（机械工程专业论文）复合缸式钻井升沉补偿系统的设计研究.pdf

摘要 深海石油开发大多采用半潜式平台、钻井船等浮式钻井装置进行钻井作业。由于海 浪的作用，钻井平台会产生升沉运动。而平台的升沉会带动钻柱一起运动，从而引起井 底钻压的不稳定，降低钻头的使用寿命，甚至被迫停工，增加了钻井成本。因此，需要 采用升沉补偿系统对钻柱升沉运动进行补偿。 为研究大钩位移量与钻压变化量间的关系，本文建立了钻柱系统的动力学模型，应 用级数法求解了钻柱系统的振动微分方程，得到了大钩位移量与钻压变化间的关系。通 过m a t l a b 编程进行数值计算得到，在钻柱长度为1 0 0 0 0 m 时，大钩位移允许的最大值为 8 3 8 m m 。 在对现有升沉补偿系统分析和研究的基础上，本文提出了基于复合缸的钻井升沉补 偿系统设计方案，设计计算了系统的主要结构参数和液压系统参数，建立了系统的数学 模型，在此基础上建立了系统的s i m u l i n k 仿真模型并进行了仿真研究。仿真结果表明， 升沉补偿系统的工作气瓶体积可取为1 2 m 3 ，系统的补偿效果较好，可满足钻井过程中 各种工艺的要求，并且能耗较低。仿真还得到了不同海况下对升沉补偿系统工作气瓶体 积的要求，可作为升沉补偿系统实际操作过程中的参考值。 为验证仿真模型的j 下确性并对设计的复合缸式y t e d ：1 1 , 偿系统进行模拟实验研究，本 文设计了复合缸式升沉补偿系统的模拟实验，并拟定了多套液压控制方案，以通过实验 来对比各种方案的补偿效果和系统能耗，以期找到复合缸式升沉补偿系统的最佳液压控 制方案。 关键词：升沉补偿，半主动式，复合缸，浮式钻井平台 r e s e a r c ha n dd e s i g no fc o m p o s i t ec y l i n d e rh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m f o rd r i l l i n g w ug u a n g b i n ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gy a n t i n g a b s t r a c t s e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r m ，d r i l l i n gs h i pa n do t h e rf l o a t i n gd r i l l i n gd e v i c e sa r em o s t l y u s e dt od r i l li nt h ed e e p - s e ao i ld e v e l o p m e n t t h eh e a v em o t i o no fd r i l l i n gp l a t f o r m si sc a u s e d b yt h ew a v e t h eh e a v em o t i o nl e a d st ot h em o t i o no fd t i l ls t r i n g ，w h i c hr e s u l t si nt h e i n s t a b i l i t yo fd r i l l i n gp r e s s u r ea n dr e d u c et h es e r v i c el i f eo fd r i l lb i t s ，o re v e nh a v et os t o p d r i l l i n g t h i si n c r e a s e st h ed r i l l i n gc o s t s t h e r e f o r e ，ad r i l ls t r i n gh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m i sn e e d e dt oc o m p e n s a t et h eh e a v em o t i o n t os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n to ft h eh o o ka n dt h ev a r i a b l eq u a n t i t y o fd r i l l i n gp r e s s u r e ，t h i sp a p e rb u i l tt h ed y n a m i cm o d e lo ft h ed r i l ls t r i n g ，u s e dt h es e r i e s m e t h o dt os o l v et h ev i b r a t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o no ft h ed r i l ls t r i n ga n do b t a i n e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n to ft h eh o o ka n dt h ev a r i a b l eq u a n t i t yo fd r i l l i n g p r e s s u r e t h em a x i m u mo ft h eh o o kd i s p l a c e m e n ta l l o w e di s8 3 8 m mi nt h ed r i l ls t r i n gl e n g t h o fl0 0 0 0 m ，w h i c hi sa p p r o x i m a t e l yf i g u r e do u tb yt h em a t l a bp r o g r a m b a s e do nt h er e s e a r c h 。