新型游车大钩升沉补偿装置设计与运动分析

钻柱升沉补偿装置是海洋钻井设备的重要组成部分,在钻井作业中,可补偿平台的升沉运动,在保证井底钻压稳定的同时,保障了钻井效率以及钻头和钻杆的使用寿命,提高钻井安全性。目前,我国钻柱升沉补偿装置需要从国外进口,且价格十分昂贵,因此,研发具有我国自主知识产权的海洋钻井平台升沉补偿装置势在必行。在国内外升沉补偿装置相关资料的基础上,对现有钻柱升沉补偿装置的结构、工作原理及应用情况进行分析,并结合现用游车大钩升沉补偿装置在使用过程各种升沉补偿方式的优缺点,提出了新型升沉补偿装置的设计方案,优选出齿轮齿条式作为升沉补偿装置的新型补偿方式。对新型的齿轮齿条式补偿装置进行运动分析,为新型升沉补偿装置的结构设计和仿真分析提供参考。     

半主动式钻柱升沉补偿系统补偿机理分析

运用达朗伯原理,结合钻柱的运动规律,分别建立了并联和串联2种形式的半主动式钻柱升沉补偿装置力学模型,分析比较这2种半主动式升沉补偿装置的补偿机理。结果表明,在半主动式升沉补偿系统中,被动补偿部分所起的作用是支撑钻柱的大部分质量,主动补偿部分只是用来补偿各种力的变化量;由于并联式结构比串联式结构的执行原件多,所以其液压系统相对复杂,但当船体升沉位移较大和深海钻进所需的补偿负载较大时,并联式结构又优于串联式结构;在正常钻进工况下,当控制目标为控制井底钻压不变时,并联式钻柱升沉补偿系统只能通过控制补偿系统的输出力恒定来达到控制目标,而串联式结构则可以通过控制补偿系统的输出压力或输出力恒定来达到控制目标。     

天车升沉补偿装置摆臂长度优化设计

升沉补偿装置可补偿海上钻井平台因风、浪等外载影响产生的垂荡运动,减小钻柱底部位移或钻压的变化。天车升沉补偿装置是补偿精度较高的大载荷升沉补偿装置,其摆臂机构是实现补偿功能的关键结构。以摆臂机构关键设计参数为基础,建立了计算摆臂机构主承载部件载荷的数学模型,分析了摆臂机构关键设计参数在浮动天车运动全过程中对主承载部件载荷分配的影响,给出了内绕式天车升沉补偿装置优化设计方案。通过设计方案的改进,可提高材料利用率,减轻设备质量。     

浮式钻井平台主动式钻柱升沉补偿装置设计

针对海浪升沉运动对钻柱和钻压的影响,设计了一种海洋浮式钻井平台主动式钻柱升沉补偿装置,其以电液比例方向阀和变量泵为控制对象,实现了对液压缸活塞运动的实时控制,进而对海浪升沉造成的钻柱运动进行补偿。建立了主动式钻柱升沉补偿装置系统的数学模型,设计、搭建升沉补偿实验台实现了升沉运动和动态负载的实验模拟,并进行了阀控和泵控加阀控的主动升沉补偿实验。结果表明：主动阀控方案具有较好的补偿效果,但消耗能量较大;泵控加阀控方案能耗较低,但控制策略要求较高,补偿效果稍差。     

180 t钻柱升沉补偿装置补偿功能试验研究

为了验证180 t主被动联合式钻柱升沉补偿装置的补偿性能是否满足设计要求,研制了采用逆向试验方法的补偿功能试验台。该试验台针对180 t钻柱升沉补偿装置的结构和功能特点,并对比正向和逆向试验方案对试验设备的需求以及对补偿精度测量的影响设计而成。反向模拟钻柱升沉补偿装置的使用工况,实现了180 t钻柱升沉补偿装置的补偿功能试验。该试验方案具有能耗低、结构简单和易于操作的特点,同时可用于开展具有主动补偿功能的天车型和游车型钻柱升沉补偿系统的补偿功能试验研究。试验数据与结果可为钻柱升沉补偿装置的现场应用提供参考。     

