深水钻井隔水管张紧系统反冲控制仿真研究

隔水管张紧系统能够克服浮式平台/船升沉运动对隔水管的影响,为隔水管提供近于恒定的顶部张紧力,因此隔水管系统中存储大量能量。在隔水管底部总成与水下防喷器紧急脱离时,能量释放会产生反冲,若反冲得不到有效控制,会导致隔水管与平台碰撞或隔水管丢失等严重事故。为研究隔水管反冲的动态过程并验证反冲控制系统设计的合理性,对3658 m水深隔水管张紧系统搭建了仿真模型,针对紧急脱离工况进行模拟,设计了反冲控制算法。通过仿真得到张紧液缸运动曲线以及防反冲阀主阀的流量曲线。研究结果表明:在紧急脱离工况下,PLC以预编程模式控制防反冲阀主阀的节流速度,使系统在行程末端达到稳定状态;主阀开度控制曲线是隔水管反冲控制的主要影响因素,优化主阀开度曲线可优化反冲相应过程。研究结果对于深水钻井隔水管张紧系统的现场安全应用具有一定的指导作用。     

基于AMESim的隔水管张紧器抗反冲控制研究

作为浮式钻井隔水管系统的关键装备,国产隔水管张紧器因其抗反冲控制试验难度大、成本高、风险不可控等因素,制约着产品的工业化应用进程。为降低隔水管张紧器的海试应用风险,提高张紧器抗反冲控制效果,以AMESim软件为仿真平台,选用南海某浮式钻井平台的隔水管系统为依据,建立抗反冲阀、张紧器、隔水管串及控制系统等相关模型,并搭建抗反冲控制系统,研究控制参数及脱离时刻对抗反冲控制的影响。研究结果表明:液缸位置-主阀开度控制曲线是抗反冲控制的关键因素;不同的脱离时刻对于张紧器抗反冲控制效果影响较大,为避免脱离时隔水管串出现局部弯曲的现象,建议脱离时刻选取在平台升沉曲线180°相位的附近。研究结果可为隔水管张紧器的控制逻辑优化和海试应用提供一定的依据。     

二通阀进液控制式信号发生器非线性状态方程

以二通先导阀控制式液压信号发生器液压系统工作原理为基础,根据3个阶段的不同工作特点,应用液压阀的流量压力特性关系,建立了各个过程阀口的流量连续方程。在考虑阀芯运动件的瞬态、稳态液动力的情况下,建立了各个阶段阀芯的动态受力平衡方程,然后以流量和先导阀开度为控制输入,以主阀、溢流阀的位移、速度为状态变量建立了3个阶段的非线性状态方程,并进行了实例仿真计算。     

钢丝绳式隔水管张紧器监控系统设计

为了采集张紧器运行过程中各项重要参数,实时掌握张紧器状态,依据海洋钻井隔水管张紧器控制系统工作原理,设计了钢丝绳式隔水管张紧器远程监控系统。监控系统包括张紧器液缸与蓄能器之间的抗反冲控制、液缸和钢丝绳位移检测、升沉运动检测、钢丝绳寿命与维护提醒等7个功能模块。针对隔水管张紧器的3种事故工况,设计了状态判断与系统维护软件算法流程。进行了界面设计,介绍了监控软件的应用情况。该钢丝绳式隔水管张紧器监控系统自动化、智能化程度高,为隔水管张紧器的安全性、可靠性提供了多重保障。     

往复式油气混输泵出口单向锥阀角度分析

为了研究往复式油气混输泵出口单向锥阀对多相介质流动特性的影响,采用计算流体动力学(CFD)方法对阀的内部流场进行数值求解,并利用Fluent软件进行流场模拟,分析获得了阀芯锥角对流量系数、稳态液动力和阀出口附近介质相态分布的影响.结果表明:相同阀芯锥角下,气液比对流量系数的影响可以忽略;综合考虑流动特性,阀芯锥角取90°会有较佳的效果.     