o ft h ee x i s t i n gh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m s ，t h ec o m p o s i t e c y l i n d e rh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m f o rd r i l l i n gi s p r o p o s e d t h em a i ns t r u c t u r ea n d h y d r a u l i cs y s t e mp a r a m e t e r sa r ed e s i g n e da n dc a l c u l a t e d ，t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e li ss e t u p o nt 。h i sb a s i s ，t h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li ss i m u l a t e dw i t hs i m u l i n k s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ew o r k i n gv e s s e lv o l u m em a yb ed e t e r m i n e da s12 m 3 ，t h ep e r f o r m a n c eo f c o m p e n s a t i o ns y s t e mi sb e t t e ra n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fv a r i o u sd r i l l i n gp r o c e s s e s ，a n d e n e r g yc o n s u m p t i o n i sl o w e r t h er e q u i r e dw o r k i n gv e s s e lv o l u m ei so b t a i n e db yt h e s i m u l a t i o n ，w h e nt h ec o m p e n s a t i o ns y s t e mi su n d e rt h ed i f f e r e n ts e ac o n d i t i o n t h ev o l u m e v a l u ec a nb eu s e da st h er e f e r e n c ev a l u eo ft h ea c t u a lo p e r a t i o n t ov e r i f yt h es i m u l a t i o nm o d e la n dr e s e a r c ht h ec o m p o s i t ec y l i n d e r - t y p eh e a v e c o m p e n s a t i o ns y s t e m ，t h ec o m p o s i t ec y l i n d e r - t y p eh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n l l e x p e r i m e n t si sd e s i g n e d ，a n ds e v e r a ls e t so fh y d r a u l i cc o n t r o lp r o g r a mi sp u tf o r w o r d t h e e f f e c t sa n de n e r g yc o n s u m p t i o no fv a r i o u sp r o g r a m sa r ec o m p a r e dt h r o u g hs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t si no r d e r t of i n do u tt h eb e s th y d r a u l i cc o n t r o ls c h e m eo fc o m p o s i t ec y l i n d e r - t y p e h