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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：机械电子指导教师：陈学东20080529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，
2、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
3、），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
4、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AbstractWith the further development of the industrialization, the consumption of oil products is increasing, so the research of ultra-deep drilling rigs have been on the ag
5、enda. The drilling rig ZJ70/4500DBF is a kind of ultra-deep oil drilling rigs, applicable to drill a depth of 7000 meters. Ultra-deep drilling rigs wiht heavy load, high derrick, are more easily distorted because of vibration than conventional drilling rigs. During making a trip, the drill pipe must
6、 be put up or put down in accordance with some certain requirements, and in normal working hour the drill pipes need to been maintained with a certain force to make sure the press is right between the aiguille and rock. In the three conditions,the forces on hoisting system are always in a circulatio
7、n,and the dynamic load,which has a great impact on the performance of drilling rigs, changes significantly.So the study of mechanical properties about hoisting system of drilling rigs is very important now.In this thesis, firstly,the 3D modeling software Pro/E is adopted to build up geometric model,
8、and the density must be recorrected to make up the loss of mass to reduce errors because some parts and part features are overlooked;secondly,in order to get better results of vibration,some parts which are moveable or bear the main force are divided into more parts,and some others,which are fixed e
9、ach other,are mergered to one part.In the software Mech/Pro,some positioning coordinates (Marker) are built between two parts which are connected.Then,in accordance with actual connetions,it is simulated by buiding up connections with special joints and forces in ADAMS, and the parameters are identi
10、fied with ANSYS together.Finally, by time domain analysis and frequency domain analysis, the results of dynamics is attainable.Through the study of this thesis, the virtual prototype system of a drilling rig hoisting system can be abtained, and resonance frequency range and the corresponding vibrati
11、on mode are also attainable, and the curves of displacement, velocity, acceleration force and torque of all parts are aviable. It is easy to find the time and places where have the largeset force as well as deformation. Meanwhile, it provides the basis to design, optimize and control of series of de
12、ep drilling rig, and enhances system stability, reliability, furthermore, it provide the data source to develop simulation platform software.Key words: drilling rigs, dynamic analysis, hoisting system, dynamic modeling.II独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体
13、已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期： 年 月 日日期：
14、年 月 日0 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1.1 课题来源与研究的意义 1.1.1 课题来源 本课题来源于河南省重大科技攻关项目数字化超深井石油钻机动力学与控制仿 真平台。1.1.2 课题研究的意义 我国在改革开放二十多年来，国家工业化不断提高，能耗企业也相对较多，对能源 的开发和利用日益紧迫，预计 2020 年中国的石油消费量可能要达到 4 亿吨以上，其中 需要进口 2 亿吨以上。我国在石油开采行业起步比较晚，技术还相对比较落后，效率还 很低下，很多问题还没有得到解决，特别是在深层地表下的开采问题1。要开采深层地 表下的石油，那么超深石油钻机的研制和开发也就提上日程
15、。南阳二机开发的 ZJ70/4500DBF 钻机就是钻深可达 7000m 的超深井石油钻探设备。钻机提升系统(包括井架、天车、游车、绞车、底座及其上的所有装备等) 作为一 个复杂的系统，其静力学特性和动力学特性都十分复杂，绞车的的低频振动，钢丝绳的 振动以及地基振动、风振等都有引起共振的可能性,特别是超深井石油钻机，其自重和负 载都很大，井架高度大，在外部激励下比常规石油钻机更加容易振动变形，甚至导致结 构失效；其次，由于这样大的工程设备几乎都处于单件生产状态，加工质量和装配精度 的误差是不可避免的，就会产生一系列对系统动力特性有影响的因素，比如杆件之间的 联接方式、联接间隙等。由于这些随机性质的影响，即便是经过精细静力学设计的井架， 仍有一定的发生共振而失效的可能性；再次，在非共振情况下，正常的起下钻过程中， 系统的各个部件受力是否在可承受的范围内，是否发生失效等都对钻机的改进优化至关 重要2。针对上诉问题，现有的理论研究多偏重于运用静力学或者最大设计钩载的方法 来完成，虽然现在静力分析技术愈趋完善精确，但是静力学分析忽略了特殊情况下的纵 向冲击和正常工作阶段受周期性持续载荷等时间载荷
