《中国石油大学（华东）》2013年博士论文

发布时间：2016-08-26 07:06

  本文关键词：海洋石油装备与设施——支撑起海洋石油工业的平台，由笔耕文化传播整理发布。

《中国石油大学（华东）》 2013年

海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统研究

姜浩  

【摘要】：钻柱升沉补偿系统是海洋浮式钻井平台的重要组成部分，是保障正常钻井，并对海浪造成的升沉运动进行补偿的系统。深海钻井所采用的浮式钻井平台在波浪的作用下产生周期性的升沉运动，带动钻柱上下往复运动引起井底钻压变化，影响钻进效率，降低钻头和钻杆寿命，在恶劣天气下甚至导致无法钻进和被迫停工，造成巨大经济损失。 通过分析研究目前使用的钻柱升沉补偿系统的结构、工作原理、补偿效果及能耗，设计了一种采用双缸倒置的游车与大钩间装设的半主动式钻柱升沉补偿系统。在此基础上，设计了基于变量泵、电液比例方向阀和气液蓄能器为主要部件，控制补偿缸活塞运动的液压升沉补偿系统详细方案，并进行了该系统的机械、液压和电控参数计算；设计了系统的机械结构，包括补偿缸、上框架、下框架，锁紧装置等；设计了系统的液压方案，可满足正常钻进和轻载时的补偿需要，并可实现钻压调节；设计了系统的电控方案，采用IPC为上位机，PLC为控制器的DCS系统，可实现升沉补偿系统的实时参数检测和自动控制。 建立了被动式、主动式和半主动式升沉补偿系统的数学模型和仿真模型，并利用Simulink进行了仿真研究，结果表明：被动式升沉补偿系统具有一定的补偿效果，但补偿效果比较差，并且存在滞后现象；主动式补偿系统，补偿效果好，精度高，抗干扰能力强，但要求瞬时功率较大；半主动式补偿系统结合了被动式和主动式的优点，具有较好的补偿效果和较低的能耗。 基于相似原理，设计了复合缸式钻柱升沉补偿试验台，可进行钻井平台升沉模拟、大钩负载模拟和钻柱补偿控制等相关实验；建立了以定量泵、电液比例方向阀和不对称液压缸为主要部件的升沉模拟系统，采用死区补偿和PID控制相结合的策略，较好地实现了升沉的模拟；采用液压缸、蓄能器和电磁阀为主要部件的负载模拟系统，可实现大钩静载和动载的模拟；采用变量泵、电液比例方向阀、补偿液压缸、蓄能器和电磁溢流卸荷阀为主要部件的补偿系统，可较好地实现升沉补偿的控制。 基于升沉补偿系统模拟试验台，设计了被动补偿、主动阀控补偿、主动泵控加阀控补偿、半主动阀控补偿和半主动泵控加阀控补偿的控制方案并进行了实验研究，实验数据表明：主动补偿和半主动补偿方案补偿效果较好，是理想的控制方案。 进行了不同补偿方式的能耗分析，并对其进行了比较。被动补偿不消耗能量；主动式阀控方式要求系统瞬态功率较大，，能耗也是最大；主动泵控加阀控控制了驱动液压泵的流量，能耗少于阀控方式；半主动式阀控补偿方式由于补偿蓄能器储存能量用于补偿，其补偿能耗远远小于主动阀控补偿方式，比主动泵控加阀控方式亦小；半主动泵控加阀控控制策略要求较高，控制效果不如半主动阀控好，能耗相对略低。 利用所建立的模拟试验台、设计的控制系统和开发的控制软件，对升沉补偿模拟系统进行了试验研究，并与仿真结果进行比较，表明：仿真模型和模拟试验结果与理论分析的结果基本一致，升沉补偿系统模型及其模拟试验系统都具有较好的补偿精度，证明了论文所设计的升沉补偿系统方案的正确性，设计的控制系统和选用的控制方法的有效性，开发的控制软件稳定可靠，系统可满足深海钻井升沉补偿要求。 通过系统仿真和实验研究得知，半主动阀控升沉补偿系统具有较好补偿效果和较低的系统能耗，是一种较理想的方案。 本课题完成了升沉补偿系统的方案设计、参数计算、建模仿真、实验分析、控制研究等内容，产生了一系列具有自主知识产权的研究成果，对提高我国海洋技术装备水平，加速我国海洋钻井技术的推广和应用具有重要意义。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国石油大学（华东）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TE951
【目录】：

