口之外，目前三大公司为了获得海外份额，已经有 200 多套钻井带到海外打井4。 1) 国内石油钻机发展特点以及与国外的差距： 国内钻机的发展特点为4-6： (1) 成套石油钻机具备国际竞争力； (2) 国产电驱动钻机发展迅速； (3) 钻机在适应性、成套性、品种多样性和系统化、自动化、智能化等方面与发达 国家还有很大差距； (4) 国产钻机特别是机械钻机的维修时间占生产总时间的 5%-10%，而美国只有 2%-3%； (5) 适应沙漠、沼泽等条件的钻机研制才刚起步； (6) 需要加大发展小井眼石油钻机、连续管石油钻机、自动化石油钻机等先进钻机 设备的投资，推广车装钻机，发展撬装钻机。 国内钻机与国外钻机的主要差距5 (1) 技术更新缓慢，先进技术不够普及； (2) 产品可靠性差； (3) 缺少有竞争力的名牌产品。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2) 国内的主要研究 目前国内对一些新型钻机或者类似的架型提升机构的分析也日益重视， 上海交通大 学、武汉理工大学、西南石油学院、大庆石油学院、哈尔滨工业大学以及四川石油管理 局等部门都对这些结构都做了很多分析， 总体来说， 国内的研究主要集中在井架和底座 系统上，运用有限元理论和动力学理论，对井架或底座力学特性做了较多研究1,7-21。 西南石油学院的侯勇俊对修井机起升系统做了动力学分析， 得到在不同的载荷下， 大钩、 井架等系统的各种动力学特性7； 武汉理工大学的陆浩华对海洋石油平台做了动力学响 应分析，以验证结构设计是否合理，并对结构的设计提出了改进的建议11；上海交大 的傅武军,朱昌名等对单绕式电梯的动力学做了分析，揭示了拽机失衡和轿箱垂直振动 的因果原因，并说明了振动和运动速度、加速度的关系12；西安交大的任国友对钻进 井架的有限元模态进行了分析，验证了井架结构设计是否合理13；四川石油管理局的 段明成,郑勇等对 jj450/45-k4 型钻机做了可靠性分析，得出了改型结构设计合理的结 论，为下一代新产品的开发提供了依据14；大庆石油学院的陈如国针对 k 型井架，运 用有限元理论、 振动力学理论和风载荷谱理论， 分析了井架的稳定性和在风载荷下的动 力学特性18；华东石油学院的陈如恒等运用动力学理论对钻机在动载荷下的响应做了 具体的分析,得出了在不同动载荷下钻机系统的动力学特性20。 1.2.2 国外石油钻机发展现状 20世纪90年代以来，国外研究、改进并开发了多种新型石油钻机，涌现出来了一些 新结构、新技术。为了适应浅海、海滩、沙漠及丘陵等不同地带油气藏的勘探，美国、 德国、法国、意大利、加拿大、墨西哥、罗马尼亚等国先后研制开发了各种类型的石油 钻机。其中，美国在世界钻机技术和销售量上均属首位。就我国目前普遍使用的机械驱 动钻机而言，美国在20世纪60年代已达到成熟阶段，到70年代其石油制造业得到迅速发 展。几十年来，国外钻机在传动方式和结构形式方面发展很快。近年来，顶驱发展也十 分迅速。目前，开始推广使用交流变频电驱动钻机 21。 1) 国外石油钻机发展特点 今后石油钻机的发展特点是多样化、两极化、自动化和人性化22。 (1) 类型多样化 近年来，根据井位环境差异，开发出不同类型的石油钻机，如沙漠钻机、海洋钻机、 浅海和海滩钻机、极地钻机、城市钻机、地震区钻机、全地形钻机、直升飞机吊运钻机 和陆地钻机等。为满足不同钻井工艺的需要，出现了丛式井钻机、斜井钻机、小井眼钻 机、特深井钻机、直走式钻机、自动化钻机、柔杆钻机及搬家最快的钻机，形成了石油 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 钻机的多样化。 (2) 体积趋于两极化 为了满足不同需要，石油钻机在体积上向深井钻机大型化和轻便钻机小型化发展。 深井石油钻机趋向大型化：emsco公司研制的世界上第1台输入功率为3676 kw的绞车已 问世，该绞车由4台大扭矩的直流电动机驱动，采用强制水冷却盘式刹车，起升钢丝绳 直径为小于50mm。钻井泵单台最大功率达1618 kw，最高压力达52.7 mpa。