海洋鉆井平臺(tái)排管機(jī)系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著陸上石油資源的逐漸枯竭，海上石油資源的開(kāi)采得到了世界各國(guó)越來(lái)越多的重視，海上石油開(kāi)采的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備也得到了不斷的發(fā)展。海洋鉆井平臺(tái)是進(jìn)行海上油氣開(kāi)采的必要實(shí)現(xiàn)途徑，排管機(jī)是海洋鉆井平臺(tái)的管處理系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，具有十分重要的作用。在排管機(jī)研制方面，歐美國(guó)家已有成熟的技術(shù)及工業(yè)產(chǎn)品，而我國(guó)目前主要依靠進(jìn)口，在理論研究及工程應(yīng)用方面都與歐美有著明顯差距。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)海洋工程對(duì)于排管機(jī)的迫切需求，對(duì)海洋鉆井平臺(tái)排管機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，這

2、對(duì)于排管機(jī)系統(tǒng)工程化的盡快實(shí)現(xiàn)有著重要的意義。
　　本文以中石油某單位科研項(xiàng)目為依托，研究的排管機(jī)系統(tǒng)可滿足工作水深91-122m（300-400ft）的主流自升式鉆井平臺(tái)及部分半潛式鉆井平臺(tái)的要求，主要內(nèi)容包括：
　　1.闡述海洋鉆井平臺(tái)排管機(jī)的功能及管處理系統(tǒng)的組成。排管機(jī)的主要作用是在下鉆過(guò)程中，1）將鉆桿單根連接成鉆桿立根，2）將鉆桿立根排放至井架二層臺(tái)指梁的指定位置，3）從指梁上抓取鉆桿立根，并協(xié)助頂驅(qū)進(jìn)行鉆井作業(yè)

3、；起鉆過(guò)程中，將鉆柱拆解成鉆桿單根并移運(yùn)至井架外的管子堆放區(qū)。與歐美國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)對(duì)海洋鉆井平臺(tái)排管機(jī)的研究只針對(duì)少數(shù)深水作業(yè)的大型鉆井平臺(tái)及陸地鉆井平臺(tái)，且對(duì)其控制系統(tǒng)的研究大都停留在單個(gè)設(shè)備層面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義的管處理自動(dòng)化，因此本文對(duì)排管機(jī)進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究有著重要的實(shí)用價(jià)值。
　　2.依據(jù)海洋鉆井平臺(tái)排管機(jī)的工作環(huán)境的作業(yè)要求，參考國(guó)際海洋工程相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定管處理的最優(yōu)流程，提出排管機(jī)的結(jié)構(gòu)方案并完

4、成各功能機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。利用矢量封閉圖形法，建立排管機(jī)手爪的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到各運(yùn)動(dòng)學(xué)變量的變化關(guān)系，利用仿真研究得到各主要機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線及手爪連桿間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。采用等效力學(xué)模型法，以手爪夾持臂為等效對(duì)象，對(duì)手爪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，利用仿真得到了手爪的動(dòng)力學(xué)特性，并對(duì)其進(jìn)行分析。
　　3.考慮排管機(jī)工作于海洋環(huán)境，其與海風(fēng)之間會(huì)存在強(qiáng)烈的流固耦合現(xiàn)象，為探究排管機(jī)中結(jié)構(gòu)上的載荷以及流場(chǎng)中的速度矢量、壓力和渦場(chǎng)的分布規(guī)律，基于流固耦合理論，

5、通過(guò)利用格子Boltzmann方法復(fù)原Navier-Stokes方程組建立起結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)間的流固耦合簡(jiǎn)化模型，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的計(jì)算程序。以此為基礎(chǔ)，引入大渦模擬的Smargorinsky模型，計(jì)入工作狀態(tài)下管子所受的風(fēng)載荷，對(duì)排管機(jī)關(guān)鍵部件的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，得到其應(yīng)力分析圖。結(jié)合排管機(jī)所受的流場(chǎng)載荷及漩渦脫落規(guī)律，借助Abaqus軟件對(duì)孤立的管子及夾持管子的排管機(jī)整體進(jìn)行了模態(tài)分析。發(fā)現(xiàn)夾持管子的排管機(jī)是一種低頻的振動(dòng)結(jié)構(gòu)，且其固有頻率低于

6、管子固有頻率。排管機(jī)振動(dòng)響應(yīng)主要由若干低階振動(dòng)模態(tài)起控制作用，激發(fā)系統(tǒng)低階響應(yīng)的臨界風(fēng)速較小，并不會(huì)引起系統(tǒng)大的振動(dòng)，可進(jìn)一步證明排管機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足其作業(yè)要求。
　　4.以排管機(jī)的功能機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求，完成了排管機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立了關(guān)鍵液壓元件的數(shù)學(xué)模型，并從理論上分析了影響系統(tǒng)性能的參數(shù)。利用AMESim軟件對(duì)主臂下降的穩(wěn)定性及行走運(yùn)動(dòng)的同步性分別進(jìn)行了建模及仿真研究：通過(guò)對(duì)比主臂下降中負(fù)載位移的多種仿

7、真曲線，分析了不同先導(dǎo)控制形式的平衡閥對(duì)主臂下降穩(wěn)定性的影響；根據(jù)行走運(yùn)動(dòng)中上部下部位移差異的仿真結(jié)果，分析出導(dǎo)致行走運(yùn)動(dòng)同步不理想的原因，并對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題提出了解決方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。
　　5.針對(duì)排管機(jī)作業(yè)空間小、運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)多、并與多個(gè)設(shè)備配合使用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)排管機(jī)的操控方法、自動(dòng)運(yùn)行方法及其控制流程，并通過(guò)視景仿真平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。排管機(jī)控制精度要求高，多個(gè)關(guān)節(jié)需同步運(yùn)動(dòng)以完成相應(yīng)工序，并且?jiàn)A持最長(zhǎng)28m的管子，因此需