下载全文 更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？ 欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 汤晓燕;刘少军;云忠;;基于虚拟样机技术的深海采矿主动式升沉补偿系统设计[J];北京工业大学学报;2008年05期

2 王传荣;;世界海洋油气资源钻采设备发展现状与趋势[J];船舶物资与市场;2006年06期

3 赵建亭;;深海半潜式钻井平台钻机配置浅析[J];船舶;2006年04期

4 赵建亭;刘树祥;晏绍枝;李浪清;;浮式钻井装置钻柱运动补偿系统研究[J];船舶;2010年03期

5 周守为;金晓剑;曾恒一;赵英年;朱江;尤学刚;陈可钦;白刚;郭华;周超;;海洋石油装备与设施——支撑起海洋石油工业的平台[J];中国工程科学;2010年05期

6 金秋,张国忠;世界海洋油气开发现状及前景展望[J];国际石油经济;2005年03期

7 郭永峰;纪少君;唐长全;;深水钻井的“人工海底”技术开发和中国南海预试验井的实施(英文)[J];Journal of Marine Science and Application;2009年03期

8 赵克定,李尚义,罗晓鸣,刘庆和;并联和串联囊式蓄能器的理论分析和数字仿真[J];哈尔滨工业大学学报;1991年02期

9 赵志高,杨建民,王磊,程俊勇;动力定位系统发展状况及研究方法[J];海洋工程;2002年01期

10 窦玉玲;管志川;徐云龙;;海上钻井发展综述与展望[J];海洋石油;2006年02期

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 汤晓燕;刘少军;云忠;;基于虚拟样机技术的深海采矿主动式升沉补偿系统设计[J];北京工业大学学报;2008年05期

2 申焱华,张文明,石博强;深海采矿扬矿硬管弹性体建模分析[J];北京科技大学学报;2002年04期

3 付铁;江放;丁洪生;贾斌;;并联6-UPS稳定平台瞬态分析与谱分析[J];北京理工大学学报;2011年09期

4 孙俊;张裕芳;易宏;姚铁;;2000t海缆作业船推进系统论证研究[J];船舶工程;2009年06期

5 邢雪林;陈德兴;彭霞;周跃华;;船舶动力定位系统技术节能分析探讨[J];交通节能与环保;2009年04期

6 林海花;王言英;;波流共同作用下隔水管动力响应非线性分析[J];船舶力学;2009年02期

7 刘海霞;;深海半潜式钻井平台的发展[J];船舶;2007年03期

8 赵建亭;刘树祥;晏绍枝;李浪清;;浮式钻井装置钻柱运动补偿系统研究[J];船舶;2010年03期

9 童波;金强;;基于南海环境条件的半潜式钻井平台设计环境参数分析[J];船舶;2011年02期

10 喻济兵;;海洋工程用系泊链钢的动摩擦磨损研究[J];船电技术;2011年07期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 肖体兵;;深海采矿扬矿管重载半主动型升沉补偿系统控制器的研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年

2 姜浩;刘衍聪;张彦廷;刘振东;;钻柱升沉补偿试验台控制系统设计[A];2011年石油装备学术研讨会论文专辑[C];2011年

3 管锋;段梦兰;黄飞;姜海亮;;深海管道卷管铺设模拟试验方案研究[A];2011年石油装备学术研讨会论文专辑[C];2011年

4 龙建军;吴百海;温国成;;两列超声波信号相位差实时估计算法对比研究[A];第四届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2006年

5 李斌;孔祥东;董杰;;气体参数在线调整装置的DSP控制系统研究[A];中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2010年

6 陈井泉;鄂宝军;;环渤海地区自然资源综合开发利用的前景展望[A];2010年度京津冀区域协作论坛论文集[C];2010年

7 谢彬;王世圣;冯玮;付英军;;3000m水深半潜式钻井平台关键技术综述[A];第十届中国科协年会论文集（四）[C];2008年

8 王钦若;叶宝玉;宋亚男;;船舶/平台动力定位系统研究现状与产学研进展[A];中国自动化学会中南六省（区）2010年第28届年会·论文集[C];2010年

9 吴子全;李怀亮;于文太;秦立成;;浅谈深海平台发展现状[A];第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（上册）[C];2009年