e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：h e a v ec o m p e n s a t i o n ，s e m i - a c t i v e , c o m p o s i t ec y l i n d e r , f l o a t i n gd r i l l i n gp l a t f o r m 1 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者躲达燃嗍加肛臼扣日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：试托娥 指导教师签名：季鬈方延 日期：牌 日期：加j 年 堂月3 d e l t 月纱日 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的提出及研究目的 第一章绪论 2 1 世纪是“海洋世纪 。随着陆地资源的日趋枯竭，世界经济发展的战略眼光就聚 集到海洋上，发展海洋科技与高技术装备尤为重要【l 】。在石油领域，随着中国经济的发 展，特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展，石油和天然气供应不足的 矛盾日益突出。鉴于陆上石油资源的日渐枯竭，而浅海石油开发也已接近饱和，资源开 发向深海进军已成必然趋势【2 】。当前，国外海上石油钻机最大工作水深已经超过了 3 0 0 0 m ，我国海洋石油钻井最大水深不超过5 0 0 m ，许多拥有开采权的邻近海域中原油 矿藏得不到及时开发而被他国占领，造成了巨大的资源浪费。其原因主要在于我国海洋 石油开发的技术和装备落后，绝大部分重要设备都需要进口，增加了原油开采的成本， 限制了我国深海石油开发的发展进程。向深海要石油应是我国石油战略之一，推动主要 装备国产化，提高我国海洋技术装备的水平，是实施走出去向深海要石油的物质技术基 础【3 ，4 】。 进行深海原油开采一般采用浮式钻井船或半潜式钻井平台进行钻井作业。由于这两 种装置都是浮式钻井装置。而处于深海环境的海洋钻井平台面对的是一个变化无常的海 洋，要受到台风、海浪、海风、海流、海潮等因素的影响。处于正常工作状态时，海浪 是对钻采作业影响最大的因素。在海浪的影响下，船会产生横摇、纵摇、舶摇、横漂、 纵漂、垂漂( 即升沉) 六个自由度的摇荡运动【5 j 。为了保证钻采作业的稳定性和安全性， 必须对海洋钻井装置的六个自由度的运动进行控制。船的横荡、纵荡可以由船的锚泊系 统和动力定位系统来控制，以保证船不偏离预定的作业区域1 6 】，而船也可采用专门的用 于补偿横摇、纵摇、艏摇的装置。而对于重力方向上的升沉运动，就平台本身来说，其 升沉运动很难补偿，但是对于安装其上的一些装备的升沉运动是可以补偿的。 钻柱升沉补偿系统是钻井平台上对钻柱升沉进行补偿的装置，它是保障海上钻井船 或半潜式钻井平台作业的安全进行以及提高工作效率和质量必不可少的重要设备之一。 深海钻井所采用的半潜式钻井平台和钻井浮船在波浪的作用下将产生周期性的升沉运 动，并使钻柱上下往复运动，引起井底钻压的变化，甚至使钻头脱离井底，影响钻进的 效率，降低钻头和钻杆寿命，产生操作的安全隐患，甚至导致无法钻进和被迫停工，造 成巨大的经济损失【7 1 。因此，为了减少停工期，降低钻井成本，浮式钻井平台必须采用 第一章绪论 升沉补偿系统对钻柱升沉运动进行补偿。 液压式升沉补偿系统在海洋浮式钻井平台上应用最为普遍，形式比较多鲫，按照其 动力提供方式可以分为三种形式：主动式、被动式和半主动式。 主动式升沉补偿系统具有较好的补偿效果和较强的适应性，但由于钻柱质量大，上 下往复运动频繁，因此补偿过程中会消耗大量的能量。 被动式升沉补偿系统由于在补偿的过程中基本不需要系统额外提供能量，而且系统 简单，得到了较为广泛的应用。但由于对超低频、宽带随机振动的海浪、海流、海潮的 影响难以有效抑制，补偿精度不高【9 1 ，所以被动式补偿系统补偿效果不理想，并且存在 着一定的滞后现象。 半主动式升沉补偿系统综合了主动和被动系统的优点1 0 1 ，但是需要增设中间能量转 换设备，系统结构较为复杂，而且随着钻柱重量的不断增大仍然会消耗较多的能量。 针对各种升沉补偿方法存在的不足，本课题旨在提出一种新型半主动式升沉补偿系 统方案，通过糅合各种升沉补偿方法的优点，达到理想的补偿效果。由于钻井时钻柱长 达几千米甚至达到一万米，所以补偿系统负载大，耗能多。而蓄能装置的引入能降低补 偿过程中的能量消耗。 1 2 国内外研究现状 随着石油钻井从浅海向深海的发展，钻井浮船和半潜式钻井平台等浮式钻井设备得 到了越来越广泛的应用。为了在钻井设备升沉运动时保持井底钻压，并按岩层性质随时 调节钻压，现代浮式钻井系统大都装设了不同的升沉补偿装置。 对于升沉补偿技术的研究，国外起步较早【1 1 , 1 2 1 ，浮式钻井平台的升沉补偿问题是在 2 0 世纪5 0 年代末在国际上第一次被提出的。当时提出的典型解决方案是采用一种被称 为“b u m p e rs u b ”的钻柱弹性接头。但是这种设计需要不断的维护，并且要求操作人员 拥有丰富的经验。在6 0 年代早期，液压气动技术开始引入到升沉补偿系统中。