设计顶驱钻机的结构设计.docx
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设计顶驱钻机的结构设计
【关键字】设计
高等教育自学考试
毕业设计(论文)
题目顶驱钻机的结构设计
专业班级09级机电一体化工程
姓名
指导教师姓名、职称高级工程
所属助学单位
日
1绪论…………………………………………………………………………………1
1.1顶驱钻机的发展和简介………………………………………………………1
2顶驱装置……………………………………………………………………………1
2.1顶驱装置的概述………………………………………………………………1
2.2顶驱装置的特点………………………………………………………………3
2.3顶驱的发展、组成元件、性能特点…………………………………………3
2.3.1顶部驱动钻井装置构成………………………………………………4
2.3.2顶部驱动钻井装的性能特点…………………………………………4
2.4顶驱装置的结构……………………………………………………………5
3钻机………………………………………………………………………………6
3.1钻机的概述…………………………………………………………………6
3.2钻机主要技术要求…………………………………………………………7
3.3影响钻进的因素……………………………………………………………8
4顶驱钻机虚拟样机技术研究……………………………………………………8
4.1总体方案设计系统…………………………………………………………8
4.2虚拟样机TDS—VPS的功能模型……………………………………………9
4.2.1虚拟造型系统…………………………………………………………9
4.2.2顶驱钻机仿真分析设计………………………………………………10
4.3顶驱虚拟样机TDS—VPS的关键技术………………………………………11
4.3.1数字化表达方式………………………………………………………11
4.3.2虚拟性能评估…………………………………………………………12
结论…………………………………………………………………………………13
致谢…………………………………………………………………………………14
参考文献……………………………………………………………………………15
摘 要
钻机在矿床普查勘探中,特别是有色金属稀有金属等矿床普查勘探中,坑道钻探用于追索矿床,加密勘探勘察地质构造圈定矿体及取样和验证等;钻机在矿山开凿中,常用坑道钻探技术来钻凿地下观测孔、通风孔、排水孔、瓦斯排放孔、注浆孔、爆破孔、锚定孔及开凿坑道的先导孔等;钻机在其他岩土工程施工领域中,坑道钻探的装备和工艺技术可用于坝基的边坡加固地质灾害的治理深基坑的支护,以及工业商业交通军事等方面的地下工程施工。
本文通过介绍顶驱钻机,根据机械振动理论,得出系统的运动微分方程,并针对研制的实际情况,合理的确定了顶驱系统的振幅、激振频率、激振力、偏心力矩等主要参数。
根据顶驱的振动过程,进行动力学分析,在此根底上建立虚拟样机,得到了箱体质心位置、偏心块质心位置以及激振力等随时间变化的参数曲线,实现了对顶驱系统虚拟样机的动力学仿真分析。
应用ANSYS软件对顶驱系统主要承力构件冲锤进行有限元分析,用此分析顶驱系统的设计是否满足使用要求,为研究生产样机提供了理论依据。
同时,钻机进行了空运转实验和生产性实验用以验证顶驱结构设计合理。
关键词:
钻机、顶驱结构设计、虚拟样机、动力学仿真分析
Abstract
Censusexplorationdrillingofthedeposit,especiallynon-ferrousandraremetalsdepositscensusexploration,drillingtunnelsforrecoursedeposits,geologicalsurveyanddelineationofencryptionoreexplorationandsamplingandverification;rigdrilledinthemine,thecommontunneldrillingGroundobservationtechnologytodrillingholes,ventilationholes,drainholes,gasdischargehole,groutingholes,blastingholesdrilledanchorholesandtrenchesofthepilothole,etcdrillinotherareasofgeotechnicalengineering,tunneldrillingequipmentAndtechnologycanbeusedforthedamfoundationSlopecontrolofgeologicaldisastersinthedeepfoundationofsupport,aswellasindustrialandcommercialtransportandmilitaryaspectsofundergroundconstruction.