隔水管张紧装置抗反冲控制算法适应性研究

为进一步验证隔水管张紧器在紧急脱离时抗反冲控制的适应性,建立了隔水管系统抗反冲控制仿真模型,采用AMESim平台分别进行了位置和速度两种抗反冲控制算法的建模,针对不同海况、钻井液密度及脱离时间等工况的模型输入参数,研究了两种算法的适应性。研究结果表明:利用张紧装置进行隔水管紧急脱离的抗反冲控制是一种切实有效的途径;张紧装置适配船型的最大紧急脱离海况为7级;速度控制算法适用于钻井液密度较低的情况,而位置控制算法适应性更广;紧急脱离时间宜选在船体处于升沉最高点到向中位下降的区间,且选用位置控制算法,可使紧急脱离时安全性能更高。研究结果可为隔水管张紧装置设计及性能优化提供理论依据。     

二通阀回液控制式信号发生器非线性状态方程

以二通先导阀回液控制式液压信号发生器液压系统工作原理为基础,根据升降压2个阶段的不同工作特点,分别建立了相应分系统的流量连续方程和阀芯动态受力平衡方程;以流量和先导阀开度为控制输入,以主阀的位移、速度为状态变量建立了2个阶段的非线性状态方程;实例仿真计算表明,在相同参数情况下,该类型液压脉冲信号发生器的脉冲速率比文献[1]描述的信号发生器的脉冲速率高出2倍左右,具有显著的优越性。     

随钻测量阀控式液压信号发生器动态数学模型

根据正脉冲液压信号发生器的基本结构和工作原理 ,简化出二通先导阀控式液压信号发生器的液压系统模型。以信号发生器液压系统工作原理为基础 ,应用液压阀的流量压力特性关系 ,建立了系统的入口和出口的动态流量平衡方程 ;在综合考虑运动件的液压力、稳态液动力、瞬态液动力 (阻尼力 )的情况下 ,建立了主阀心和溢流阀心的动态受力平衡方程 ,从而为该类型液压信号发生器的设计和动态性能分析提供了基本的理论依据     

深水钻井隔水管与防喷器紧急脱离后的反冲响应分析

深水钻井中,若底部隔水管总成与防喷器紧急脱离,隔水管会反冲,易导致钻井事故。为了解隔水管紧急脱离后的反冲响应规律,分析了隔水管反冲产生的原因及反冲响应过程,明确了隔水管反冲响应的机理和关键影响因素。在此基础上,建立了隔水管张紧器及钻井液下泄分析模型,以探究张紧力随活塞冲程变化的规律及钻井液下泄时作用在隔水管上的摩擦力随时间变化的规律。综合考虑各关键影响因素,基于ANSYS有限元分析软件,建立了隔水管反冲响应分析模型,并以1 500 m水深钻井中的隔水管为例,计算、分析了不同紧急脱离时刻和顶部张紧力条件下的反冲响应。分析结果表明,与防喷器紧急脱离后,隔水管在顶部张紧力作用下加速向上反冲,伸缩节冲程减小。研究认为,紧急脱离的时间与顶部张紧力的大小对隔水管反冲响应有重要影响,因此应合理选择紧急脱离时刻和顶部张紧力,以保证紧急脱离条件下深水钻井隔水管系统的作业安全。      

海上井口平台超压保护动态模拟研究

当前很多海上井口平台泄压系统采用全负荷设计理念,造成井口平台泄压系统庞大。已有文献利用数值分析提出了可接受部分井口关断失效,以降低泄压负荷的方法,并取得了工程应用。以某工程项目为例,简要介绍了工程概况,较详细论述了HYSYS动态模型的建立,并对动态模拟结果进行了分析。研究结果表明,当海底管道入口关断阀关闭,4口井中的1口井关断失效时,系统瞬时超压达到9 340 kPa,超过系统原设计压力的1.1倍,且泄放阀瞬时泄放量也超过1口生产井的产量,瞬时最大泄放量达到1.11×10~6 m~3/d,但由于核算管道和管件可承受的最高压力为10 200 kPa,所以该方案可保证生产系统安全。还对泄放阀尺寸的敏感性、关断逻辑的敏感性、阀门特性的敏感性进行了分析。     