为了提高起 升作业效率， 特深井钻机均采用4个单根组成的立柱， 故井架高度已超过50 m。 德国ktb 公司使用的utb21gh3000eg型超深井钻机的井架最高为63m。轻便石油钻机趋向小型 化：为了适应浅海、海滩、沙漠及丘陵地带油气藏的勘探，国外公司在20世纪60年代开 始研制模块式钻机。美国在1973年设计了tba1000型系列钻机，其经济钻井井深为 1800m6000 m，每个模块质量不超过18103kg，既可用直升机运输，也可用雪橇、 履带车及船舶等运输。轻便钻机主要以车装钻机为主，美国是世界上生产车装钻机较多 的国家，车装钻机得到广泛应用，其中，3500m以下的井几乎都是车装钻机。目前，世 界上最小的微型钻机只有14103 kg，是经济效最好的一种石油钻机。 (3) 控制趋于自动化 随着顶部驱动钻井装置、盘式刹车技术、电驱动与全液压钻机的出现，大大加快了 钻机自动化的步伐。顶部驱动钻井装置的出现，克服了转盘钻井方式存在的缺陷，给钻 井工程带来了诸多好处，将遇阻、遇卡事故降至最低；可实现立柱钻井，提高作业效率； 提高机械化程度；操作更安全。盘式刹车制动力矩容量大，稳定、安全、可靠；实现遥 控操作，便于布置钻台操作控制系统，使操作更省力、更安全；易实现自动送钻，为钻 井智能化创造了条件。与机械钻机相比，电驱动钻机具有操作安全、维护保养方便的特 点，特别是全数字系统的出现，使得控制功能更完善，可靠性更高，调整更容易，更改 功能更快捷，故障诊断更充分，操作维护更简单。 随着大功率液压元器件可靠性的提高，挪威mh公司推出了全液压驱动的绞车、转 盘和钻井泵。与此前已推山的全液压顶驱、管子排放系统、液压机械手及天车型液压升 沉补偿器，构成了海洋钻机的机械化和智能化操作系统。与机械驱动相比，液压驱动在 质量和体积上有着明显的优势。 (4) 设计趋于人性化 新型钻机要充分体现以人为本的思想， 最大限度满足环保、 安全等要求。 一是护栏、 梯子满足安全规定； 二是上下井架有助(阻)力器； 二层台有逃生器， 钻台上有逃生滑道， 有天车防碰和紧急刹车装置，避免游车大钩碰撞天车在任何情况下制动游车大钩和绞 车；三是选用无公害的摩擦盘(片)、刹车块、油漆，保证员工健康；四是刹车毂、辅助 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 刹车的刹车盘循环水冷却使用，柴油机排放满足环保要求。 2) 国外的主要研究 国外对石油钻机设备的研究比较深入，范围也十分广泛。如运用静力学和动力学的 分析方法，对绞车，井架，钻盘等机构的稳定性、可靠性做了大量研究8,23-38。俄罗斯 的研究人员认为提升系统是钻井最重要的部分， 很大程度上决定了钻机的工作能力和可 靠性。 由于提升系统的循环载荷作用十分明显， 导致钻机构件的损坏 80%属于疲劳破坏， 因而，就起下钻时作用于钻机上的周期性变载的起因及特点做了大量的分析；美国在钻 机的提升性能、游动系统和钻杆方面，开展了比较深入的理论研究，重点在节约起下钻 时间上；罗马利亚研究主要集中在钻机起升机构的基本特性上，提出了将起升机构看做 具有分布质量弹性体系来加以研究的方法，进行了游动系统的静力学和动力学研究。针 对电驱钻机在该国的广泛运用，还研究了如何减少钻机起下钻时间，具有重大的技术和 经济意义。德国、波兰研究了多钢丝绳机构中的负荷平衡问题，分析了钢丝绳的受力情 况。德国在研究钻机井架受力时，将其起升机构化为二质量二弹性连接的数学模型，列 出了运动微分方程，并对振动解的力和运动参数进行了讨论。波兰还研究了钻具长度对 钻机起升系统负载的影响 8。具体如：挪威的 moan 等对钻杆的动态定位做了详细的研 究 29；意大利的 bertini, beghini 对钻进的各个关键连接部分和钻杆进行了共振分析， 防止系统在外激励下发生共振而疲劳断裂 32；美国的 wang ，sterling 等运用数字仿真 的办法对水平钻机做了稳定性分析 33。 