超深井石油钻机提升系统动力学建模与分析

摘要

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。