Byintroducingthetopdrivedrillingrigs,accordingtomechanicalvibrationtheory,theobtaineddifferentialequationsofmotion,andforthedevelopmentoftheactualsituation,thereasonabledeterminationofthetopdrivesystem,theamplitude,excitationfrequency,theexcitingforce,eccentrictorque,andothermajorparameters。
Accordingtothevibrationofthetopdrivetheprocessofdynamicanalysis,basedonthisprototype,getaboxcenterofmassposition,eccentric,andexcitingforcecentroidpositionchangeswithtimeparametercurvesonthetopdrivesystemtoachieveavirtualPrototypedynamicsimulationanalysis。
ApplicationofANSYSsoftwaretothetopdrivesystem,load-bearingcomponenthammerfiniteelementanalysis,usingthisanalysiswhetherthetopdrivesystemdesigntomeettherequirementsforthestudyoftheproductionprototypeprovidesatheoreticalbasis.Meanwhile,therigairoperationconductedexperimentstotestandverifytheproductionoftopdrivestructuredesign.
Keywords:
drillingrig;topdrivedesign;virtualprototype;dynamicsimulationanalysis
顶驱钻机的结构设计
1绪论
1.1顶驱钻机的发展和简介
顶部驱动技术是转盘钻机问世以来的几项重大变革(液压盘式刹车、液压钻井泵、交流变频驱动等)之一。
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,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。
2顶驱装置
2.1顶驱装置的概述
顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS(TOPDRIVEDRILLINGSYSTEM),是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。
它可从井架上部空间直接旋转钻杆,沿专用导轨向下送进,完成钻杆旋转钻进,循环钻井液,接立柱,上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。
该系统显著提高了钻井作业的能力和效率,并已成为石油钻井行业的标准产品。
自20世纪80年代初开始研制,现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS(INTEGRATEDTOPDRIVEDRILLINGSYSTEM),是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。
顶部驱动装置的出现,使得传统的转盘钻井法发生了变革,诞生了顶部驱动钻井方法。
该方法在1000多台海洋钻机和特殊陆地钻机上的成功使用,得到了使用者和市场的认同。
它的重要意义是促进了海上和陆地钻井技术自动化的进步;其另一个意义则在于:
顶部驱动钻井使用自动化接单根起下钻设备,从而不必要再试制和研究始于20世纪60年代的方钻杆接单根方法。
顶部驱动钻井装置的旋转钻柱和接卸钻杆立根更为有效的方法。
该装置可起下立柱,减少了钻井时三分之一的上卸扣操作。
它可以在不影响现有设备的条件下提供比转盘更大的旋转动力,可以连续起下钻、循环、旋转和下套管,还可以使被卡钻杆倒划眼。
图2.1为顶驱主要部件图。
图2.1顶驱主要部件图