1.3 课题的任务课题的任务 根据 zj70/4500dbf 钻机在提起和下放钻杆 （起下钻） 过程中的作业要求， 建立 pro/e 三维实体模型、有限元模型和虚拟样机模型，确定井架系统的固有频率和振型以及强迫 激励下发生共振的频率、相位、幅值等。模拟起下钻的运动过程，分析系统的各个部分 的动力学特性，寻找到构件最大受力和最大位移的位置和时间，建立位移、力、速度、 加速度和变形等变量的关系，为系列钻机的设计或改进提供技术参考。 针对上述课题任务，本论文所完成的工作主要有： (1) 三维实体建模。运用三维建模软件 pro/e，按照样机设计图纸建立零件确切的 三维几何模型，并省略掉那些对全局动态性能影响不大的辅助零部件。由于省略的零部 件在空间位置上和质量上分布都比较均匀，如楼梯等就均匀的安装在整个井架上，故通 过修改零件密度来把省略零部件的质量均匀的添加到系统中去， 以减小质量属性引起的 误差，最后再组装成提升系统几何总装模型。 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (2) 动力学建模。首先，对模型进行细化、合并等接口预处理。钻机提升系统的 三维实体建模是动力学建模的基础。为了得到正确的动力学特性，而按照设计图纸建立 的三维几何模型的单个零件尺寸相对与整体而言过于庞大， 用刚体无法模拟相应的运动 和变形，故需要对模型进行细化。在 pro/e 中对井架系统做模型细化：把每个单节井架 平均分成三到四节；把背横梁分成二到三节；把斜拉杆分成四节。同时为了以后建立力 学连接关系位置的正确性， 运用 mech/peo 接口程序在零件间的关键连接部位 （圆心， 质心等）创建定位坐标（marker）标记。然后，在多刚体动力学软件 adams 中，参照提 升系统的实际连接情况， 通过选用固定副、 旋转副、 移动副、 力元等来模拟相应的连接， 以得到与现实相同的动态特性，建立起整个提升系统的动力学模型。再后，在有限元软 件 ansys 中，选用梁单元 beam188，建立井架的有限元模型，并对其做模态分析，得到 前五阶的固有频率和振型，并以此为基准，辨识动力学模型中井架的连接参数，以获得 相同的固有频率和振型。最后，运用 adams 中的宏，循环建立钻杆的几何模型和动力学 模型。每三节钻杆之间，通过圆柱副、力元和球绞连接起来，模拟实现钻杆的轴向拉升 变形、扭转变形与横向弯曲变形，并在钻杆与大地之间通过力元建立摩擦阻尼。 (3) 动力学仿真分析。首先，在 adams 中对井架进行强迫振动频域分析，寻找到 井架系统在绞车的正弦振动激励下发生共振的振型、频率范围以及相应的相位和幅值， 以让绞车避开这些引起共振的转动频率；再对整个提升系统进行时域仿真分析，模拟钻 机提升系统在起下钻过程中的运动情况，并提取结果加以分析，从结果中可以清楚的得 到提升系统各个部分零件的速度、位移和加速度等参数的变化曲线，从这些曲线中可以 看出最大力、力矩和变形发生的时间和位置，为以后的系统优化改进提供参考。 1.4 本文内容安排本文内容安排 文章内容共分为六个章节：第一章为绪论部分，主要介绍了课题的来源、课题意义 以及国内外的研究现状；第二章阐述了石油钻机提升系统结构组成以及工作原理；第三 章主要介绍了钻机提升系统的几何建模和质量补偿。在设计图纸的基础上，对于提升系 统的主要结构建立起精确的几何模型，而对那些附属零部件加以省略，并采用修改密度 的方法来补偿省略的质量；第四章主要阐述了钻机提升系统的动力学建模。首先对几何 模型做预处理， 然后参照模型的实际连接情况， 运用各种约束副建立对应的动力学模型； 第五章介绍了动力学仿真分析。 其中包括激励下的强迫振动频域仿真分析和模拟起下钻 过程的时域仿真分析，并对部分仿真结果加以讨论；第六章为本文的工作总结和展望。 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 石油钻机提升系统结构分析石油钻机提升系统结构分析 2.1 引言引言 石油钻机提升系统是由多个子结构组成的复杂系统，主要包括绞车、天车、井架、 游车、人字架以及底座和钻杆等。在起下钻过程中，通过多级动滑轮和定滑轮的转化， 把绞车的转动转化为游车的上下往复运动。 