主被动结合型钻柱升沉补偿装置

介绍了一种主被动结合型钻柱升沉补偿装置,重点对其主动补偿部分的系统构成、工作原理、操作及控制原理进行了阐述。该系统通过对船体升沉及油缸位移的监测,利用PLC控制伺服阀的开口大小和流向,分别给主动补偿油缸的上下腔体供油,提供合适的附加力,从而提高升沉补偿的精度。该装置既可在被动模式下作为被动补偿器单独使用,也可主被动结合使用,在减小能耗的基础上提高补偿精度,适用的海况范围更广。     

大位移井井下钻柱耦合动力学分析研究

兴古7-H173大位移作业工况复杂,井下钻柱由于钻压、转速等因素容易发生耦合振动,研究大位移井井下钻柱纵向、横向、扭转三维耦合振动规律对减少钻具疲劳失效至关重要。文章建立大位移井钻柱耦合动力学有限元模型并求解,模型主要考虑了三维振动位移随时间的变化,同时考虑了井底钻压波动对耦合振动频率的影响,结合理论和现场进行分析,通过数值模拟发现,钻具耦合振动存在周期性变化规律,井底钻压波动越大,井下钻柱耦合振动频率幅值越大,但振动周期未发生明显改变,振动频率在一阶固有频率与二阶固有频率幅值之间的波动范围减小;转速越高,振动周期明显减小,振动频率在一阶固有频率与二阶固有频率幅值之间波动范围减小,越容易达到共振幅值。通过现场试验可以发现,井下钻柱振动存在周期性波动,高钻压、高转速条件下井下钻柱振动明显加强,而降低钻压、转速,振动明显减弱,与数值模拟规律接近,具有一定适用性,为大位移井下钻柱振动研究提供了可靠性意见。     

浮式平台钻柱升沉补偿装置性能及适应性分析

以最大补偿载荷4 500 kN、补偿精度90%的钻柱升沉补偿装置为例,分析不同结构类型和工作原理钻柱升沉补偿装置的性能参数和优缺点,及其工程适应性。针对不同的作业需求,从作业效率、结构重心、钻台布局、作业成本、操作维护性等方面进行比较分析,为在深水钻机设计中选择钻柱升沉偿方案提供指导。     

钻柱升沉补偿试验台控制系统设计

为实现海洋钻井用升沉补偿装置的国产化,采用相似原理设计了海洋钻井平台钻柱升沉补偿试验台控制系统。该系统采用电液比例换向阀控制不对称液压缸模拟海浪升沉,可对升沉运动进行钻柱补偿控制;由于控制部件采用的电液比例换向阀存在死区,系统采用PID和死区补偿控制算法,较好地实现了海浪模拟和补偿控制。为保证升沉给定和跟踪控制精度,软件采用VB调用API函数,可对采样时间间隔进行精确控制。试验数据表明,该控制试验台可满足浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统控制要求。     

钻压波动特性模拟实验研究

文章利用钻柱动力学室内模拟实验装置,从波动频率和波动幅度两方面入手,定量分析了大斜度井眼中不同钻进参数下钻压波动的变化规律。结果表明:大斜度井眼中钻压波动总体呈现正弦波动规律,钻压波动存在"随机偏移"现象;随着转速的升高,钻压波动频率增大且始终等于钻柱自转频率,而钻压波动幅度呈现出下降的趋势;名义钻压对井底钻压波动的影响仅仅体现在钻压曲线的上下平移,而对钻压波动频率和钻压波动幅度并无显著影响。     

浮式波浪补偿装置研究及发展建议

浮式波浪补偿装置主要用于补偿海浪作用引起的船舶升沉运动以及水下洋流引起的升沉运动对负载的影响,消除升沉运动负载的载荷波动、 位移和速度变化.为了减轻波浪升沉运动对海洋作业船的影响,确保海洋平台作业安全,在分析国内外不同类型浮式波浪补偿装置研究现状的基础上,总结了系统总体设计和分析技术、 阀控(泵控)自动恒张力技术、 隔...     