2.2顶驱的特点
作为当前最新的钻井方式,有许多不同于方钻杆钻井的优点。
同以前的方法相比,顶部驱动钻井装置还有一些特定优点:
1.节省接单根时间
顶部驱动钻井装置不使用方钻杆,不受方钻杆长度限制,避免了钻进9米左右接单根的麻烦。
取而代之的是利用立柱钻进,大大节省了接单根的时间,从而节约了钻井时间。
2.倒划眼防止卡钻
顶部驱动钻井装置具有使用28米立柱倒划眼的能力,可在不增加起钻时间的前提下,顺利地循环和旋转将钻具提出井眼。
在定向钻井过程中,可以大幅度地减少起钻总时间。
3.下钻划眼
顶部驱动钻井装置具有不解接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。
使用顶部驱动钻井装置下钻时,可在数秒内接好钻柱,立刻划眼,从而减少卡钻的危险。
4.人员安全
顶部驱动钻井装置可减少接单根次数2/3,从而降低了事故发生率。
接单根只需要打背钳。
钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至鼠洞,大大减少了人员工作的危险程度。
5.设备安全
顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣,上扣平稳,并可从扭矩表上观察上扣扭矩,避免上扣扭矩过盈或不足。
钻井最大扭矩的设定,使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转,待调整钻井参数后再正常钻进,避免设备超负荷长时间运转。
2.3顶驱的发展、组成元件、性能特点
多年来,石油钻井一直是依靠钻机的转盘带动方钻杆和钻具、钻头旋转进行钻井作业的。
近年来,随着钻井装备技术的不断发展,为了更好地满足钻特殊工艺井的需要,20世纪80年代,国外研制出一种将水龙头与马达相结合,在井架空间的上部带动钻具、钻头旋转,并可沿井架内安放的导轨向下送进的钻井装置,同时配备了钻杆的上、卸丝扣装置,可完成井下钻柱旋转、循环钻井液、钻杆上卸、起下钻、边起下边转动等操作。
因该装置在钻机的游动滑车之下,驱动的位置比原转盘位置要高,所以称之为顶部驱动钻井装置。
顶部驱动钻井装置可接立柱(三根钻杆组成一根立柱)钻进,省去了转盘钻井时接、卸方钻杆的常规操作,节约钻井时间20%~25%,同时,减轻了工人劳动强度,减少了操作者的人身事故。
使用顶部驱动装置钻井时,在起下钻具的同时可循环钻井液、转动钻具,有利钻井中井下复杂情况和事故的处理,对深井、特殊工艺井的钻井施工非常有利。
顶部驱动装置钻井使钻机的钻台面貌为之一新,为今后实现自动化钻井创造了条件。
目前国内外的深井钻机、海洋及浅海石油钻井平台、施工特殊工艺井的钻机大多配备了顶部驱动钻井装置。
1993年,国内开始了顶部驱动装置的研究工作,1996年完成了顶部驱动装置样机的台架试验。
1997年,宝鸡石油机械厂生产出了DQ60D型顶部驱动装置,在塔里木油田钻井队使用后现已批量生产。
截至2004年我国在用的顶部驱动钻井装置大约有150台右。
2.3.1顶部驱动钻井装置构成
顶部驱动钻井装置有以下主要部件和附件构成:
l)水龙头-钻井马达总成(关键部件之一);
2)马达支架/导向滑车总成(关键部件之一);
3)钻杆上卸扣装置总成(关键部件之一,它是体现顶部驱动钻井装置最大优点的设备);
4)平衡系统;
5)冷却系统;
6)顶部驱动钻井装置控制系统;
7)可选用的附属设备。
其中水龙头-钻井马达总成包括下述主要部件:
1)钻井马达和制动器(气刹车)
2)齿轮箱(变速箱);
3)整体水龙头;
4)平衡器。
2.3.2顶部驱动钻井装置的性能特点
顶部驱动钻井装置的性能特点:
1)在钻井过程中可在任意位置提起钻具划眼循环,清洗井眼,有效地避免卡钻等事故发生。
起下钻过程中遇卡或遇阻可迅速使顶驱接上钻具,循环泥浆进行划眼作业。
2)用立根钻进,减少2/3上卸扣工作量。
3)在下套管时,借助于吊环倾斜机构抓取套管,在上扣时顶驱有扶正作用,可避免乱扣、错扣,大大提高下套管速度。
4)在憋钻时,可用刹车机构刹住钻具,慢慢释放,防止钻具迅速反弹,以防损坏钻具或脱扣。
5)在定向钻进中,可用刹车机构刹住顶驱主轴,进行定向造斜。
6)在井涌、井喷时,在井架内任意高度可迅速关闭内防喷器。
7)由于不使用转盘,提高了井口操作时的安全性。
8)借助于倾斜臂和旋转头的作用,井口上卸扣作业和二层台作业的体力劳动强度大大减轻。
9)在稳斜段钻进时,可随意提动钻具,避免岩屑沉积。