为了揭示石油钻机提升系统的结构关系及其 工作原理，并且为提升系统的几何建模、动力学建模奠定基础，本章介绍石油钻机提升 系统的结构组成，并详细说明了提升系统的工作原理。 2.2 石油钻机提升系统的结构组成石油钻机提升系统的结构组成 图 2.1 石油钻机提升系统的组成结构 zj70/4500dbf 钻机属于超深井地表钻盘石油钻机39-40（钻深 7000m） ，而本文的 研究对象是 zj70/4500dbf 钻机结构中的提升系统。其主要由以下七个部分组成： (1) 绞车：型号 jc70db。绞车是钻机的核心部件。绞车在石油钻井过程中，不仅 担负着起下钻具、下套管、控制钻压、处理事故、提取岩芯筒、试油等各项作 业，而且还担负着井架及底座起放任务。jc70db 绞车是一种新型交流变频控 制的单轴齿轮绞车，主要由交流变频电动机、减速箱、液压盘刹、滚筒轴、绞 车架、自动送钻装置、空气系统、润滑系统等单元部件组成。其安放在基座上， 通过钢绳连接天车系统。其主要作用是在井架和基座的起身过程、起下钻过程 中提供动力，即通过交流变频电机，把旋转动力传给减速器，然后通过联轴器 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 把动力传给绞车，再通过绞车滚筒的旋转带动缠绕在滚动上钢丝绳的移动，从 而通过钢丝绳把动力传递给提升系统的其他部分。 (2) 天车：型号 tc450。安放在井架顶端，通过钢丝绳，上连绞车系统，下连游车 系统。其主要由天车座和一系列导向定滑轮组成（与游车系统共同组成一套滑 轮系统） ，起到力的转向与分配作用。它可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻 钻机绞车在钻井各种作业(起下钻、下套管、钻进、悬挂钻具)中的负荷并减少 发动机组配备功率。 (3) 井架：型号 jj450/45-k。jj450/45-k 井架是 zj70/4500dbf 钻机的重要组成部件 之一，也是系统中主要的受力结构，由桁架组成。jj450/45-k 井架安装在 dz450/10.5 拖撬式底座上，与钻机配套使用，用于安放天车，悬挂游动系统， 进行起下钻具，排放立根、下套管、处理井下事故等作业。 (4) 人字架：人字架用销轴固定在基座上，背靠井架，用 u 型扣环与其相连。在提 升系统起下钻过程中固定井架，防止井架的前后摆动。 (5) 游车：型号 yc450。主要由游车架、大钩和一些列的动滑轮组成，与井架顶端 的天车系统共同构成一套滑轮系统。其上通过钢丝绳连接天车，其下通过大钩 连接钻杆等设备。在起下钻和正常钻进过程中，通过其提拉钻杆。 (6) 基座：型号 dz450/10.5。其为旋升式结构，用以安放井架、绞车、转盘及放置 立根和钻井工具，提供钻井作业操作的场所和井口装置的安装空间。底座承受 钻井工作载荷、井架起升载荷与设备重力载荷，并把这些载荷传递到地面。 (7) 钻杆：型号 41/2“钻杆。在提升系统中，钻杆作为载荷，通过大钩与游车相连。 这七个部分的连接关系如图 2.2： 绞车 天车 井架 人字架 游车 钻杆 钢缆 钢缆 钢缆 螺栓 销钉 u 型扣环 基座 螺栓 销钉 图 2.2 提升系统连接关系图 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 zj70/4500dbf 钻机的提升系统技术参数如下41： (1)名义钻深范围(5“钻杆) 40006000 m (41/2“钻杆) 45007000 m (2)最大钩载 4500 kn(450 t) (3)最大钻柱重量 220 t (4)绞车最大输入功率 1400 kw (5)大钩提升速度 01.275 m/s (6)绞车档数 iir 无级变速 (7)转盘档数 iir 无级变速 (8)绳系及钢丝绳直径 67； 38 mm (9)转盘型号及开口直径 zp375； 952.5 mm (10)井架型式及有效高度 k 型； 45.5 m (11)底座型式及钻台高度 旋升式； 10.5 m 2.3 钻机提升系统工作原理钻机提升系统工作原理 图 2.3 提升系统工作原理图 整个提升系统可以简化为图 2.3 所示的滑轮组系统。