深海石油钻机提升系统动力学建模与

1、深海石油钻机深海石油钻机提升系统动力学建模与分析提升系统动力学建模与分析主要内容主要内容u 课题意义及国内外研究现状综述课题意义及国内外研究现状综述u 课题研究目标、研究内容及拟解决的关键课题研究目标、研究内容及拟解决的关键性问题性问题u 拟采取的研究方案、技术路线、实验方案拟采取的研究方案、技术路线、实验方案及其可行性分析及其可行性分析u 课题创新性课题创新性一、课题意义及国内外现状综述一、课题意义及国内外现状综述课题研究的意义课题研究的意义 石油钻机是石油生产设备中的核心部件，直接影响着石油资源石油钻机是石油生产设备中的核心部件，直接影响着石油资源的开采，对国家的能源供应起着至关重要的作用

2、。的开采，对国家的能源供应起着至关重要的作用。 工业发展对石油能源需求的提高及陆地上采油的局限性。工业发展对石油能源需求的提高及陆地上采油的局限性。 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，特别是海洋深层下面的还很低下，很多问题还没有得到解决，特别是海洋深层下面的开采问题。开采问题。提升系提升系统统旋转系旋转系统统泥浆循泥浆循环系统环系统动力系动力系统统防喷器防喷器系统系统控制系控制系统统钻机辅钻机辅助系统助系统海洋海洋钻机钻机 钻机的提升系统是钻机的核心，它的工作性能直接影响到整个钻机的提升

3、系统是钻机的核心，它的工作性能直接影响到整个钻钻 机的机的 工作性能。工作性能。系统复杂系统复杂 容易受外界因素影响容易受外界因素影响自重和负载自重和负载较较大大井架高度大井架高度大加工和转配时的精度误差加工和转配时的精度误差系统各个部件的受力情况系统各个部件的受力情况针对以上存在针对以上存在的问题和现有的问题和现有的理论知识来的理论知识来研究研究国内外研究现状国内外研究现状l 1896年年，美国在加利福尼亚海岸为开发由陆地延伸至海里的油，美国在加利福尼亚海岸为开发由陆地延伸至海里的油田，从防波提上向海里搭建了一座木质栈桥，安上钻机打井，田，从防波提上向海里搭建了一座木质栈桥，安上钻机打井，这

4、是世界上第一口海上石油钻机平台。最初的海上勘探采用这这是世界上第一口海上石油钻机平台。最初的海上勘探采用这种栈桥或人工岛的方式。从此以后各个国家相继出现海上石油种栈桥或人工岛的方式。从此以后各个国家相继出现海上石油钻机平台。钻机平台。l 据了解，据了解，1982年中国海油成立时，原油年产量仅九万吨，经过年中国海油成立时，原油年产量仅九万吨，经过28年发展，不仅油气产量登上年发展，不仅油气产量登上5000万吨新台阶，更建立起完整万吨新台阶，更建立起完整的海洋石油工业体系，技术水平、装备水平、作业能力和管理的海洋石油工业体系，技术水平、装备水平、作业能力和管理能力均处于亚洲前列，并得到国际同行的广

5、泛认可。从能力均处于亚洲前列，并得到国际同行的广泛认可。从300米米到到3000米，以至于到现在的米，以至于到现在的9000米。米。l 根据国内外的海上石油钻机的发展状况，绝大多数的产品都是国根据国内外的海上石油钻机的发展状况，绝大多数的产品都是国外公司设计的，真正属于我们自主知识产权的较少，我国的海洋外公司设计的，真正属于我们自主知识产权的较少，我国的海洋石油钻机发展水平在整体技术方面与国外的海洋石油钻机相比还石油钻机发展水平在整体技术方面与国外的海洋石油钻机相比还存在一定的差距，我们应该看到这些差距。行业的整体技术与国存在一定的差距，我们应该看到这些差距。行业的整体技术与国外的差距也是不可

6、忽视的：外的差距也是不可忽视的：a) 超深井钻机配套设备不能满足目前海洋钻机的配套要求和技术发超深井钻机配套设备不能满足目前海洋钻机的配套要求和技术发展需要；展需要；b) 交流变频钻机转盘防倒转技术尚不成熟；交流变频钻机转盘防倒转技术尚不成熟；c) 钻杆自动排放系统尚处于空白。钻杆自动排放系统尚处于空白。 这些差距导致我国海洋石油钻机不能满足我国工程技术服这些差距导致我国海洋石油钻机不能满足我国工程技术服务开拓国际市场的需要，更不能满足我国海洋石油工业实施新的务开拓国际市场的需要，更不能满足我国海洋石油工业实施新的钻井技术的需要。钻井技术的需要。二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题二