摩阻扭矩装置钻柱稳定性分析及可视化应用

钻进过程中钻柱的非线性屈曲影响着摩阻扭矩试验装置的安全和平稳运行。针对现有的水平井摩阻扭矩试验装置,基于动力学软件ADAMS,结合力平衡理论和相似理论,建立了与真实试验装置具有一致钻井参数的水平井段钻柱-井壁动态非线性接触模型。研究了不同钻压下钻柱在井筒中的运动状态与钻柱系统各测点的偏移量,通过分析得到钻柱屈曲的临界预警钻压为29 N,进一步保证了装置的安全运行,提高了钻柱摩阻扭矩装置的试验效率。另因钻柱系统在井筒中的钻进过程难以观测,结合仿真结果,基于Keyshot软件重现了井下钻具组合钻进过程,实现了井下钻柱系统工作状态的可视化。在试验和理论相互补充、支撑的同时便于利用该装置针对钻柱摩阻扭矩开展更深层次的研究。     

新型减摩阻工具的射流振荡动力学机理

在水平井段钻进时,钻柱与井壁之间的摩阻将抵消一部分钻压,使钻压很难传递到钻头,降低了钻压传递效率。为了降低钻井摩阻、提高钻进效率,研制出了一种新型射流振荡减摩阻工具(以下简称新工具),开展了新工具的动力学和振动减摩阻特性研究,进行了新工具算例分析与室内实验测试,并对其结果进行了对比分析。研究结果表明:①新工具能够产生射流振荡效果,形成脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,减小钻柱与井壁之间的摩擦阻力;②结合实际工况条件,随着钻压和转盘转速增大,钻头转速波动范围增大,产生钻柱黏滑现象的可能性降低;③算例分析与实验测试结果得到的振动速度均呈现明显的非线性规律,能够反映钻柱的真实振动特性。结论认为,算例计算与实验测试结果一致,验证了新工具结构设计的合理性和计算结果的准确性;新工具有效降低了水平井的钻井摩阻,不仅为实现油气井高效钻井提供了技术支持,也为新条件下的油气井钻井工具开发提供了参考。     

海洋勘察船基盘收放系统研制及应用

基盘收放系统是勘察船钻探系统的关键部件,主要用于钻柱定位、基盘收放及井口取样监控等工作。为解决基盘恒张力收放、井口定位和监测控制等问题,开展了基盘绞车、补偿装置、勘察基盘和脐带缆绞车的结构分析,对补偿装置和勘察基盘进行了理论计算与技术方案分析,基于此设计了配套于“海洋地质十号”勘察船的基盘收放系统。对该系统进行了厂内试验和现场应用,应用结果表明:基盘绞车和脐带缆绞车提升及下放功能、补偿装置恒张力补偿功能、脐带缆绞车恒张力功能、勘察基盘监测及控制功能均满足设计要求,取得了预期的使用效果。该基盘收放系统的研制及应用推进了海洋勘察关键装备的国产化进程,也为后续3000 m水深基盘收放系统的研制和地质调研提供了一定的参考。     

大位移井减阻工具性能试验与数值模拟

为解决大位移井、长水平井等在钻进过程中摩阻大、托压等问题,设计了新型大位移井减阻工具。该工具利用水力脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,有效减小钻柱与井壁间的摩阻,改善钻压传递,延伸定向井、大位移井、水平井等井眼长度。通过工具性能试验和数值模拟相结合的方法,验证了减阻工具设计的可行性和振动的稳定性。分析了叶轮的叶片数、承压板的通孔面积、钻井液排量等参数对减阻工具脉动压力频率和幅值、压降、轴向振动位移等的影响规律。研究结果可为大位移井降摩减阻技术研究、减阻工具参数优选等提供参考。     

钻压波动对轨迹影响的摄动随机有限元分析

井眼轨迹形成过程中，影响轨迹的许多因素都难于精确测量或精确描述，这些不确定因素对井眼轨迹综合作用是随机的，不确定的。借助随机有限元方法和摄动方程初步分析了钻压波动对井眼轨迹的影响。该法首先利用泰勒级数展开，将随机函数表示成确定性部分和随机部分之和，然后对随机参数空间离散化，把随机场转化为随机向量，在假定参数的扰动是微小的情况下，利用中心二阶摄动法，将有限元控制方程转化为一组递归方程。一次求解此方程即可确定随机变量对位移场的影响。     

定向井钻压传导计算方法

在定向井、水平井钻井过程中,钻柱摩阻的存在直接影响了钻压传导,井底钻压往往低于预定施加钻压,严重影响了钻井效率.因此,科学地进行钻压传导分析,准确地计算井底实际钻压是保证定向井快速钻井的关键.考虑钻井液对钻柱轴向力的影响,并结合定向井钻柱结构特点,分别对上部钻柱和底部钻具组合进行受力分析,建立了上部钻柱和底部钻具组合轴...