其工作原理如下： 绞车固定在基座上（如图中绞车系统） ；天车安装在井架上端，与井架连接的四个 角用螺栓固定 （如图中天车系统） ； 游车与天车通过钢绳连接起来， 悬置与井架中央 （如 图中游车系统） ；钻杆通过大钩连接在游车上；钢绳的一端固定在井架的死绳固定器上， 一端参绕在绞车的滚筒上，中间穿过由七个定滑轮和六个动滑轮组成的滑轮组。 无级调速电机把转动扭矩经过变速器转换放大后，再传递给绞车，绞车滚筒转动， 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 带动钢丝绳在滚动表面缠绕或释放，钢丝绳再带动天车系统中的导向轮（定滑轮 1 号） 转动，然后把钢丝绳的拉力传递给游车系统上的动滑轮（2 号） ，动滑轮 2 转动，再通 过钢丝绳传递给天车系统中的定滑轮（3 号） ，。即通过动、定滑轮的转动带动参 绕在上面的钢绳一起转动，最终把绞车的选转运动转化成游车系统的上下往复运动，再 通过大钩，带动下面的钻杆往复运动，从而实现了钻机的起下钻过程。 提升系统的天车中的定滑轮起到力的转向作用，游车中的动滑轮起到力的平均分配 作用，六个动滑轮把快绳的拉力增大了 12 倍，大大提高了系统的承载能力，也降低了 绞车电动机的匹配功率。 2.4 本章小结本章小结 本章主要介绍石油钻机提升系统的结构组成，钻机提升系统主要分成七大部分：绞 车、天车、井架、人字架、游车、基座和钻杆，详细介绍了各个部分在提升系统中的作 用以及与其他部分的连接关系。最后根据提升系统工作原理图，详细阐述了提升系统是 如何把绞车的旋转运动转化成游车的上下往复运动的工作原理，还说明了动、定滑轮在 该过程中的作用。 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 zj70/4500dbf 钻机提升系统几何建模和质量补偿钻机提升系统几何建模和质量补偿 3.1 引言引言 建模是把系统的部分本质信息简化成有用的描述方式的过程。一般而言，复杂机械 系统的模型建立是从最初的几何模型建立，到力学模型的建立，最终生成数学模型。几 何模型提供了一个直观的显示，可以使用户对模型结构更清楚，操作更方便。建模是动 力学仿真分析的前处理阶段，故几何模型的建立对求解具有至关重要的作用，直接关系 到分析结果的成败。 zj70/4500dbf 钻机提升系统三维几何建模是动力学建模和动力学仿真的前提。在 本文中，运用三维建模软件 pro/e 来建立钻机提升系统的三维几何模型。同时由于在建 模时对附属零件的省略，使系统的总体质量有所损失，故质量补偿就有很重要的意义。 3.2 钻机几何模型的建立钻机几何模型的建立 钻机提升系统中的绞车、天车、井架、人字架、游车在起下钻过程中是主要的运动 部件或者是主要的受力结构，故它们的几何模型对后继的动力学建模比较重要，需要相 对比较完成的几何模型，而基座是固定安放在地面上的，可以作为大地来考虑，井架上 的二层台作为负载来考虑，故它们两个在建模时可以只考虑质量，不考虑外形，在本文 中不做详细介绍。 3.2.1 绞车几何模型 在钻机的提升过程中，绞车系统的作用是提供动力。绞车由两台 700kw 的交流变 频电动机经联轴器同步将动力输入左、右齿轮减速箱，经二级齿轮减速后传给滚筒轴， 通过滚筒的旋转带动钢丝绳的缠绕运动。 绞车整个变速过程完全由主电机交流变频控制 系统操作实现。图 3.1 是绞车系统的完整平面结构图： 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3.1 绞车系统平面图 jc-70db 绞车技术参数 (1)最大输入功率 1400 kw (2)最大快绳拉力 485 kw (3)钢丝绳直径 38 mm (4)档数 1 正 1 倒（无级调速） (5)滚筒转速 0299 r/min (6)钩速 01.275 m/s (7)转盘转速 0246 r/min (8)开槽滚筒尺寸（直径长度） 7701434 mm (9)刹车盘尺寸（外径厚度） 152076 mm (10)绞车外形尺寸 792032082680 mm 但是在本课题中，绞车系统的动力传递关系不是研究重点，故在三维几何建模过程 中做了适当的省略，去掉了两台驱动电机和两个减速器以及与滚筒的联轴器，只建立了 与提升系统紧密相关的滚筒和基座等部件的模型，并对模型的细小特征做了简化。