此时的 升沉补偿系统安装在游车与大钩之间，采用压缩气体作为气压弹簧以支撑钻柱的重量。 大约1 9 7 0 年，v e t c o 公司、r u c k e r 公司和w e s t e r ng e a r 公司开发了这种升沉补偿器【1 3 】。 现在在国外升沉补偿系统已经实现了产品化，形成了些比较著名的升沉补偿系统的专 业生产厂家，如：美国的n a t i o n a lo i l w e l lv a r c o 公司、美国d y n a c o n 公司以及荷兰的 a k e r 公司。 按照安装位置的不同，升沉补偿系统可以分为如下几种形式：死绳升沉补偿系统f 1 4 1 、 2 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 快绳升沉补偿系统【1 外、天车上的升沉补偿系统【1 6 1 以及游车和大钩间的升沉补偿系统17 1 。 1 2 1 死绳升沉补偿系统 图1 1 所示为死绳升沉补偿系统【1 8 1 。 在此系统中，死绳绕在两个滑轮上。两滑 轮装在一个液压缸上，其中一个装在液压 缸体上，另一个装在活塞杆上。当钻井平 台随海浪上升( 或下降) 时，泵从液压缸 内抽出( 或注入) 液压油，使两个滑轮问 的距离减小( 或增大) ，从而释放( 或回 收) 一部分钢丝绳，使游车位置基本保持 不变，实现升沉补偿。 此方案中，由于平台升沉运动频繁， 钢丝绳长期承受交变弯曲应力，并且与天 车、游车间的磨损量大，致使其使用寿命 和可靠性都将受到影响。 1 2 2 快绳升沉补偿系统 图1 - 1 死绳升沉补偿系统 f i g l - i d e a d l i n em o u n t e dd r i l ls t r i n g h e a v ec o m p e n s a t o r 此方案不需要专用的升沉补偿系统，它是通过控制绞车的转动来保证游车基本不动， 从而实现升沉补偿的。 在系统中，由运动参考装置中的传感器获得钻井平台的升沉运动信号，并传送到控 制计算机中。控制计算机依据平台的升沉情况，连续地改变绞车驱动电机的转速，使天 车和游车间的钢丝绳增长或缩短，保持游车相对于参考坐标静止不动，从而实现升沉补 偿。 。 这种方案由于没有重量近1 7 0 吨的专用升沉补偿装置，所以增加了平台甲板的可变 载荷；由于所有装置都安装在平台甲板上，所以维修保养简单方便。但是此方案中钢丝 绳也是长期承受交变弯曲应力和大量的摩擦，所以其使用寿命和可靠性都将受到影响。 死绳和快绳升沉补偿方案都是通过改变天车和游车间钢丝绳的长度来改变两者之间 的距离来实现升沉补偿的。由于钢丝绳的弹性以及天车、游车、钢丝绳间的摩擦力等因 素的影响，使补偿系统的反应速度较慢，补偿精度不高。 3 第一章绪论 1 2 3 天车上的升沉补偿系统 天车上装设的钻杆升沉运动补偿器如图l 一2 所示f 1 9 1 ，采用浮动天车，即天车滑轮及 其上悬重均由双液缸所支持，但天车滑轮又可 沿天车的垂直轨道运动，于是相对来说，当天 车的垂直轨道随井架、平台升沉运动时，则天 车的滑轮可保持无垂直方向的位移，从而实现 钻杆升沉运动的补偿。 天车上的升沉补偿方案具有占用甲板面积 小，管线短、密封少，补偿装置的钢丝绳和滑 轮之间没有相对运动，钢丝绳的寿命不受影响 等优点，但因主要机构都在天车台和井架上， 需要特制的结构复杂而强度较大的天车和井 架，而且设备重心较高，稳定性差，维修和保 养也不太方便。 1 2 4 游车和大钩问的升沉补偿系统 图1 2 天车上装设的钻杆升沉补偿装置 f i 9 1 - 2c r o w nm o u n t e dd r i l ls t r i n gh e a v e c o m p e n s a t o r 游车和大钩间的升沉补偿方式具有不影响钢丝绳寿命，重心相对较低，维护较方便 等优点，而且游车及大钩也是通用的，相对于以上几种方案具有一定的综合优势，因此 目前应用得最为普遍。 现有的游车和大钩间的升沉补偿方案虽然结构形式各不相同，但由于补偿对象是频 繁的大功率往复运动，因此液压缸或气缸作为补偿元件是目前用得最多的一种升沉补偿 方式。 液压式升沉补偿系统按照其升沉补偿的动力提供方 式可以分为三种形式：主动式、被动式和半主动式。 图1 3 所示为深海采矿船扬矿管的主动式升沉补偿 系统。升沉补偿系统的液压缸的缸筒固定在采矿船上， 扬矿管悬挂在液压缸活塞杆上。当采矿船上升( 或下沉) 时，工控机通过位移传感器读入扬矿管偏离平衡位置的 升沉位移，然后根据这个升沉位移和一定的控制策略得 到个输入给电液比例方向阀的控制电压。在控制电压 4 图l - 3 主动式升沉补偿系统 f i g l - 3 a c t i v eh e a v e c o m p e n s a t i o ns y s t e m 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 的作用下，泵就通过电液比例方向阀向液压缸的上腔( 或下腔) 供油，使液压缸活塞杆下 降( 或上升) ，从而使扬矿管回到平衡位置，最终实现升沉补偿。 这种主动式升沉补偿方案具有较好的补偿效果和较强的适应性，占用平台空间少， 但是由于补偿系统的悬挂载荷很大，补偿过程中液压泵需要消耗的大量能量完全由平台 供给，经济性较差。 