7、、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题本课题通过对深海石油钻机提升系统的理论研究和技术分析，以至本课题通过对深海石油钻机提升系统的理论研究和技术分析，以至于获得提升系统发生共振的频率范围、相位、幅值和对应的振型，于获得提升系统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件的位移、速度、加速度和力与时间的以及在起下钻过程中各个零件的位移、速度、加速度和力与时间的关系曲线，并可以发现最大受力和最大变形的时间和位置，为以后关系曲线，并可以发现最大受力和最大变形的时间和位置，为以后深海石油钻机平台的开发提供数据基础和理论依据。深海石油钻机平台的开发提供数据基础和理论依据。

8、用虚拟样机对井架的动态特性进行分析研究，为其结构设计和提升用虚拟样机对井架的动态特性进行分析研究，为其结构设计和提升操作提供依据，从而避免起升事故的发生。操作提供依据，从而避免起升事故的发生。课题研究目标课题研究目标研究内容研究内容l 对深海石油钻机的提升系统进行动态特性对深海石油钻机的提升系统进行动态特性分析；分析； l 对钻机井架进行单独的研究及分析；对钻机井架进行单独的研究及分析；l 在整个提升过程中，对系统的各个零部件在整个提升过程中，对系统的各个零部件的受力变化进行研究。的受力变化进行研究。拟解决的关键性问题拟解决的关键性问题l 用用Pro/E进行三维实体建模；进行三维实体建模；l

9、Pro/E与与ADAMS模型的转换问题；模型的转换问题； 在转换过程中要注意如环境变量统一处理、单位的统一、在转换过程中要注意如环境变量统一处理、单位的统一、定位坐标的建立等重要问题；定位坐标的建立等重要问题；l 对钢丝绳对钢丝绳-滑轮系统进行建模分析。滑轮系统进行建模分析。三、研究方法三、研究方法 、技术路线、试验方案及其可行性分析、技术路线、试验方案及其可行性分析研究方法及手段研究方法及手段 首先根据阅读大量海上石油钻机的相关资料，了解国内外首先根据阅读大量海上石油钻机的相关资料，了解国内外发展现状；发展现状； 然后对深海石油钻机的提升系统进行结构上的分析，了解然后对深海石油钻机的提升系统

10、进行结构上的分析，了解深海石油钻机提升系统的结构组成及工作原理；深海石油钻机提升系统的结构组成及工作原理； 最后借助最后借助Pro/E和和ADAMS等软件对石油钻机提升系统进行软件对石油钻机提升系统进行动力学建模与分析。动力学建模与分析。技术路线技术路线1、钻机提升系统的三维实体建模、钻机提升系统的三维实体建模 海洋钻机平台提升系统海洋钻机平台提升系统a) 研究的机械系统从初始的几何模型到系统动力学模型的建立流研究的机械系统从初始的几何模型到系统动力学模型的建立流程图如下：程图如下：几何模型几何模型物理模型物理模型数学模型数学模型物理模型物理模型数学模型数学模型初始条件计算初始条件计算方程自动

11、组集方程自动组集求解器求解器 涉及涉及“初始条件计算初始条件计算”，即根据运动学约束和初始位置条件进，即根据运动学约束和初始位置条件进行的几何模型装配。数学建模时，由求解器完成系统运动方程的各行的几何模型装配。数学建模时，由求解器完成系统运动方程的各系数矩阵自动组集过程。系数矩阵自动组集过程。b）深海石油钻机提升系统三维实体建模）深海石油钻机提升系统三维实体建模绞车几何模型绞车几何模型井架几何模型井架几何模型人字架几何模型人字架几何模型天车几何模型天车几何模型游动滑轮几何模型游动滑轮几何模型大钩几何模型大钩几何模型转盘几何模型转盘几何模型其它零件几何模型其它零件几何模型深海石油深海石油钻机提升