三维 图如图 3.2 所示： 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3.2 绞车几何模型 建立的几何模型零件列表： 表 3.1 绞车零件列表 编号 图纸编号中文名称编号图纸编号中文名称 1 jc70db-01-01-00 5jc70db-02-09-00 刹车盘 绞车架底座 2 jc70db-01-02 绞车架左/右墙板6jc70db-02-00滚筒轴 3 jc70db-02-05-00 7jc70-14-20-00滚筒 左轴承座 4 jc70db-02-11-00 8jc70db-13-00右轴承座自动送钻装置 3.2.2 天车几何模型 天车是安装在井架顶部的定滑轮组，与游车组成一套滑轮系统，它可以大大降低快 绳拉力，从而大为减轻钻机绞车在钻井各种作业(起下钻、下套管、钻进、悬挂钻具)中 的负荷并减少发动机组的配备功率。 tc-450 天车技术参数 (1)最大钩载 4500 kn (2)滑轮外径 1524 mm (3)滑轮数 7 (4)适用钢丝绳直径 38 mm (5)捞砂轮外径 762 mm (5)捞砂钢丝绳直径 14.5 mm (6)辅助滑轮外径 400 mm (7)外形尺寸 340727222856 mm 在天车系统中，建模时省略了一些不太重要的细小部件，如围栏、防碰装置和挡绳 架等，三维模型如图 3.3图 3.4 所示： 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3.3 天车主滑轮组模型 图 3.4 天车几何模型 建立的几何模型零件列表： 表 3.2 天车零件列表 编号 图纸编号 中文名称 中文名称编号图纸编号 1 tc450-01.00 4tc450-09.00辅助滑轮总成 导向轮总成 2 tc450-02.00 5tc450-10.00起重架 主滑轮总成 3 tc450-07.00 6tc450-12.00捞砂轮总成 天车底座 3.2.3 井架几何模型 jj450/45-k 井架是 zj70/4500dbf 钻机的重要组成部件之一， 也是主要的受力结构， 在系统受到激励时，振动变形也是最大的，故对井架模型严格按照设计图纸建模。对于 井架上附带的一些设备，如护栏，楼梯等省略，并对省略部分做适当的质量补偿处理。 当前“k”型井架都不制成一个整体结构，因为不便于井架的搬迁。一般都是将 井架分成几大段，通常是五段，每段又分为左右两大片，每片为一个焊接件。每段的两 大片是由背部腹杆和斜拉杆通过销钉联接在一起， 段与段之间是通过螺栓组或者销钉联 接，从而形成一个整体。新井位安装井架时，是按上述方法在地面上先将井架装成一个 整体，此时井架是水平搁置的，然后通过钻机自身的动力提升系统将其整体起升、竖立 并固定在井位上1。 jj450/45-k 井架安装在 dz450/10.5 拖撬式底座上，与钻机配套使用，用于安放天 车，悬挂游动系统，进行起下钻具，排放立根、下套管、处理井下事故等作业 jj450/45-k 井架技术参数 (1)井架型式 k 型 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (2)最大钩载 4500 kn（450 t） (3)有效高度(钻台面至天车梁底面) 45.5 m (4)顶部开裆（正面/侧面） 2.5/2.2 m (5)底部开裆 10 m (6)二层台高度 24.5 m；25.5 m；26.5 m (7)立根容量 (114 mm 钻杆，28 m 立根) (250 柱) 7000 m (8)抗风能力： 等候天气(无钩载，二层台靠满立根) 36 m/s 保全设备(无钩载，二层台无靠放立根) 47.8 m/s 