图1 4 所示为海洋石油钻井平台的被动式升沉补偿系统。系统中采用液气储能器与 补偿液压缸的工作腔内相通，并为其形成一定 的背压，以承担钻柱的重量。在钻井设备随波 浪进行升沉运动时，由于大钩上作用的载荷发 生了变化，因此液压缸的活塞会被迫做往复运 动，相当于一个液压弹簧阻尼器，减少了大钩 和钻柱的升沉运动幅度。 该方案由于在补偿的过程中基本不需要系 统额外提供能量，而且系统简单，得到了较为 广泛的应用，国外现有的浮式钻井系统大都采 用这种补偿方式。其不足之处在于补偿响应较 图1 - 4 被动式升沉补偿系统 f i 9 1 - 4 p a s s i v eh e a v ec o m p e n s a t i o n s y s t e m 慢，补偿效果较差，储能器体积较大，占用较多的平台空间。 图l 一5 所示半主动式升沉补偿系统9 】是在被动式升沉补偿系统的基础上，增设了一 套由液压泵驱动的调压系统，用来改善被动式系统响应慢、精度低等方面的不足，同时 由于液压泵所提供的动力仅仅用来补充由于摩 擦而引起的能量损失以及补偿液压缸运动过程 中举升力的变化，故能量消耗相对于主动式升 沉补偿有大幅度下降。另外采用半主动升沉补 偿方案可以有效地减小高压气罐的容积，从而 节省平台上有限空间。但是由于调压系统结构 比较复杂，驱动液压缸直径和行程都很大，制 造精度要求较高，因此设备成本较高，同时随 着钻柱重量的不断增大，升沉过程中交换的能 量增多，消耗的能量也将增加。 5 图l - 5 半主动式升沉补偿系统 f i g l - 5s e m i - a c t i v eh e a v e c o m p e n s a t i o ns y s t e m 第一章绪论 在我国，广东工业大学的吴百海教授2 睨2 1 和中南大学的刘少军教授2 3 。2 5 1 针对海底采 矿装置的升沉补偿系统进行了大量的工作，分别从理论分析、试验研究以及可视化和虚 拟样机等方面开展了较为深入的研究，并取得了一系列研究成果。华中科技大学的宾鸿 赞教授b 6 1 基于3 u p u 串并联结构设计了一种大洋采矿升沉补偿平台，此平台能够补偿 广义升沉运动( 升沉，纵摇，横摇) 。济南大学马汝建教授2 7 1 应用随机振动理论，对浮 动式钻井装置在随机海浪作用下的动力响应进行了分析，求出了系统的动力响应，进而 得出由于系统振动而作用于大钩、升沉补偿装置及井架上动载的计算公式。在上世纪七 八十年代，中国石油大学的方华灿教授曾做过钻柱升沉补偿系统的理论分析、工作原理 及设计研究，但其性能已满足不了现在的工况要求。根据资料显示，在最近二十多年， 国内没有做过钻柱升沉补偿系统方面的研究，技术已明显落后于国外。 综上所述，现有的升沉补偿系统无法从能耗和补偿效果两个方面同时满足海洋石油 钻井平台的需要，新型节能高效的升沉补偿系统亟待开发。 1 3 研究目标内容和解决的关键问题 1 3 1 研究目标 针对浮式海洋石油钻井平台，从补偿性能、能耗和钻井操作适应性等方面对国内外 常用的升沉补偿系统综合分析和评价，在现有的升沉补偿系统的基础上开展节能方法研 究，充分利用被动式升沉补偿系统能耗小和主动式补偿效果好的优势，将主动式和被动 式升沉补偿系统有机地结合起来，提出一种新型升沉补偿系统方案。通过理论分析、对 比评价、计算机仿真和模拟试验研究等多种手段，对提出的新型半主动式钻柱升沉补偿 设计方法开展系统研究和参数优化，以达到降低能耗、简化结构、提高补偿效果、增强 适应性和可靠性的目的。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 原有升沉补偿系统的对比分析 建立主动式和被动式升沉补偿系统的数学模型和仿真模型，对二者的综合性能进行 对比评价；对于被动式补偿系统，研究大钩载荷波动量与储能器或储气罐容量之间的关 系，为后续新型补偿方案的结构参数设计和优化提供设计依据。 ( 2 ) 新型升沉补偿系统的结构设计 在对现有升沉补偿系统对比分析的基础，找出各种系统存在的优点和不足，基于补 6 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 偿效果和节能要求，提出一种新型升沉补偿系统方案，以达到预期的目标。通过理论计 算得到升沉补偿系统的结构参数，对系统进行初步设计。 ( 3 ) 新型升沉补偿系统的液压回路设计 按照节能的要求，对升沉补偿系统的液压回路进行设计，并对系统进行理论计算分 析，将其作为液压元件选取的理论依据。 ( 4 ) 新型升沉补偿系统的建模与仿真 建立新型升沉补偿系统的数学模型和仿真模型，开展升沉补偿机理和主被动复合补 偿方案的研究，通过计算机仿真研究确定系统结构参数并考察该方案的补偿性能和节能 效果。 ( 5 ) 新型升沉补偿系统的模拟试验 进行新型升沉补偿系统的模拟试验研究，通过试验检验所设计的新型升沉补偿系统 的补偿性能和节能效果，并提出改进措施，进一步完善系统方案。 1 3 3 解决的关键问题 ( 1 ) 新型半主动式钻柱升沉补偿方案的确定； ( 2 ) 新型半主动式钻柱升沉补偿系统的结构设计及参数优化； ( 3 ) 升沉补偿系统的建模与仿真分析 ( 4 ) 模拟试验系统的建立与试验 1 4 本文采取的研究方案和技术路线 ( 1 ) 常用补偿方法的分析研究及仿真评价 对现有补偿方法进行研究，分析现有补偿方法的机理，找到各种方法的优缺点，为 新型补偿方案的提出提供参考资料；对主动和被动式升沉补偿系统建立仿真模型，对二 者补偿效果、结构复杂程度、能耗等方面的综合性能进行对比评价。