12、钻机提升系统整体系统整体装配图装配图（未含绳（未含绳索）索）2、Pro/E中建立了钻机提升系统的三维模型，将钻机提升系统的模中建立了钻机提升系统的三维模型，将钻机提升系统的模型通过接口软件型通过接口软件Mech/Pro导入到导入到ADAMS中，施加约束和载荷，中，施加约束和载荷，建立了钻机提升系统的虚拟样机模型，而导入到建立了钻机提升系统的虚拟样机模型，而导入到ADAMS的模型的模型不含绳索，钢丝绳由于其特殊的结构特性，它介于刚体和柔体不含绳索，钢丝绳由于其特殊的结构特性，它介于刚体和柔体之间，难以在之间，难以在 Pro/E 中建模。中建模。3、钢丝绳、钢丝绳-滑轮系统建模。提升装置的关键部分

13、在于绳索滑轮系统建模。提升装置的关键部分在于绳索-滑轮系滑轮系统，其特点是绳索局部因与滑轮间存在复杂的接触作用而产生统，其特点是绳索局部因与滑轮间存在复杂的接触作用而产生大变形，绳索的其它部分做大范围运动。不论是对井架在起升大变形，绳索的其它部分做大范围运动。不论是对井架在起升过程中的应力、应变及振动分析，还是整体上对井架起升装置过程中的应力、应变及振动分析，还是整体上对井架起升装置进行分析，绳索进行分析，绳索-滑轮系统建模非常重要。滑轮系统建模非常重要。4、井架多刚体模型、井架多刚体模型 井架作为超深井石油钻机的主要承载部件，在不同工况下井架作为超深井石油钻机的主要承载部件，在不同工况下承受

14、多种动、静载荷的作用，对其结构的设计和使用性能有着承受多种动、静载荷的作用，对其结构的设计和使用性能有着严格的要求，而且井架中的连接参数对整个系统动力学特性影严格的要求，而且井架中的连接参数对整个系统动力学特性影响比较大，所以要对井架进行多刚体模型从新分析。响比较大，所以要对井架进行多刚体模型从新分析。两种方法两种方法基于有限元的思想，在有限元软件中建立井架的有限元模型基于有限元的思想，在有限元软件中建立井架的有限元模型基于多刚体系统动力学的理论，将井架分为多个刚体，刚体基于多刚体系统动力学的理论，将井架分为多个刚体，刚体之间采用刚度阻尼柔性连接之间采用刚度阻尼柔性连接5、动力学仿真分析、动力

15、学仿真分析可行性分析可行性分析1、符合现代化石油钻机的发展需求、符合现代化石油钻机的发展需求 随着生产力的不断发展，科学技术日新月异，而石油随着生产力的不断发展，科学技术日新月异，而石油的需求量也越来越大，所有石油钻机的发展也应该满足我的需求量也越来越大，所有石油钻机的发展也应该满足我们对石油的需求量，而海上石油钻机的发展是刻不容缓的，们对石油的需求量，而海上石油钻机的发展是刻不容缓的，特别是深海石油钻机，因此对深海石油钻机提升系统的动特别是深海石油钻机，因此对深海石油钻机提升系统的动力学建模和分析对我国的石油钻机的研究显得尤为重要。力学建模和分析对我国的石油钻机的研究显得尤为重要。2、具有先

16、进的理论支持、具有先进的理论支持 近年来，国内外无论是陆地上的还是海上的石油钻机近年来，国内外无论是陆地上的还是海上的石油钻机 都发展得非常快，也有许多人对石油钻机的提升系统都发展得非常快，也有许多人对石油钻机的提升系统进行了分析，对提升系统的各个结构也做了详细的分进行了分析，对提升系统的各个结构也做了详细的分析等等，这就为深海石油钻机提升系统提供了先进的析等等，这就为深海石油钻机提升系统提供了先进的理论支持。理论支持。3、具有先进的技术平台、具有先进的技术平台 通过这几年各种软件技术的不断提高和发展，通通过这几年各种软件技术的不断提高和发展，通过过Pro/E进行三维实体建模，利用接口技术导入到进行三维实体建模，利用接口技术导入到ADAMS中，建立虚拟样机模型。虚拟样机技术为本课中，建立虚拟样机模型。虚拟样机技术为本课题的研究提供了技术保障。题的研究提供了技术保障。四、课题创新性四、课题创新性课题的创新性课题的创新性1、在建模的过程中，尽可能把省略的零部件全部建立以获得和现、在建模的过程中，尽可能把省略的零部件全部建立以获得和现实完全相同的精确模型。利用现代的技术实完全相同的精确模