井架起放 8.3 m/s (9)配套天车 tc-450 (10)配套底座 dz450/10.5 底座 井架的三维几何模型如图 3.5 所示： 图 3.5 井架几何模型 建立的几何模型零件列表： 表 3.3 井架零件列表 编号 中文名称 图纸编号 1 jj45045-01/02/29.00连接架 2 jj45045-03/08/13/15/20/23/28.00斜拉杆 3 jj45045-04/09/17/26.00左段井架 4 jj45045-05/11/14/19/22.00背横梁 5 jj45045-07/10/18/27.00右段井架 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3.2.4 人字架几何模型 人字架是由左、右前腿，左、右后腿及横梁等组成的门形结构，用来起放和支靠井 架。其上设有快绳排绳器的安装座板。人字架通过 u 型扣与井架连接，下端通过销轴 固定在底座上。在提升系统中，人字架主要起固定井架的作用，防止井架前后晃动。其 三维几何模型如图 3.6 所示： 图 3.6 人字架几何模型 建立的几何模型零件列表： 表 3.4 人字架零件列表 零件编号 中文名称 图纸编号 1 jj45045-01/02/29.00连接架 2 jj45045-03/08/13/15/20/23/28.00斜拉杆 3 jj45045-04/09/17/26.00左段井架 4 jj45045-05/11/14/19/22.00背横梁 5 jj45045-07/10/18/27.00右段井架 3.2.5 游车与大钩几何模型 游车系统主要由游车侧板，动滑轮组和大钩组成，一方面和天车组成一套力的传递 系统，一方面连接钻杆，起直接提拉钻杆的作用，由于大钩不是分析的重点，故在建模 时候主要考虑的是质量属性，对其结构特征做了省略。 yc-450 游车技术参数 (1)型号 yc-450 (2)最大钩载 4500 kn (3)滑轮数 6 (4)滑轮外径 1524 mm (60) 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (5)钢丝绳直径 38 mm(11/2) 图 3.7 游车系统几何模型 图 3.8 游车主滑轮组几何模型 建立的几何模型零件列表： 表 3.5 游车系统零件列表 编号 图纸编号 中文名称 中文名称编号图纸编号 1 yc450-01 7yc450-20/21螺母/螺杆 压板 2 yc450-02 8yc450-23-00做侧板组 十字头 3 yc450-03 9dg315-01大钩吊环 销轴 4 yc450-13 10dg315-03吊环销轴 滑轮轴 5 yc450-15-00 11dg315-02钩身 右侧板组 6 yc450-16 12dg315-10/11上/下筒体 滑轮 3.2.6 钻机提升系统整体模型装配图 通过把以上各个系统组合安装到一起，并且添加了底座、二层台，zj70/4500dbf 钻 机的提升系统整体装配模型图如图 3.9 所示： 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 二层台 天车 游车 图 3.9 zj70/4500dbf 钻机提升系统装配图 3.4 质量的补偿质量的补偿 由于在建立钻机提升系统的几何模型时，对一些细小的、对全局影响不大的零部件 做了省略，从而导致建立起来的模型总体质量与原来设计质量有一定的差别，影响到零 件的转动惯量等一系列和质量相关的属性， 而转动惯量等属性对系统的动态特性十分重 要，故为了准确的模拟提升系统的动态特征，需要对零件做质量补偿。 在省略的一些结构中，一般是围栏等附属设备，他们分布比较均匀对称，故质量 补偿采用调整密度的方法。通过适当修改密度，以达到零件的总体质量和设计质量基本 保持一致。以井架的右中上段为例，其修改前后质量属性差异如表 3.6 所示： 表 3.6 质量属性对比表 密度 7.9 e-06 kg/mm3 质量 3.2478914e3 kg ixx ixy ixz4.758e9