对于被动式补偿系 统，通过仿真研究大钩载荷波动量与储能器或储气罐容量之间的关系，为后续新型补偿 方案的结构参数设计提供数据依据。该结果有助于在能耗和储能器容积这两个矛盾的参 数中间获得最佳的设计方案。 ( 2 ) 新型半主动式钻柱升沉补偿装置系统方案的研究 在前述研究的基础上，综合被动式和主动式补偿方案的优势，提出一种在补偿性能、 能耗和结构的复杂程度等性能方面达到最优化的结构方案。该方案采用复合缸代替常规 7 第一章绪论 液压缸。复合缸由内外两缸组成，外缸相当于被动式升沉补偿系统，内缸相当于主动式 补偿系统。 ( 3 ) 新型补偿系统的仿真分析与参数优化 针对所设计的系统方案建立起能耗和补偿性能的数学计算模型，深入分析和探讨能 耗和补偿性能的影响因素，通过m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块进行仿真分析，找出关 键影响因素与系统综合性能之间的相关性，通过参数优化得到合理的系统参数。 ( 4 ) 新型补偿系统的模拟试验研究 根据相似原理建立新型补偿系统的模拟试验装置，通过模拟试验验证仿真模型及方 法的正确性，依据试验结果对仿真模型进行改进和优化，并为完善系统方案提供试验依 据。 8 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第二章大钩运动的钻柱位移响应与钻压响应的分析 进行深海石油开发时，大多采用半潜式平台、钻井船等浮式钻井装置进行钻井作业。 由于海浪的作用，钻井平台会产生升沉运动。而平台的升沉会带动钻柱一起运动，从而 引起井底钻压的不稳定，降低钻头的使用寿命1 7 】。为了降低不利影响，通常会在平台上 装设升沉补偿系统。在升沉补偿系统的设计过程中，为了确定补偿系统的补偿目标，需 要清楚大钩位移与钻压变化的关系。因此，分析大钩位移与钻压变化的关系，是升沉补 偿系统研究的基础工作之一。 2 1 钻柱的设计 2 1 1 钻柱的设计参数 本文研究的钻井升沉补偿系统可用于万米深井的钻井作业中，因此，钻柱的长度按 一万米设计。其他的设计参数可查阅钻井技术手册得到。表2 1 为本文钻柱的设计参数。 表2 - 1 钻柱设计参数 t a b l e 2 - 1 d e s i g np a r a m e t e r so f d r i l ls t r i n g 参数名称 ， 数值 参数名称数值 设计深度 1 0 0 0 0 m 卡瓦长度 4 0 6 4 m m 钻铤长度 1 8 3 m 钻铤每米重量哌 1 6 1 0 n m 钻杆尺寸 1 1 4 3 m m 、1 2 7 0 m m 、1 3 9 7 m m 泥浆浮力系数厨 0 8 4 7 井斜角 o o 重力加速度g 9 8 0 6 6 5 拉力余量 4 4 5 川 安全系数 1 3 0 当11 4 3 m m 时，a s a t = 1 3 7 安全比值略概 当1 2 7 o m m 时，a j a t = 1 4 2 当1 3 9 7 m m 时，a j o - t = i 4 7 2 1 2 钻枉的设计计算 一般来说，在钻柱设计中，钻柱的最大允许静拉负荷取决于安全系数、最小的a s a t 比值和拉力余量三个因素，可分别用 09 p p a2 要v 丽。l a t y(2-1) 只：竺生( 2 - 2 ) 只= _ 上 ) 9 第二章大钩运动的钻柱位移响应与钻k 响应的分析 = 0 9 p y 一拉力余量 ( 2 - 3 ) 计算，然后从三者中取最低者作为最大的允许静拉负荷。 在设计复合钻柱时，一般在钻铤和钻杆之间应有一个过渡段，由于在本设计中这不 是重点，为了计算简明之见，在钻铤之上直接采用钻杆进行设计。 钻铤上面第一段采用11 4 3 m m 、钻杆米重q 1 = 2 4 2 3 n m 、e 级钻杆，p y = 1 4 7 0 9 k n ， 其最大允许静拉负荷为 p a l - 等= 鼍笋= 9 6 6 2 9 k n p 4 ， 当拉力余量为4 4 5 千牛时，最大允许静拉负荷为 疋l = 0 9 p y 一拉力余量= 0 9 x 1 4 7 0 9 - 4 4 5 = 8 7 8 8 k n ( 2 - 5 ) 由式( 2 5 ) 得到的计算结果可以看出，拉力余量计算的t l 小于按卡瓦挤毁比值的 计算值，那么第一段1 1 4 3 m m 、2 4 2 3 n m 、e 级钻杆的长度为 厶：p 二k f - q c l c ：( 8 7 8 8lo o 8 4 7 16 0 1 l8 3 ) 2 4 2 3 ：3 4 0 5 m( 2 6 ) g l 其它各段钻柱计算方法与此类似，整个钻柱的计算结果如表2 - 2 所示。 钻柱的重量为 g 柱= g 。l c + 留l l l + 9 2 l 2 + 9 3 l 3 + q 4 l 4 + 9 5 l 5 = 2 9 3 0 x 1 0 3 k n ( 2 7 ) 则钻柱的质量为m 柱为2 9 8 9 8 t 。 