10)利用立根钻进,可实现连续长筒取芯达27米。
其结构特点:
11)简便的安装移运性能。
12)具有较大的卸扣能力。
13)导轨安装与拆卸检修方便,具有互换性能。
14)顶驱体可通过过渡环直接与游车连接,减少整个装置的工作高度。
15)液压控制的旋转头装置,可带动吊环倾斜机构旋转360º,并有级锁紧。
16)高强度的齿轮减速传动。
17)钻井和起下钻采用不同的负荷通道,延长主轴承的使用寿命。
18)背钳采用四点浮动夹持,提高了背钳的夹持能力,减少了对钻具的损伤。
19)采用液压浮动油缸平衡顶驱主体自重,可在上卸扣作业时保护钻具接头丝扣。
2.4顶驱装置的结构
目前,顶驱种类很多,但在结构上不外乎由以下几部分组成。
如图2.3所示。
(1)动力驱动装置
动力驱动装置有电动和液压两种。
通常采用一台或两台交流(或直流或液压)马达,经齿轮机构减速,提供钻井动力。
美国的Varco公司和National—Oilwell公司以及我国生产的顶驱,采用的是交流或直流电动机驱动方式,加拿大的Tesco公司生产的500HS、500HC顶驱,采用的是液压马达驱动方式。
图2.2为顶部驱动形式图。
图2.2顶部驱动形式图
(2)倾斜装置
倾斜装置由机械臂、吊环、驱动机构组成,驱动结构又分气动、液压两种。
气囊或液缸使机械臂带动吊环前摆、后摆,在接单根及从指梁取放立柱时使吊卡可自动摆到位。
(3)管子处理装置
该装置体现了驱动的最大优点。
它由扭矩钳、内防喷控制阀和执行机构组成。
扭矩钳在液压作用下,可在任何时候、任何位置完成上卸扣作业。
内防喷器控制阀在停泵情况下可操作机械臂任意开关,这即可节约钻井液又可实施井控。
(4)扭矩管、平衡系统、冷却系统
扭矩管也称导轨,为顶驱提供了上下滑动的导轨,起扶正作用,便于接立柱时对扣和下套管时对套管扶正,同时用来抵消钻井过程中钻具旋转的反扭矩,即将反扭矩传到井架底座上,而不传给井架。
平衡系统采用双液压平衡液缸,其作用类似于大钩弹簧。
冷却系统由鼓风机、交流电动机、导管组成,向钻井电动机提供冷却空气。
(5)控制系统
控制系统提供给操作者一个操作顶驱所有动作的控制台,包括司钻控制及仪表控制台、电缆、液压管线、气管等。
图2.3顶驱系统组成示意图
(6)钻井液循环系统
美国Varco公司生产的IDS-1型顶驱及国产DQ-60D型顶驱的钻井液可由电动机轴上部相连的冲管总成经空心电动机轴内衬管流入钻柱进行循环。
而加拿大TESCO公司的顶驱安装在普通钻井水龙头下面。
前者将马达、水龙头、齿轮减速机构集于一体,设计紧凑。
3钻机
3.1钻机的概述
钻机(drill)是在地质勘探中,带动钻具向地下钻进,获取实物地质资料的机械设备。
又称钻探机。
主要作用是带动钻具破碎孔底岩石,下入或提出在孔内的钻具。
可用于钻取岩心、矿心、岩屑、气态样、液态样等,以探明地下地质和矿产资源等情况。
钻机传动原理图如图3.1所示。
图3.1钻机传动原理图
1.主要产品分类:
(1)潜孔钻机
(2)凿岩钻机
(3)全液压一体机
(4)探矿钻机
2.广泛的应用
(1)在矿床普查勘探中,特别是有色金属稀有金属等矿床普查勘探中,坑道钻探用于追索矿床,加密勘探勘察地质构造圈定矿体及取样和验证等。
(2)在矿山开凿中,常用坑道钻探技术来钻凿地下观测孔、通风孔、排水孔、瓦斯排放孔、注浆孔、爆破孔、锚定孔及开凿坑道的先导孔等。
(3)在其他岩土工程施工领域中,坑道钻探的装备和工艺技术可用于坝基的边坡加固地质灾害的治理深基坑的支护,以及工业商业交通军事等方面的地下工程施工。
3.2钻机主要技术要求
1.SGZ-IIIA300米钻机主要技术要求:
钻进深度:
300米,钻机角度0-360度,使用φ42、φ50、φ53mm三种钻杆,六挡转速,最高转速1200转/分,最低转速128转/分。
立轴直径φ60mm。
2.SGZ-IB150米钻机主要技术要求:
钻进深度:
150米钻孔角度0-360度,使用φ42mm钻杆,四挡转速:
最高1000转/分,最低95转/分。
3.QD70BS主要技术参数
名义钻井深度:
7000m(41/2钻杆):
最大载荷:
4500kN;额定循环压力:
35MPa;系统质量:
12000kg;额定功率:
400HP×2;环境温度:
-35~50℃;工作扭矩:
50kN·m(连续);最大扭矩:
75kN·m(间断)
3.3影响钻进的因素
影响钻进速度的因素很多,主要有客观因素(地质条件、岩层性质和钻井深度等)和可调变量(钻压、转速、排量、钻头类型等)。
