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修井作业机械化装置的系统仿真与实验研究

作　者: 聂文平
导　师: 常玉连
学　校: 东北石油大学
专　业: 油气田地面工程
关键词: 修井作业建模理论动态特性系统仿真试验
分类号: TP391.9
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在石油与天然气生产过程中,修井作业是一个重要的环节。我国大部分油田都已进入开发中后期,修井任务越来越繁重,目前绝大部分修井作业尤其是小修作业,仍采用传统的机械化水平很低的人工作业方式,劳动强度高,安全性差,作业环境也十分恶劣。为使修井工人远离井口,降低修井作业的劳动强度,提高修井作业的效率,实现安全修井作业,研制开发适用于我国油田情况的修井作业机械化系统是大势所趋。本文在充分调研分析现场修井作业工艺及国内外各种钻修井机械自动化技术的基础上,提出并设计了一套实现管柱拉送排放、管柱抓取、管柱扶正、对中及管柱上卸扣的机械化装置,本文主要对其起升系统和上卸扣系统的建模理论问题和系统仿真问题进行了研究和分析。在修井作业机械化系统的总体设计方案和各组成部分的详细结构设计方案基础上,基于SolidWorks软件创建出整套系统的三维实体模型。采用多刚体运动学与动力学理论,研究了吊环吊卡系统运动学、动力学理论模型,推导建立了吊卡的位移、速度和加速度等运动学方程,进行了吊环吊卡摆出过程的逆向动力学分析。基于ADAMS机械系统动力学分析软件,分别对扶正手摆出过程、扶正手推送油管过程及吊环吊卡摆出过程进行了机液系统联合仿真,获得了工作部件的各种动态特性,找到有利于工作部件运动的液压系统参数,为实际液压系统设计与元件的选择提供理论依据。对油管与完全摆出状态的扶正手的接触碰撞过程及油管与扶正手摆向井口的接触碰撞过程进行了系统仿真研究,分析了扶正手承接件的材料、油管重量及节流阀开口大小对接触碰撞过程的影响。文中利用功率键合图理论以及模块化方法建立了修井作业机械化系统的功率键合图模型,对上卸扣系统进行了重点分析,将其简化为阀控非对称缸、阀控马达及定量泵-溢流阀等液J压单元。基于解析建模法,应用物理学、流体力学、动力学定律和方程推导其数学模型及传递函数,为其仿真实验奠定了理论基础。在此基础上,采用AMESim软件建立起上卸扣系统的仿真模型,进行了变参数仿真实验研究,掌握了各参数变量随时间变化的规律,这些研究工作为评价上卸扣系统的工作性能提供了理论依据。文中最后对试验样机及现场试验情况进行了介绍,将试验测得的结果与仿真结果进行了对比,就试验数据与仿真数据之间的误差及其成因进行了分析,验证了系统理论模型的正确性,证明利用系统仿真技术来研究系统动态特性是可行的,仿真结果对于全面深入掌握系统工作特性具有指导意义。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
创新点摘要  7-11
第一章绪论  11-18
  1.1 课题背景  11
  1.2 修井作业机械化装置的发展状况  11-15
    1.2.1 国外的研究现状  11-14
    1.2.2 国内的研究现状  14-15
  1.3 修井作业机械化装置的发展趋势  15-16
  1.4 实现修井作业机械化的关键技术  16
  1.5 课题研究的主要内容  16-18
第二章修井作业机械化系统的组成与结构  18-30
  2.1 修井作业机械化系统的总体方案  18-20
    2.1.1 系统设计要求  18
    2.1.2 修井作业机械化系统的总体方案  18-19
    2.1.3 工艺流程  19-20
  2.2 起升系统结构  20-23
    2.2.1 井架与底座  20-21
    2.2.2 吊环与吊卡  21-22
    2.2.3 扶正机械手  22-23
  2.3 上卸扣系统结构  23-26
    2.3.1 液压动力钳  23
    2.3.2 主钳  23-24
    2.3.3 背钳  24-25
    2.3.4 卡瓦  25-26
  2.4 液压系统的设计  26-29
    2.4.1 基本回路  26-28
    2.4.2 液压系统的集成  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章起升系统运动学、动力学及液压元件数学模型  30-46
  3.1 多刚体系统运动学与动力学的基本理论  30-32
    3.1.1 多刚体系统运动学的基本理论  30-31
