顶部驱动钻机虚拟样机技术研究

虚拟样机技术是一种新型的基于集成化产品和过程开发策略的产品设计开发和评估手段,在实践中已显示出优越性.研制、开发的顶驱钻机虚拟样机系统可以对顶部驱动钻机进行基于物理的三维动态仿真和虚拟环境下的性能分析,并可对顶部驱动虚拟样机系统数据进行管理.介绍了顶部驱动钻机虚拟样机的总体技术,给出了顶部驱动虚拟样机的体系结构及功能结构,描述了顶部驱动虚拟样机建模、装配、运动分析和动力分析以及数据管理等软件模块的构成和功能,分析了顶部驱动虚拟样机的关键技术及其解决方案.虚拟顶部驱动钻井装置样机系统的研制将改变我国石油机械的产品研制思路,为新型顶部驱动钻井装置的设计和制造提供崭新的计算机平台.     

顶部驱动钻井装置虚拟样机原型系统总体设计

设计了顶部驱动钻井装置虚拟样机原型系统的系统结构和数据库 ,研究了管理系统与模型库和数据库的关系 ;通过数据库访问接口的开发及CAD与分析系统的接口集成 ,建立了顶部驱动钻井装置虚拟样机原型系统的基本框架。探讨了典型石油设备的数字化设计的开发程序。该虚拟样机原型系统的初步实践表明 :(1)对三维建模更易于实现、组织和构建 ;(2 )可进行参数化设计 ,有利于顶驱钻井装置的更新或变形设计 ;(3)利于数字化产品后续的运动学、动力学、有限元等工程分析 ;(4 )有利于在虚拟环境中的外观分析 ,以及新产品的快速开发与实现 ;(5 )软件具有模块性、可重用性、灵活性和可维护性。     

国外钻机顶部驱动钻井装置的发展趋势

随着机电液一体化的控制技术、变流变频、PLC程序控制技术的不断发展,以及现代钻井技术要求的不断提高,对顶驱的结构、控制系统功能提出了新的要求。为了改进钻机顶驱装置的设计,提高钻井能力、可靠性、可操作性和安全性,着重从安装远程监控系统的顶驱、轻型电动机顶驱、大功率顶驱、取消齿轮箱的顶驱以及国外的TDS-3和TDS-4顶驱几个方面,介绍了其发展情况,并对顶驱制造厂家提出建议,以使制造的顶驱能充分满足钻井工艺要求,同时保证顶驱的先进性、经济性和可靠性。     

顶部驱动装置在轻型钻机上的应用研究

在分析轻型钻机应用顶部驱动装置的可行性的基础上,讨论了3000～4000m钻机加装顶驱的必要性;针对轻型钻机井架的结构型式特点,建议配套轻型液压顶驱或电动顶驱装置,并提出顶驱选型的2项原则;根据前开口井架不能承受大扭矩的特点,对顶驱导轨及扭矩传递支架型式进行了结构设计,既满足导轨及支架的安装及拆卸要求,又能将导轨承受的反扭矩最大限度地传递到底座上,减少井架在钻井过程中的扭震。南阳石油机械厂与意大利Soilmec公司合作制造的HTD—200液压顶驱成功应用于3000m车装钻机上,顶驱的安装及拆卸时间均不超过4h。     

虚拟样机技术在振动筛动力学分析中的应用

建立了双轴激振自同步振动筛的力学模型，并利用Pro／Mechanica软件的虚拟样机技术对其动力学特性进行了分析，同时仿真分析了各项参数对其振动的影响，对于合理选择振动筛的各项参数具有理论性的指导意义。     

650修井机虚拟样机仿真分析研究

在建立650修井机主要部件的三维运动学方程和求解算法的基础上,利用虚拟样机技术建立了650修井机的三维动力学模型并进行虚拟装配。对修井机变矩器输出轴角速度和大钩速度变化规律做了仿真模拟,将仿真模拟结果与数值计算结果进行对比分析,分析结果表明,虚拟样机技术得到的仿真运动学规律与数值计算结果非常接近,从而验证了虚拟样机仿真分析是可靠的。     

虚拟样机技术在我国石油机械应用现状研究

虚拟样机技术以计算机技术为依托,综合多学科技术为产品全生命周期的设计和评估提供技术支持。石油机械虚拟样机系统可以对正在开发的石油机械产品进行三维多体动力学建模与虚拟环境下的特性分析,打破了传统的设计方式,缩短了设计时间,节约了设计成本,使之能够快速响应市场要求,具有广阔的应用前景。介绍了虚拟样机技术的基本原理和发展概况,重点研究其在国内石油机械设计领域的应用现状,详细分析了虚拟样机技术的优势和不足,指出了其在石油机械领域的发展方向。     

虚拟样机技术在往复式压缩机研究中的应用

本文以某型往复式压缩机为研究对象,基于Pro/E三维建模软件,实现了压缩机三维建模和虚拟装配。采用ADAMS对其运动机构进行运动学及动力学仿真,获得了机构的位移、速度、加速度等运动学和动力学参数,提高了设计效率,缩短了产品的开发周期。     

离心泵叶轮虚拟样机建模与仿真

针对离心泵叶轮设计中存在的问题，以Pro／E构建了叶轮虚拟样机，借助于ANSYS进行CAE分析，为实现设计方案的优选提供了依据。使用Cult3D进行了基于网络的并行设计的基础构建，指出现代设计条件下构造集成设计环境的必要性。     