4顶驱钻机虚拟样机技术研究
虚拟样机技术(简称VP)是在CAx(G/CAM/CAE)和DFx(DFA/cIFM)技术基础上发展而来的,是基于集成化产品和过程开发(IPPD)策略的产品设计、开发和评估的新型使能技术。
它融合信息技术、先进制造技术、多领域仿真技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术。
同时,有机地结合现代管理理论、系统工程方法学,涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现,将不同工程领域的开发模型融合在一起,建立复杂机械产品的基于物理的仿真模型,为产品的全生命周期设计和评估提供分布式的集成化环境L2|3j。
虚拟样机技术自20世纪90年代初出现以来,在军事、航空、航天、汽车制造等高科技领域获得成功的应用L4J。
将顶驱钻井装置l5,6JTDS(TopDriveDrillingSystem)设计、装配和样机运转、性能测试和设计改进完全在虚拟环境中进行,使石油设备制造业从纯粹的物质流与资金流转为数据流与信息流,实现数字化设计与制造的崭新理念,可以为新型顶部驱动钻井系统的研制提供崭新的计算机平台。
4.1总体方案设计系统
按照模块化设计思想,将顶驱钻机的概念设计转为结构设计,把顶驱抽象为一组相互连接的功能模块的集合,建立功能模块之间的关系。
采用模块化综合智能设计支持工具,在功能分析的基础上,确定顶驱总体设计方案型式和所需模块的种类、功能以及主要性能参数、特性参数值,合理选择出所有可能的顶驱总体模块结构,并通过功能综合将所选的模块结构合理组合,构成多个顶驱的总体方案,通过总体方案分析与评价决策子系统,确定最终设计方案。
1.总体布置设计系统
该系统依照总体设计方案确定的顶驱各模块功能、综合约束的布置模型和拓扑描述的布置设计模型,分析顶驱各模块间的空间相对位置关系,确定相互间约束的方位和种类,解决不同模块间的干涉冲突问题,确定顶驱的总体结构。
2.模块设计系统
它由三维造型模块、典型零部件设计模块、数据转换接口和模块库组成,包括顶驱组成模块的三维几何造型以及与其他G造型系统的数据转换,用以完成对顶驱各模块的实体造型,并构建顶驱的模块库。
在顶驱模块综合智能设计决策支持系统的基础上,依据顶驱布置方案进行整机、各模块及其零部件的三维外观造型设计和工艺准备。
3.装配分析系统
根据模块装配的表达策略和模块装配顺序的计算机生成技术,开发出具有多层装配序列、零件装配路径规划和装配工艺文档化等的TDS—APS(TopDriveDrillingSystem-AssemblyPlanningSystem)装配设计平台。
该装配设计平台能够通过装配建模、装配模型的公差分析与综合评价、装配模型中的运动机构的求解及干涉检查等进行装配模型的设计分析和评价。
通过人机交互产生顶驱装配序列,进行装配顺序和装配路径规划,然后通过对整体和各模块基于物理的装配过程仿真,实现装配规划过程的可视化;具备干涉碰撞路径、装配一拆卸路径等的可视化功能等。
可以使装配过程具有良好的几何约束可操作性,实现欠约束条件下多封闭环约束操作,支持常见运动副和装配关系的约束表达。
4.运动仿真系统
建立了顶驱沿井架内专用导轨向下送进、钻柱旋转钻进、接立根、上卸扣和倒划眼等过程的虚拟运动仿真模型,规划出各部件运动路径,实现了对顶驱工作过程进行可视化仿真和分析。
分析了运动部件碰撞等运动干涉情况,及时进行了设计改进。
5.性能分析系统
开发了具有动力学分析能力的几何约束引擎体系。
在实时动态仿真顶驱旋转钻进过程时,考虑到物体的质量、运动规划、惯性、外部作用力和重力等多种物理因素,融合多体系统动力分析常用的缩并法和微分流形分析法,在设计的最大功率、最大转速范围内对模块化顶驱进行闭环动力学、动态特性分析。
可以对顶驱主要零部件、易损件进行寿命预测分析,用以
改进顶驱的结构。
4.2虚拟样机TDS—VPS的功能模型
顶驱虚拟样机TDS—VPS分为顶驱造型设计系统和顶驱虚拟仿真系统两个功能系统。
4.2.1虚拟造型系统
顶驱造型设计系统主要有顶驱三维造型设计系统和顶驱模型一模块库,旨在提高设计速度,为用户提供一个便捷的设计环境。
1.三维造型设计系统
顶驱三维造型设计以数据库为核心,以PDM为产品并行开发支撑环境,包括顶驱三维模块设计子系统和典型零部件设计子系
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