10 ;Model Test Investigation on an Lowering System for Subsea Equipment Installation[A];第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集(上)[C];2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 李佳;载人潜器阻力性能的数值和试验预报及外形优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 曾智刚;波浪运动升沉补偿液压平台关键问题试验研究[D];华南理工大学;2010年

3 胡琼;深海采矿扬矿管道系统力学行为模拟试验系统研究[D];中南大学;2011年

4 张应安;水平井多封隔器压裂管柱通过性力学关键问题研究[D];东北石油大学;2011年

5 孔凡军;大庆油田海塔盆地钻井提速关键技术研究[D];东北石油大学;2011年

6 李军;海陆资源开发模式研究[D];中国海洋大学;2011年

7 李文庆;VV-Ocean海洋环境仿真与海洋数据动态可视化系统的研究与实现[D];中国海洋大学;2011年

8 杜润;液压系统脉动衰减器的特性分析[D];西南交通大学;2010年

9 郑军;大牛地老区低渗致密多层叠合砂岩气藏稳产技术对策研究[D];成都理工大学;2011年

10 李立英;ASTM4130钢焊接热影响区组织与性能研究[D];中国石油大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张智慧;水刺头供水管网液流脉动特性研究[D];郑州大学;2010年

2 曲媛;深海钻井船的总体方案分析研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

3 乔晓国;深水浮式结构动力定位能力动态分析[D];哈尔滨工程大学;2010年

4 时磊;半潜平台动力定位系统的评估及优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

5 徐强;立体视觉测量及半潜平台模型试验研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

6 王大治;单点锚泊系统动力学建模仿真与姿态控制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

7 王影;导管架调平器工程样机研究与设计[D];哈尔滨工程大学;2010年

8 林秋红;水下法兰联接机具优化设计与仿真研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

9 刘鹏;深海钻井立管概念设计与分析[D];哈尔滨工程大学;2010年

10 王冬东;浮体艏向调整系统的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 付明玉,丁福光,边信黔,施小成;船舶动力定位系统滤波器的设计与研究[J];船舶工程;1996年06期

2 庞永杰,徐玉如,倪绍毓,贺敬席;船舶在复杂海况下的实时运动仿真[J];船舶工程;1998年01期

3 王振瑯;耙吸式挖泥船疏浚系统设计概述[J];船舶;1999年06期

4 赵建亭;;深海半潜式钻井平台钻机配置浅析[J];船舶;2006年04期

5 曾文火;周万里;朱鹏程;;直流电机伪微分反馈位置控制参数优化方法[J];电机与控制学报;2006年06期

6 高宏伟,赵宝永,付兴武;模糊自整定PID控制策略的MATLAB仿真研究[J];电气传动自动化;2002年05期

7 刘江,毛纪陵,刘北英;深海采矿扬矿管横向运动动态分析[J];中国工程科学;2001年11期

8 孙建民,杨清梅;规则自调整模糊控制及其在主动悬架系统中的应用[J];公路交通科技;2004年04期

9 TerryPrater,BillEHenn,唐代绪,赵金海,田京燕,胡淑娟;成功的钻井液体系[J];国外油田工程;2000年04期

10 孙建民,舒歌群;自调整模糊控制技术在汽车悬架系统中的应用[J];哈尔滨工程大学学报;2004年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 肖体兵;深海采矿装置智能升沉补偿系统的研究[D];广东工业大学;2004年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 黄锴;1000m海试采矿系统升沉补偿系统控制方法探讨及虚拟样机研究[D];中南大学;2003年

2 赵瞻;FESTO TP701液压实验台电液位置控制系统研究[D];中南大学;2006年

3 白鹿;钻柱液压升沉补偿系统设计研究[D];中国石油大学;2009年

4 倪佳;深海采矿被动升沉补偿系统参数设计与仿真研究[D];中南大学;2009年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈祖波;吕岩;李志刚;高杭;;浮式钻井钻柱升沉补偿概述[J];石油矿场机械;2011年10期