    3.1.2 多刚体系统动力学的基本理论  31-32
  3.2 吊环吊卡摆动的运动学方程  32-35
  3.3 吊环吊卡摆动的动力学方程  35-37
  3.4 液压系统的建模理论与方法  37-39
    3.4.1 微分方程模型  37-38
    3.4.2 动态方程的拉普拉斯变换  38
    3.4.3 动态方程的传递函数  38-39
  3.5 液压系统典型元件的数学模型  39-45
    3.5.1 阀控液缸的数学模型  39-41
    3.5.2 阀控马达的数学模型  41-43
    3.5.3 定量泵—溢流阀的数学模型  43-45
  3.6 本章小结  45-46
第四章基于ADAMS的起升系统仿真实验研究  46-70
  4.1 基于ADAMS的虚拟样机模型  46-47
  4.2 起升系统机液联合仿真实验的前处理  47-50
    4.2.1 扶正手推送油管过程的驱动力曲线  47-48
    4.2.2 吊环吊卡摆出过程的驱动力曲线  48-49
    4.2.3 液压回路的创建  49-50
  4.3 起升系统机液联合仿真实验研究  50-59
    4.3.1 扶正手摆出过程的机液联合仿真实验  50-55
    4.3.2 吊环吊卡摆出过程的机液联合仿真实验  55-57
    4.3.3 扶正手推送汕管过程的机液联合仿真实验  57-59
  4.4 油管与扶正手的接触碰撞仿真实验  59-69
    4.4.1 接触碰撞模型  59-61
    4.4.2 汕管与扶正手的接触碰撞仿真实验  61-69
  4.5 本章小结  69-70
第五章上卸扣系统的键合图理论模型  70-88
  5.1 键合图理论基础  70-74
    5.1.1 键合图理论的特点  71
    5.1.2 键合图理论的基本概念、符号和原理  71-72
    5.1.3 键合图理论的模块化建模方法  72-74
  5.2 主背钳系统中各元件功率键合图模型  74-81
    5.2.1 电动机的键合图模型  74
    5.2.2 溢流阀的键合图模型  74-75
    5.2.3 液压泵的键合图模型  75-76
    5.2.4 三位四通换向阀的键合图模型  76-78
    5.2.5 管路的键合图模型  78
    5.2.6 液压缸的键合图模型  78-79
    5.2.7 主钳卡紧系统的机械部分键合图模型  79-80
    5.2.8 主背钳起升系统的机械部分键合图模型  80-81
  5.3 上背钳系统中各模块键合图模型  81-85
    5.3.1 主钳卡紧模块键合图模型  81-82
    5.3.2 主钳刹紧模块键合图模型  82-83
    5.3.3 主背钳总体起升模块键合图模型  83-84
    5.3.4 主钳单独起升模块键合图模型  84-85
  5.4 主背钳系统卡紧模块与起升模块的集成模型  85-86
  5.6 本章小结  86-88
第六章基于AMESIM的上卸扣系统仿真研究  88-98
  6.1 AMESIM简介  88
  6.2 主钳液压系统仿真实验  88-94
    6.2.1 主钳系统仿真模型  88-89
    6.2.2 仿真模型的实验参数设置  89-90
    6.2.3 仿真实验结果及分析  90-94
  6.3 背钳起升液压系统仿真实验  94-97
    6.3.1 仿真模型的建立  94-95
    6.3.2 各元件参数设置  95
    6.3.3 仿真实验结果及分析  95-97
  6.4 仿真实验结论  97
    6.4.1 主钳液压系统仿真实验结论  97
    6.4.2 背钳液压系统仿真实验结论  97
  6.5 本章小结  97-98
第七章修井作业机械化装置样机试验研究  98-105
  7.1 修井作业机械化装置的试验样机  98-101
  7.2 样机试验  101-104
    7.2.1 试验目的及内容  101
    7.2.2 试验方案及步骤  101-102
    7.2.3 试验结果及分析  102-104
  7.3 本章小结  104-105
结论  105-107
参考文献  107-113
发表文章  113-116
致谢  116-117
详细摘要  117-143

修井作业机械化装置的系统仿真与实验研究

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