钻柱液压升沉补偿系统设计研究

摘要

钻柱升沉补偿装置是海洋钻井的重要设备。海洋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，在恶劣天气下甚至导致无法钻进和被迫停工，造成了巨大的经济损失。为此浮式钻井平台必须对钻柱升沉运动采取适当的补偿措施。 本文对目前使用的钻柱升沉补偿系统的结构、工作原理、补偿效果及能耗进行比较分析，在此基础上提出一种新型的钻柱液压升沉补偿系统，并对该系统进行设计、分析系统性能，以期在补偿效果和能耗方面有所提高。 文中对目前使用的各种钻柱升沉补偿装置的结构及工作原理进行了分析比较，包括游车与大钩间装设的升沉补偿装置、天车上装设的升沉补偿装置、死绳上装设的升沉补偿装置，发现游车与大钩间装设的升沉补偿装置，不需特制井架及天车，游动滑车及大钩也均可采用标准通用者，减少了加工制造的复杂性，易于投入钻井生产，因此最终确定新型钻柱升沉补偿系统采用双缸倒置的游车与大钩间装设的升沉补偿装置。 对被动式、主动式和半主动式游车与大钩间装设的升沉补偿装置性能进行比较分析。建立三种系统的数学模型和仿真模型，并利用AMESim系统仿真软件对各系统进行仿真计算，分析各自的性能，从补偿效果和能耗方面对三种不同供能方式的系统进行比较。计算表明半主动式系统的补偿效果比被动式升沉补偿系统好，能耗比主动式升沉补偿系统小，因此确定在半主动式系统的基础上，研究进一步改善补偿效果和节能的方法。 在前面分析比较的基础上，提出新型钻柱升沉补偿系统的方案，采用补偿缸有杆腔主动控制、无杆腔被动的形式简化半主动式系统复杂的结构，并采用有杆腔泵控加阀控的形式，以期获得较好的节能效果。对新型钻柱升沉补偿系统的结构、液压系统进行设计计算，研究整个系统的工作原理，在此基础上建立该系统的数学模型，利用AMESim仿真软件对系统进行仿真，和现有升沉补偿系统的性能进行比较，确定新型钻柱升沉补偿系统的可行性。 为了实际验证系统的性能，本文最后设计了新型钻柱升沉补偿系统的试验台，包括结构设计和液压系统设计。通过试验可以为新型钻柱升沉补偿系统的改进提供依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1课题的来源及选题依据

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本论文的主要研究内容及意义

第二章钻柱升沉补偿装置的结构及工作原理

2.1游车与大钩间的升沉补偿装置

2.1.1 结构

2.1.2工作原理

2.2天车上装设的升沉补偿装置

2.2.1 结构

2.2.2 工作原理

2.3死绳上装设的升沉补偿装置

2.3.1 结构

2.3.2 工作原理

2.4钻柱升沉补偿装置的工作理论

2.4.1正常钻进时的动力学

2.4.2液气流体工作基本理论

第三章被动、主动、半主动补偿系统的比较分析

3.1被动式升沉补偿系统

3.1.1被动式升沉补偿系统工作原理及数学模型

3.1.2被动式升沉补偿系统补偿效果分析

3.2主动式升沉补偿系统

3.2.1主动式升沉补偿系统的工作原理及数学模型

3.2.2主动式升沉补偿系统补偿效果分析

3.3半主动式升沉补偿系统

3.3.1半主动式升沉补偿系统的工作原理及数学模型

3.3.2半主动式升沉补偿系统补偿效果分析

3.3三种升沉补偿系统的比较

第四章新型钻柱升沉补偿系统设计

4.1 新型钻柱升沉补偿系统工作原理

4.2钻柱计算

4.2.1钻柱设计参数

4.2.2钻柱设计计算

4.2.1 钻柱变形及刚度计算

4.3 新型钻柱升沉补偿系统设计参数选取及计算

4.3.1 新型钻柱升沉补偿系统设计参数选取

4.3.2新型钻柱升沉补偿系统设计计算

4.4新型钻柱升沉补偿系统结构设计

4.5新型钻柱升沉补偿系统液压系统设计

4.5.1 液压系统的基本功能

4.5.2液压系统设计中的其他问题

4.6数学模型及计算

4.6.1 新型钻柱升沉补偿系统传递函数

4.6.2新型钻柱升沉补偿系统仿真

第五章试验台设计

5.1试验台工作原理

5.2试验台参数计算

5.2.1相似理论概述

5.2.2参数计算

5.3试验台结构

5.4液压系统设计

结 论

参考文献

附录(变量列表)

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致 谢