2 张萌;胡小东;李波;;半主动式钻柱升沉补偿系统补偿机理分析[J];石油机械;2012年05期

3 徐宝富;羊衍贵;谌志新;王云杰;;基盘升沉补偿系统的设计和分析[J];中国工程机械学报;2012年03期

4 黄鲁蒙;张彦廷;张磊;刘美英;;半主动式钻井绞车升沉补偿系统[J];石油勘探与开发;2013年05期

5 元峻星;;第二讲 升沉补偿——浮船钻井的必需设备[J];中国海洋平台;1992年02期

6 任克忍;沈大春;王定亚;肖锐;李鹏;南树歧;;海洋钻井升沉补偿系统技术分析[J];石油机械;2009年09期

7 张彦廷;渠迎锋;刘振东;马江涛;;天车升沉补偿系统摇摆装置的设计[J];浙江大学学报(工学版);2012年12期

8 姜浩;刘衍聪;张彦廷;刘振东;;钻柱升沉补偿试验台控制系统设计[J];石油机械;2011年10期

9 肖体兵,吴百海,邹大鹏,龙建军;深海采矿升沉补偿系统非线性仿真模型的建立和试验[J];中国机械工程;2004年09期

10 吕东,何将三,刘少军;深海采矿被动式升沉补偿系统设计及仿真分析[J];矿山机械;2003年11期

中国重要会议论文全文数据库 前6条

1 肖体兵;吴百海;;轻载主动型升沉补偿模拟试验系统的仿真和实验研究[A];中国海洋学会2005年学术年会论文汇编[C];2005年

2 任克忍;沈大春;王定亚;肖锐;李鹏;南树歧;;海洋钻井升沉补偿系统技术分析[A];2009年石油装备学术研讨会论文专辑[C];2009年

3 姜浩;刘衍聪;张彦廷;刘振东;;钻柱升沉补偿试验台控制系统设计[A];2011年石油装备学术研讨会论文专辑[C];2011年

4 肖体兵;;深海采矿扬矿管重载半主动型升沉补偿系统控制器的研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年

5 吴百海;邹大鹏;冶占武;陈飞燕;肖奇军;;深海采矿长行程升沉补偿油缸的同步检测与控制[A];机床与液压学术研讨会论文集[C];2004年

6 王维旭;蒋卫焱;车铁军;李洪波;;深水工程勘察船钻机研制[A];2011年石油装备学术研讨会论文专辑[C];2011年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 澳思;[N];中国船舶报;2010年

中国博士学位论文全文数据库 前5条

1 肖体兵;深海采矿装置智能升沉补偿系统的研究[D];广东工业大学;2004年

2 曾智刚;波浪运动升沉补偿液压平台关键问题试验研究[D];华南理工大学;2010年

3 王海波;水下拖曳升沉补偿液压系统及其控制研究[D];浙江大学;2009年

4 姜浩;海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统研究[D];中国石油大学（华东）;2013年

5 李流军;动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统设计及控制研究[D];中南大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 白鹿;钻柱液压升沉补偿系统设计研究[D];中国石油大学;2009年

2 武光斌;复合缸式钻井升沉补偿系统的设计研究[D];中国石油大学;2010年

3 刘彦武;钻柱升沉补偿系统设计与动力响应分析[D];中国石油大学;2010年

4 胡小东;浮式海洋钻井钻柱升沉补偿系统的设计[D];中国地质大学;2013年

5 张文凯;升沉补偿实验台虚拟样机设计及系统节能研究[D];中国石油大学;2011年

6 赵藤;深水安装作业升沉补偿系统研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

7 戴欢;复合液压缸型升沉补偿方案设计与仿真研究[D];中南大学;2013年

8 潘正春;重型拖曳升沉补偿测控系统的设计[D];武汉工程大学;2012年

9 刘美英;半主动式液压绞车升沉补偿系统设计[D];中国石油大学（华东）;2013年

10 鲁纯;深海采矿波浪升沉补偿系统控制方法研究及建模仿真[D];武汉理工大学;2009年

  本文关键词：海洋石油装备与设施——支撑起海洋石油工业的平台，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：103798