旋转控制头综合实验平台系统的研制

摘要

近年来，欠平衡压力钻井技术、控制压力钻井技术、气体钻井技术在国内外油气田勘探开发中得到了广泛地应用，旋转控制头作为一种必备的钻井设备，其作用也越来越重要。本文的目的是研制一套专用的旋转控制头综合实验平台系统，用于实验、测试、分析和评价旋转控制头的性能，以提高该重要设备在现场钻井中的可靠性，同时为旋转控制头的自行研制提供技术支持。 本文从分析旋转控制头的现状、工作条件及测试要求入手，研究制定了综合实验平台系统的总体方案。根据所确定的主要技术参数，完成了综合实验平台系统的功能设计、总体和主要零部件的详细设计。 同时，运用实验研究和理论分析相结合的方法确定了综合实验平台系统装置的主要载荷，校核了活动横梁等主要部件的强度，开发了检测系统的配套硬件和应用软件，完成了液压系统的设计及设备选型。通过本论文的工作，研制了一套具有自主知识产权、功能完备、自动化程度高的旋转控制头综合实验平台系统。 该系统能够进行压力、温度、位移、扭矩、转速、速度等参数的测量，能对现有的和正在研制的旋转防喷系统或分系统进行实验测试。该系统具有一套独特的压力补偿装置，可使活动横梁的载荷减轻70％，显著降低所需储能器的体积，控制系统的压力波动系数在5％以内。 利用亚控公司先进的Kingview6.0组态软件开发的监控系统，使该系统能够自动采集和实时处理实验数据，这项研究填补了国内在该方面的技术空白。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1建立旋转控制头综合实验平台系统的必要性及意义

1.2旋转控制头实验装置国内外现状综述

1.2.1欠平衡压力钻井专用装备简介

1.2.2控制压力钻井专用装备简介

1.2.3气体钻井专用装备简介

1.2.4旋转防喷系统介绍

1.2.5国内外旋转控制头实验平台系统现状分析

1.3研究内容和方法

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3技术路线

第二章旋转控制头实验装置的设计

2.1旋转控制头实验装置的分析与设计

2.1.1实验装置功能分析及设计

2.1.2实验装置技术参数的确定

2.1.3实验装置总体方案的确定

2.2旋转控制头实验装置的组成及工作原理

2.2.1实验装置的组成

2.2.2旋转控制头综合实验平台系统工作原理

2.3旋转控制头实验装置主要零部件的详细设计

2.3.1变截面实验杆的设计

2.3.2压力补偿装置建模与补偿效果分析

2.3.3综合试压装置设计

2.4实验装置主要载荷计算

2.4.1胶芯与实验杆间的摩擦力实验及分析计算

2.4.2控制头工作力矩的测试

2.4.3液压力的计算

2.4.4补偿缸对活动横梁的作用力的分析

2.5实验平台系统装置的力学建模及受力分析

2.5.1活动横梁的力学建模及受力分析

2.5.2立柱与上横梁的力学模型

2.6活动横梁、固定横梁、底梁等主要零部件的强度计算

2.6.1上横梁及联接螺钉的强度计算

2.6.2立柱的强度、挠度和联接螺钉的强度计算

2.6.3活动横梁主体的强度计算

2.6.4活动横梁的有限元法校核

2.6.5主轴的强度计算

2.6.6运输车体的强度计算

2.6.7导轨的强度计算

2.6.8下横梁的强度计算

2.7小结

第三章旋转控制头实验装置液压系统设计

3.1液压系统方案确定

3.1.1油缸速度的选择

3.1.2油缸行程及液压马达转速的确定

3.2油缸工作负载分析

3.3液压系统工作参数的确定

3.4液压系统回路设计与液压元件选型

3.5油缸同步分析与设计

3.6小结

第四章旋转控制头实验系统的数据采集和控制系统

4.1数据采集和控制系统总体方案

4.1.1总体方案设计

4.1.2系统的硬件与软件组成

4.2监测控制系统的功能设计

4.3监控系统的软件开发

4.3.1测量参数的确定

4.3.2测试数据的自动处理功能设计

4.3.3报警系统边界条件的确定

4.3.4实验系统控制面板设计

4.3.5数据采集和控制关系的设计

4.3.6实验数据的分析与处理

4.4系统的功能与特点

4.4.1系统调试及运行

4.4.2系统操作模式

4.4.3系统的报警、联锁和保护

4.5小结

第五章结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