基于多自由度系统的深水钻井隔水管紧急解脱反冲响应

深水钻井隔水管紧急解脱后的反冲响应是隔水管系统设计分析的重要内容之一。基于多自由度质量—弹簧—阻尼系统,建立了深水钻井隔水管紧急解脱后反冲响应分析的力学模型和控制方程,采用子空间迭代法求解了系统振动的固有频率和主振型,获得了隔水管底部组合（LMRP）紧急解脱后的振动响应曲线,并讨论了张紧器活塞运动振幅及运动频率、解脱初相角、水深和隔水管壁厚对LMRP振动响应时程曲线的影响。结果表明：随着作业水深和张紧器运动幅值的增加,LMRP与水下防喷器发生碰撞的可能性增大;解脱初相角对隔水管反冲响应具有较大影响;顶部张紧器活塞存在某一运动频率最不利于深水钻井隔水管的紧急解脱;壁厚对隔水管反冲特性的影响不大。     

基于多自由度系统的深水钻井隔水管紧急解脱反冲响应

深水钻井隔水管紧急解脱后的反冲响应是隔水管系统设计分析的重要内容之一。基于多自由度质量—弹簧—阻尼系统,建立了深水钻井隔水管紧急解脱后反冲响应分析的力学模型和控制方程,采用子空间迭代法求解了系统振动的固有频率和主振型,获得了隔水管底部组合（LMRP）紧急解脱后的振动响应曲线,并讨论了张紧器活塞运动振幅及运动频率、解脱初相角、水深和隔水管壁厚对LMRP振动响应时程曲线的影响。结果表明：随着作业水深和张紧器运动幅值的增加,LMRP与水下防喷器发生碰撞的可能性增大;解脱初相角对隔水管反冲响应具有较大影响;顶部张紧器活塞存在某一运动频率最不利于深水钻井隔水管的紧急解脱;壁厚对隔水管反冲特性的影响不大。     

基于AMESim的钻井泵液压系统动态特性仿真

设计液压钻井泵的关键是分析液压系统的动态特性。针对钻井泵液压系统应用系统协同仿真软件AMESim建立了液压系统仿真模型,并分析了钻井泵液压系统的各种工作状态,确定了最佳匹配参数,使得系统和液压元件的设计缺陷在物理成型前就得到优化。结果表明,应用该方案可以使钻井泵流量稳定,无脉动;通过AMESim仿真模型验证本方案在设计布置3个泵缸活塞初始位置、调节缸速比为2时能达到预期目标;为了保证3个活塞缸的协调运动,必须合理地设计开环增益,通过不断验证,找到一个合理的数值。     

高压井控锥阀流场数值模拟研究

在高压油气藏勘探开发过程中，节流管汇中的锥阀常常发生阀杆断裂和阀芯脱落等事故，主要是由于阀内流体不稳定导致阀杆振动造成的。采用有限体积法建立了锥阀的计算模型，完成了锥阀内部流场的稳态和瞬态计算。通过对计算结果的分析，认为锥阀内流体不稳定主要包括下阀腔漩涡有规律的脱落和流动方向的摇摆，这是导致锥阀阎杆振动断裂的主要原因，为高压锥阎的结构改进提供了理论依据。     

液控单向阀瞬态开启过程流固耦合特性研究

为研究智能完井井下液压解码器内的一种微型液控单向阀的动态响应和可靠性,基于动网格理论建立了该阀的三维流固耦合分析模型,结合该阀的实际工况,开发了一套新的UDF程序,利用Fluent 6DOF方法求解阀芯在高压油液和微型液缸共同作用下的运动现象,获得了阀芯的瞬时位移曲线和速度曲线,以及阀芯表面的压力场和速度场。研究结果表明：在新开发的UDF程序作用下,该微型液控单向阀在1 ms内就完成了开启过程,实现了微型液控单向阀由关闭状态至完全开启的高速通流过程的动力学响应;新开发的UDF程序解决了阀芯在运动过程中的振动问题,同时验证了微型液控单向阀作为解码器基本控制单元的可靠性。仿真结果与实际工作情况高度一致,对现场应用具有重要的指导作用。     

