超深井石油钻机提升系统动力学建模与分析.doc

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1、华中科技大学硕士学位论文超深井石油钻机提升系统动力学建模与分析姓名：罗贤勇申请学位级别：硕士专业：机械电子华中科技大学硕士学位论文0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

2、，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

3、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

4、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。关键词：钻机；动力学分析；提升系统；动力学建模。I华中科技大学硕士学位论文AbstractWiththefurtherdevelopmentoftheindustrialization,theconsumptionofoilproductsisincreasing,sotheresearchofultra-deepdrillingrigshavebeenontheagenda.Thed

5、rillingrigZJ70/4500DBFisakindofultra-deepoildrillingrigs,applicabletodrilladepthof7000meters.Ultra-deepdrillingrigswihtheavyload,highderrick,aremoreeasilydistortedbecauseofvibrationthanconventionaldrillingrigs.Duringmakingatrip,thedrillpipemustbeputuporputdowninaccordancewithso

6、mecertainrequirements,andinnormalworkinghourthedrillpipesneedtobeenmaintainedwithacertainforcetomakesurethepressisrightbetweentheaiguilleandrock.Inthethreeconditions,theforcesonhoistingsystemarealwaysinacirculation,andthedynamicload,whichhasagreatimpactontheperformanceofdrillin

7、grigs,changessignificantly.Sothestudyofmechanicalpropertiesabouthoistingsystemofdrillingrigsisveryimportantnow.Inthisthesis,firstly,the3DmodelingsoftwarePro/Eisadoptedtobuildupgeometricmodel,andthedensitymustberecorrectedtomakeupthelossofmasstoreduceerrorsbecausesomepartsandpar

8、tfeaturesareoverlooked;secondly,inordertogetbetterresu