超深井石油钻机井架起升过程动态特性分析

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要超深井石油钻机是为满足钻采地层深处油气资源的需要而发展起来的一种新型钻机，在石油生产工业中占有越来越重要的地位。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。井架起升过程是井架受力最为恶劣的工况之一，为保证钻机安装作业的安全进行，进行井架起升过程的动态特性仿真分析，并对现场操作给出安全评价，这对超深井石油钻机的研制具有重要的意义。通过对井架起升装置的结构和工作原理进行分析，基于几何关系和力矩平衡原理，忽略动态载荷的影响，推导了井架起升过程中

2、快绳拉力与井架起升角的数学关系。根据上述关系画出的曲线图，得出了起升力总体上随起升角度增大而先增后减的趋势。本文以Pro/E及ADAMS软件为工具，建立了井架起升装置的几何模型和动力学模型。在Pro/E中建立了不含绳索的井架起升装置三维实体模型，进而建立了ADAMS几何模型。结合井架起升装置中钢丝绳-滑轮系统的特点，综合考虑绳索的主要特性和模型求解的可行性，采用一种改进的简化建模方法，建立了起升装置的绳索-滑轮系统动力学模型。进一步建立了井架起升装置的虚拟样机仿真模型。利用所建立的虚拟样机对起升过程进行仿真分析，得出井架起升过程的动态特

3、性。首先对不同绞车转速下的井架起升速度和加速度进行对比分析，获得了转速对起升过程的影响规律，得出绞车急停操作会导致井架剧烈振动的结论。然后分析了快绳、起升大绳、大钩、井架主体关键位置处的受力情况，得出了井架的最大受力位置。最后对不同状态下井架起升装置进行了模态分析，获得了整体前4阶固有频率和振型，得出了外界激励极易引起井架发生共振的结论。并给出了起升操作必须平稳、缓慢、连续进行的建议。关键词：钻机井架起升钢丝绳建模动力学模型动态特性I华中科技大学硕士学位论文AbstractUltra-deepdrillingrigisanewkindo

4、fdrillingrig,whichisdevelopedfordrillingoilandgasindeepstratum.Itisbecomingincreasinglyimportantintheoilproductionindustry.Derrickisthemainsupportingpartsofultra-deepdrillingrig.Itbearsmuchstaticanddynamicloadunderdifferentconditions.Sotherearehighrequirementsfordesignan

5、dperformanceofderrick.Theraisingprocessisoneofthemostdangerousconditionsforderrick.Inordertoensuresafetyofinstallation,thedynamiccharacteristicsofderrickraisingmechanismmustbeanalyzed,andraisingmethodmustbealsoevaluated.Thisworkisgreatsignificantfordevelopingultra-deepdr

6、illingrigAfteranalyzingthecomponentsandworkingprincipleofraisingmechanism,amathematicalrelationshipbetweenpullingoffastlineandraisingangleisdeducedbasedonthegeometricrelationandbalanceprincipleofmoment.Thisrelationshipisestablishedwhenignoringtheeffectofdynamicload.Accor

7、dingtothetwo-dimensionalcurveofthatrelation,thechangetrendofraisingforcethatfirstlyincreaseandthendescendwiththeincreasingofraisingangleisshown.AgeometricalmodelanddynamiconesofderrickraisingmechanismareestablishedusingPro/EandADAMSrespectively.Three-dimensionalentitymod

8、elofderrickraisingmechanismwithoutcableisbuiltbyPro/E,andthenthegeometricalmodeliscreatedusingADAMS.Con