低产抽油机井动态参数仿真模型与提高系统效率的途径

综合考虑柱塞运动规律、阀球运动规律、阀隙瞬时流量与油井流入特性等因素的影响,建立了流体进泵规律与泵筒内瞬时压力的仿真模型,以此为依据改进了抽油杆柱纵向振动底部边界条件的仿真模型,进而建立了基于抽油杆柱纵向振动与流体进泵规律耦合的抽油机井示功图动态仿真模型;基于流体瞬时进泵规律,建立了抽油泵充满系数、漏失系数的仿真模型,从而改进了排量系数计算模型。对比仿真结果表明,所建立的系统动态参数仿真模型具有通用性,可以提高低沉没度供液不足油井示功图、排量系数与系统动态参数的仿真精度。仿真优化算例表明：①大泵径、长冲程与低冲数的抽汲参数设计原则仍然适用于低产抽油机井的节能设计,但最低冲数存在界线,同时最低冲数界限也限制了泵径上限;最低冲数界限随泵间隙的增加而增加;②对于严重供液不足油井,通过合理降低冲程与冲数,可以确保在油井产液量下降率低于5%的条件下,使系统效率最高提高近120%;③在油井产液量一定、下泵深度相同的条件下,优化冲程、冲数与泵径组合可以显著提高系统效率,仿真算例的系统效率变化范围为9.43%~17.48%;④在油井产液量与流压一定条件下,综合优化下泵深度、冲程、冲数与泵径可以显著提高系统效率,优化算例的系统效率由10.56%提高到31.49%。     

新型螺旋除砂器的设计与应用研究

目前油田使用的常规固-液分离设备无法对高含砂、大流量的砂-液混合物进行高效分离,为此设计了一种新型分离设备——螺旋除砂器。依据工程流体力学中的伯努利方程建立了螺旋除砂器相关结构参数的数学模型,利用MATLAB软件对模型中的数据进行分析处理,确定其最优结构参数;根据具体结构尺寸,建立三维模型,利用FLUENT流体仿真软件对其内部流场进行仿真分析。对比分析理论计算值与模拟仿真值,发现2者之间偏差较小,进一步证明了螺旋除砂器结构设计的合理性。螺旋除砂器内部流场的仿真模拟,验证了螺旋除砂器对固-液两相混合物分离的可实现性,并为螺旋除砂器实际的设计制造提供了理论依据。     

高压差精调型小流量调节阀的设计与仿真实验验证

针对高压差小流量调节工况,结合柱塞阀与平衡笼式阀特点,设计了一种新型的精调型小流量调节阀,并借助CFD流体分析软件进行了仿真实验研究。为更好验证该阀门的适用性能,建立三维模型,并将某化工厂的现场工况参数作为边界条件,对模型的内部流动进行了数值模拟计算,获得了内部流场结果。根据结果显示:该阀门在高压差工况下具有较好的降压效果,可调行好,符合设计的预期目的。     

基于反冲响应的深水钻井隔水管张紧力计算方法

张紧力是深水钻井隔水管系统作业的安全的关键因素,尤其对隔水管系统紧急脱离作业安全影响显著,但目前的隔水管张紧力设计方法（包括API算法、底部残余张力算法以及下放最大钩载算法）均未考虑隔水管系统的反冲问题。为此,基于隔水管系统反冲响应,确定了隔水管张紧力设计准则,提出了张紧力修正API算法及计算流程,并通过实例分析验证了修正API算法的可行性。研究结果表明,修正API算法可为隔水管系统提供合理的张紧力,改善了隔水管紧急脱离反冲过程中的隔水管底部总成位移、张紧器冲程以及有效张力波动范围,从而提高了紧急脱离后隔水管系统的安全性,有效保证了深水钻井隔水管系统紧急脱离作业的安全。      

XJ250修井机液压盘式刹车液压控制系统仿真分析

以XJ250修井机液压盘式刹车的液压控制系统为研究对象,通过分析液压盘式刹车的液压控制系统结构,建立了基于全局流量与液压缸活塞运动方程的数学模型;构建了液压控制系统的AMESim仿真模型,设置了模型参数及仿真参数。以典型的正弦曲线液压源信号及激励电磁阀信号变化仿真研究工作制动液压控制系统响应性能,以阶跃开关信号突然开启模拟分析紧急制动液压系统响应。得到了工作制动及紧急制动过程中液压控制系统主要阀口处液压动态响应曲线,仿真结果与实际运行情况相符。该仿真分析为修井机液压盘式刹车液压控制系统性能的改进与完善提供了参考。