封隔器虚拟样机的构建与仿真研究

针对封隔器产品研发周期长、井下复杂工况可视化研究落后、缺乏破坏失效的量化界定等问题，基于参数化特征建模技术构建了封隔器虚拟样机，基于Pro／E Mechanism进行运动仿真，基于ANSYS进行有限元分析，得出优化结果。构建了CAD／CAE有机集成研发环境，为故障分析及后续研发构建了可视化研究平台，优化了研发周期和结构。     

新型直驱式顶部驱动钻井装置

为解决顶驱因故障停机时间长而带来的系列问题,研制了新型直驱式顶部驱动钻井装置,并形成了DQ225DBZ、DQ450DBZ、DQ675DBZ和DQ900DBZ系列型号的直驱式顶驱,可达到4 000～12 000 m的钻井作业深度。该顶驱主要由动力水龙头和管子处理器组成,采用大功率交流变频电动机驱动,无级变速控制,多功能人机界面操作;提升系统采用双载荷通道隔离设计,中心管主轴设计有特殊组合轴承,可承受钩载,同时也具备抗钻柱纵向振动功能。DQ2250DBZ顶驱在国外应用13口井,经受了-30℃严寒考验,最大连续钻井扭矩达到了35 kN·m,创下日钻进1 016 m的记录。DQ450DBZ顶驱在国内川东70563钻井队现场作业,最大连续钻井扭矩28 kN·m,上卸扣扭矩30 kN·m,水平井造斜段始为4 593 m,造斜88°,总进尺达6 500 m。     

顶部驱动钻井系统再凝析

对顶部驱动这种新型的钻井设备进行了综合分析，并结合钻井生产的实际情况，对这种新型设备的优缺点进行了评价。     

DQ70BS交流变频顶部驱动钻井装置

在DQ60D、DQ60P直流电顶驱和DQ20Y液压顶驱的基础上,研制了DQ7OBS交流变 频顶部驱动钻井装置。该装置采用交流电动机变频驱动,变频调速,矢量控制;其整体式动力水 龙头采用2台电动机,2个逆变器和双编码器,实行一对一控制;管子处理装置采用环形背钳技 术;提升系统采用双载荷通道。投入现场使用的4台DQ70BS顶驱应用效果表明,该装置降低了 劳动强度,提高了生产效率,处理井下复杂情况的能力大大提高,同时降低了生产成本。     

国外顶部驱动钻井系统的最新进展

文章介绍了美国Ｖａｒｃｏ公司,Ｎａｔｉｏｎａｌ－Ｏｉｌｗｅｌｌ公司,Ｂｏｗｅｎ公司ＢＪ公司,加拿大Ｔｅｓｃｏ公司,ＣＡＮ－ＲＩＧ公司,挪威ＭＨ公司,法国Ａｃｂ公司顶部驱动近两年来的最新进展,以及各公司最新顶驱系列,指出最新进展的特点是开发了新产品,形成了顶部驱动系列,研究开发了ＡＣ变频电驱动顶驱,美国Ｖａｒｃｏ公司形成了ＡＣ变频电驱动顶部驱动系列,提出了发展我国啊驱动要形成系列和研制ＡＣ变频电驱动     

顶部驱动钻井装置产品数据管理原型系统开发

设计了顶部驱动钻井装置产品数据管理原型系统的系统结构和数据库 ,研究了数据库管理系统的功能和数据的存储模型 ,建立了产品数据管理原型系统的基本框架。通过定义审批流程的操作 ,建立了原型系统中审批发放流程的过程模型 ;研究了CAD系统与产品数据管理系统间的接口集成 ,提出了集成的解决方案 ,保证了CAD系统与PDM系统间保持一致的产品结构树。在应用集成模块中实现了Proe2 0 0 1和产品数据管理原型系统之间的集成。     

钻机顶部驱动电动机的现状与展望

简述了国外钻机顶部驱动系统由直流顶驱逐步演变到变频顶驱的发展历史。结合现有电动顶驱的技术特点,对直流电动机、鼠笼式转子感应电动机、永磁无剧同步电动机和开关磁阻电动机等目前常用和正在开发的几种电动机性能做了分析对比。建议国内研究单位尽快开展开关磁阻电动机驱动方面的资料收集,为新一代顶驱的开发做一些前期工作。     

顶部驱动钻井装置在陆地石油钻机上的应用

顶部驱动钻井装置在陆地石油钻机上的推广前景广阔。陆地钻机钻井周期短，拆装、搬迁频繁，而且并深范围大，因此顶驱装置必须易于安装和拆卸，重量要轻，其功率和输出扭矩应满足不同并深范围的要求。为了利用陆地钻机现有井架安装顶驱装置，要尽可能缩小顶驱的横截面尺寸，降低主体部分的高度。我国第一台预驱装置已应用于钻深6000m的沙漠钻机上，在塔里木轮古1号准水平井的试用中，成功地处理了多起卡钻和蹩钻事故。该并完钻井深5590m，最大井斜71．5°，水平位移462m。     

DQ-40LHTY-X斜直井顶驱的研制与应用

为了满足斜直井的钻井需要,研制了DQ-40LHTY-X斜直井顶驱装置。该顶驱与ZJ20DBX斜直井钻机配套使用,主要由机械传动部分、液压辅助系统及电气控制系统等部分组成,具有顶驱一体化分体游车、滚轮承载机构、上置式钻井液截止阀、液压马达制动回转机构、倾斜扶正固定装置及浮动缓冲装置等设计特色。厂内试验表明,该顶驱达到了最初的设计要求。