石油鉆機電動絞車特性分析及控制研究.pdf

1、通過調(diào)研，掌握了國內(nèi)外石油鉆機絞車的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，對現(xiàn)有在用電驅(qū)動鉆機絞車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，了解了其優(yōu)缺點，為進(jìn)行新型鉆機絞車設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)機械鉆機絞車和直流電驅(qū)動鉆機絞車相比，由于交流變頻電驅(qū)動鉆機絞車有著非常明顯的優(yōu)勢和非常高的技術(shù)性能，當(dāng)今石油鉆機絞車正在向著交流變頻電驅(qū)動方向發(fā)展。 針對我國傳統(tǒng)絞車存在著傳動復(fù)雜、效率低、送鉆不均勻、鉆壓不穩(wěn)定等缺點，本文設(shè)計了一種新型電機直驅(qū)單軸絞車結(jié)構(gòu)型式：JC30DB-WZ

2、型交流變頻電驅(qū)動單軸絞車，可滿足恒扭矩、恒功率等多種工況要求。通過對滾筒和滾筒軸的剛度和結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行ANSYS有限元分析，確保了設(shè)計可靠性。該絞車采用兩臺大功率、低速、大扭矩變頻電機從滾筒軸兩端直接驅(qū)動滾筒，形成電機外置與滾筒一體化單軸絞車結(jié)構(gòu)型式，去掉了大型齒輪減速箱、離合器等傳動部件，電磁渦流剎車或水剎車等輔助剎車不復(fù)存在，具有結(jié)構(gòu)簡單新穎、調(diào)速范圍寬、適應(yīng)能力強等優(yōu)點。技術(shù)參數(shù)符合SY/T5532-2002《石油鉆機用絞車》標(biāo)準(zhǔn)要

3、求，可廣泛適用于國內(nèi)外3000米交流變頻電動鉆機。 為深入研究鉆機起升系統(tǒng)的動態(tài)特性，本文結(jié)合鉆井工藝及鉆機工作過程，對鉆機起升系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了理論分析。建立了考慮鋼絲繩和井架彈性的起升系統(tǒng)力學(xué)模型，對該微分方程組進(jìn)行了理論求解；采用傳遞函數(shù)的方法，進(jìn)行Simulink仿真，得到了起升系統(tǒng)的振動頻率、系統(tǒng)的響應(yīng)和大鉤的動載系數(shù)，并分析了大鉤位移波動和加速度波動特性。然后結(jié)合實際的鉆具組合和JC30DB-WZ型交流變頻電驅(qū)

4、動絞車的工作特性，在考慮鉆柱與井壁摩擦阻力情況下，通過編程得到微分方程初值問題的數(shù)值解，并對求解結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了考慮摩擦阻力情況下的動載系數(shù)。分別對初速為零和初速不為零的兩種工況進(jìn)行了討論，為提高絞車控制精度提供了依據(jù)。為進(jìn)一步深入研究鉆柱與井壁摩擦阻力對起升系統(tǒng)的影響，在同時考慮電機特性和摩擦阻力的情況下，本文采用了ADAMS仿真軟件，對JC30DB-WZ型交流變頻電驅(qū)動單軸絞車起升系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計算與分析。結(jié)果表明：鉆機在

5、起升過程中存在著動載，動載系數(shù)隨著起升條件的變化而改變；由于鉆柱下放到井底，在起升過程中，鉆柱與井壁產(chǎn)生摩擦，使得起升過程的平穩(wěn)性變差；不考慮鉆柱與井壁摩擦?xí)r，起升的不穩(wěn)定系數(shù)為1％左右；當(dāng)考慮鉆柱與井壁摩擦產(chǎn)生隨機載荷后，加劇了起升過程的不平穩(wěn)性，使得大鉤動載荷增加，滾筒與大鉤速度呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。為降低起升時的動載系數(shù)，可采用控制電機特性的方法減少起升動載荷。 基于JC30DB-WZ型交流變頻單軸絞車，設(shè)計完成了與絞車一

6、體化的自動送鉆傳動系統(tǒng)，當(dāng)正常鉆進(jìn)需要使用自動送鉆時，可以通過自動送鉆中輔助電機、減速器經(jīng)小齒輪直接驅(qū)動大齒輪，帶動滾筒工作，從而懸提鉆具，控制鉆壓，實現(xiàn)自動送鉆；當(dāng)絞車主電機出現(xiàn)故障需要使用應(yīng)急功能時，系統(tǒng)可以上提井下鉆具，防止井下可能發(fā)生的各種事故。 針對石油鉆機自動送鉆過程控制中存在著復(fù)雜、非線性、不確定性系統(tǒng)的問題，設(shè)計完成了基于模糊控制的計算機恒鉆壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙環(huán)路控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)部將反映鉆速的測速編碼器信號進(jìn)行

7、反饋構(gòu)成局部負(fù)反饋回路，外部將鉆壓測量信號進(jìn)行反饋構(gòu)成另一路負(fù)反饋回路。在控制算法上采用了模糊控制思想。另外，初步探討了非線性粒子濾波技術(shù)在自動送鉆方面的應(yīng)用，并對鉆頭鉆進(jìn)速度進(jìn)行預(yù)估計。 通過現(xiàn)場實時采集鉆機實際鉆井過程中相關(guān)參數(shù)，從工程實驗角度分析了這種鉆機的實際起升特性、井架的起升動載、起升系統(tǒng)的固有頻率、絞車扭矩與轉(zhuǎn)速特性等，通過與前面理論分析和仿真結(jié)果相比較，結(jié)果表明試驗研究結(jié)果與理論研究結(jié)果還是比較吻合的，從而進(jìn)一步