表2 - 2 钻柱组成 t a b l e 2 - 2 c o m p o s i t i o no fd r i l ls t r i n g 直径( m m )钢级每米重量( n m ) 拉力p y ( k n ) 长度( m ) 1 3 9 7 s 1 3 5 3 6 0 5 23 9 8 2 4 9 81 2 0 7 1 2 7 os 1 3 52 8 4 7 83 1 6 8 5 ll2 7 1 7 1 1 4 3g 1 0 52 4 2 32 0 5 9 2 42 4 8 8 1 1 4 3e2 4 2 31 4 7 0 93 4 0 5 钻铤 1 6 1 01 8 3 合计 1 0 0 0 0 2 1 3 钻柱的变形及当量刚度计算 因悬吊钻柱的大钩随浮动钻井装置的升沉振动，产生振动动载，引起钻柱的拉力产 生周期性变化，因而使井底钻压不能保持稳定，这样将使钻头寿命降低。经实践表明， l o 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 钻头承受的冲击动载达钻压的1 0 一- - 2 0 时，钻头寿命将降低2 - - 一7 。本文钻压变化 按照1 0 计算，已知钻压为1 5 吨，则钻压变化幅值为 1 a n ：1 5 1 0 3 9 8 1 0 x 二= 7 3 5 0 n( 2 8 ) 2 由胡克定律可推得，钻压变化下钻柱长度的变化量计算公式为 a l ：a n l( 2 9 ) 刚 式中，三为钻柱长度；e 为钻柱材料的弹性模量，一般取2 l o g p a ；彳为钻柱的横截 面积。 通过查阅资料，得到各段钻柱的横截面积。利用式( 2 9 ) 计算得到各段钻柱长度 的变化量，列于表2 3 中。钻柱长度的变化量随钻柱长度的变化曲线如图2 1 所示。 表2 - 3 钻柱各段变形 t a b l e 2 - 3d e f o r m a t i o no fd r i l ls t r i n g 位置( 下起)艮度( m )横截面积( m m 2 )长度变化量( m m ) 钻铤1 8 32 0 8 2 1 0 3 1 第一段3 4 0 5 2 8 4 44 1 9 3 第二段 2 4 8 82 8 4 43 0 6 4 第二段 2 7 1 73 4 0 l2 7 9 8 第四段1 2 0 74 2 7 7 9 8 9 总计 1 0 0 0 01 1 0 7 5 由表2 - 3 可知，钻柱的最大燹彤量幅值为1 1 0 7 5 m m ，则大钩升沉的允讦范围为 1 1 0 7 5 m m 。 钻柱的当量刚度肠为 耻筹 ( 2 - 1 0 ) 由式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 可得 k d = 瓦a n = t e a ， ( 2 - 1 1 ) 由式( 2 1 0 ) 得，1 0 0 0 0 米时钻柱的当量刚度为 k 。：些：旦：6 6 3 6 6 n 朋( 2 1 2 ) “ 缸0 11 0 7 5 第二章大钩运动的钻柱位移响应与钻压响应的分析 钻柱长度l ( m ) 图2 - 1 钻柱长度不同时钻柱长度的变化量 f i 9 2 - 1 d r i l ls t r i n gd e f o r m a t i o nw i t hc h a n g el e n g t ho fd r i l ls t r i n g 由式( 2 1 1 ) 得，钻柱当量横截面积彳d 为 以= 警= 丽6 6 3 6 6 x 1 0 0 0 0 = 3 1 6 0 m m 2( 2 1 3 ) 2 2 大钩运动的钻柱位移响应与钻压响应的分析 2 2 1 动力学模型 由于钻柱在井筒内的变形及受力情况十分复杂，为了从实际问题中抽象出动力学模 型及分析计算，作以下基本假设口够o l ： 忽略钻杆直径的变化，假设钻杆为均质等直径 弹性杆。 将钻铤和钻头简化成集中质量m 。 本文分析的问题是以钻头不跳离井底( 即钻压 始终大于零) 为前提的，因此可假设钻铤固定 于井底。 假设大钩与平台刚性连接，大钩随平台的升沉 运动为正弦运动。 假设井筒轴线是垂直向下的，忽略钻柱的弯曲 变形和与井壁的接触和摩擦。 钻柱的振动形式分为纵向振动、横向振动和扭 1 2 图2 - 2 钻柱力学模型 f i 9 2 2d y n a m i cm o d e lo f d r i l ls t r i n g ) ) ) ) ) ) 1 2 3 4 5 6 ( ( ( ( ( ( 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 转振动1 2 7 1 。本文仅分析钻柱的纵向振动，忽略横 向振动和扭转振动。 基于以上基本假设，得到钻柱的动力学模型如图2 2 所 示。图中s = b s i n c o t 为大钩的位移，三为钻柱的长度，m 为钻 铤和钻头的集中质量。 以钻柱上端为坐标原点，钻柱轴线为x 轴，向下为正方 向建立坐标系。在钻柱x 处取微元进行受力分析( 如图2 3 ) ， 由达朗伯原理，得 + 型d x n - - c 丝d x 一脚出宴：o ( 2 1 4 ) n ic 丝出 i 西 n 上型d x 缸 图2 - 3 微元受力分析 f i 9 2 - 3 m i c r o - e l e m e n t s t r e s sa n a l y s i s 式中，c 为钻柱在泥浆中的粘性阻力系数，p 为钻柱材料的密度，彳为钻柱的横截 面积，甜为x 处横截面上一点的纵向位移，为x 处横截面上轴向应力的合力。 由材料力学知 n ：o a ：e 鲥：e a 塑( 2 1 5 ) 巩 由式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) ，解得 鼻+ ，掣：口2 粤 ( 2 1 6 ) 矿 百钏矿 旺。 式中，= 者，棚= 居e 为钻柱的弹性模量。 图2 2 所示力学模型由偏微分方程式( 2 1 6 ) 来描述，其边界条件为： u ( o ，f ) = bs i nc o t ( 2 1 7 ) u ( ，f ) = 0 ( 2 1 8 ) 2 2 2 级数法求解振动微分方程 大钩的位移可看作是钻柱系统的激振位移。为求解系统的绝对位移响应，考虑绝对 位移甜为 u = u o - i - u ( 2 - 1 9 ) 式中，u 。表示假设钻杆无质量时其上任一点由于大钩运动引起的位移，u 表示钻 1 3 杆上任一点相对于u o 的位移。”o _ 】由静力分秽r 采确疋 ：生兰b s i n 耐 ( 2 2 0 ) 甜o2t sn 刎 u 。 d 再求得“，即可得到绝对位移”。为求解u ，将式( 2 - 1 9 ) 和( 2 - 2 0 ) 代入式( 2 1 6 ) ， 整理得 _ 0 2 1 1 * _ a 2 旦兰三+ ，鱼：z - xb 缈2s i n c o t 一l - xb r 缈c o s 研 ( 2 2 1 ) 可可w 百2t 肋s 三砌洌 “。 再代入到边界条袢式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 中，得 甜( 0 ，f ) = 0 ( 2 2 2 ) u ( 工，t ) = 0 ( 2 - 2 3 ) 式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 3 ) 是偏微分方程式( 2 2 1 ) 的边界条件。解此偏微分方程求 得甜，便可得到钻柱系统的绝对位移响应u 。 由机械振动理论知，由边界条件式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 确定的两端固定的弹性杆振 动系统的主振型和固有频率为p 1 1 ： x ，：d ，s i np , x ，只：挈。 口 l 偏微分方程式( 2 2 1 ) 采用级数法求解，设 甜= 秘净n 等 协2 4 ) 代入式( 2 2 1 ) 整理得， 缸川槲驯s i n 等= 字酬础研- - r c o s 刎) 上式中左边为x 的正弦级数，其系数 互”+ r t + 只2 那) = i 2r 字s i l l 等出协( 缈s i i l m t - rc o sc o t ) ：2 b - m ah j ( 缈s i n m t - r c o s c o t ) ( 2 2 5 ) = 一几i ，x i _二 三 一 式悯= 专一彘咖等 锯式( 2 2 5 ) 得 1 4 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 黔簿端丁2 b c o a 州删+ 雨斋。半啊p 洲， + c 生2 生+ c 己e 一笔盟r ( 2 - 2 6 ) +e+ ， 2 () 式中，c 1 、岛为常数。 从上式中最后两项可以看出，随着时间t 的增大，这两项趋于零。而所求的振动响 应是系统稳定( 即f 趋于较大值) 后系统的稳态振动响应，所以这两项可忽略，则式( 2 2 6 ) 变为 驰) = a i 丁2 b c o a s i nc o t + b 。半c o s 优 ( 2 - 2 7 ) 式e ea , = 芒筹啬z ，e = 再筹而e 将式( 2 2 0 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 7 ) 代入式( 2 1 9 ) 得钻柱系统的绝对位移响应为 ”：一z - x 心n 耐+ 争( 4 塑s i n c o t + b ，半c o s c o t ) s i n 生( 2 2 8 ) | 。=l la 2 2 3 钻压变化量与大钩位移的关系 钻柱系统的振动载荷可由下式求得 f = 以丝0 x = e a 一丁b s i n c o t 嘻删。2 8 工c os i n 耐+ e 半c o s 蛳。s 等】 当护。时，f i x ：o = 阱半嘻删，半s i n 刎柚半c o s 删。由此舸求 得大钩所毙明搌动载何。 当成时删m = e a 一t b s i n c o t + 喜删，t 2 b c os m 耐地半c o s 蛳。s 争 = a fs i n ( c o t + o ) ( 2 2 9 ) 式中一= 属丽舻蝴等 如刈喜半c o s 争如= 尉喜e 半c o s 等 对集中质量m 进行受力分析可知，钻压的变化量a 与x = l 处的振动载荷大小相等， 第二章大钩运动的钻柱位移响虑与钻压响应的分析 即 a n = f i 。= a fs i n ( 纠+ 咖 ( 2 3 0