齿轮齿条钻机系统动力学研究

发布时间：2017-09-11 00:30

  本文关键词：齿轮齿条钻机系统动力学研究

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【摘要】：目前,国内许多油田都已进入了石油开采后期阶段,开采难度也不断加大,各种先进的开采方法和设备得到广泛的应用和推广,齿轮齿条钻机应运而生。齿轮齿条钻机是以上世纪七十年代的非开挖水平钻机为原型演变而来的。它没有了传统钻机的绞车、大钩和钢丝绳、游动系统,取而代之的是通过齿轮齿条的啮合来传递动力,齿轮的正反转,就能带动顶驱在井架上上下运动,因此它既能给钻柱提供上提力,又能给钻柱提供下压力,表现出传统钻机无法比拟的优势。再者它结构紧凑、操作方便,作为一种新型的钻机,它表现出强大的生命力。然而齿轮齿条钻机并没有在现场得到广泛的应用,一方面是由于现场对新技术比较陌生,一般都采用比较保守的设备以保证作业的稳定性；另一方面对于齿轮齿条钻机本身而言,也有问题需要解决。齿轮齿条钻机与传动转盘钻机所受载荷差别主要体现在：(1)传统钻机由于钢丝绳的阻尼作用,钻进过程中钻柱的动载很大一部分都被钢丝绳消耗；而齿轮齿条钻机的顶驱与井架通过齿轮齿条的相连接,钻柱的动载或直接或间接的作用在井架上。(2)传统钻机作业时,大钩下悬挂的载荷通过钢丝绳作用在井架顶端的天车上,载荷的作用点不变；而齿轮齿条钻机作业时,顶驱悬挂的载荷随着顶驱在井架上上下运动,作用点发生变化。相较于传统钻机,齿轮齿条钻机的井架所受的载荷更为复杂,井架作为钻机最主要的承载部件,井架的稳定性直接关乎齿轮齿条钻机的整体稳定性。本文研究齿轮齿条钻机系统的动力学,主要对齿轮齿条钻机井架的动力学进行研究。针对于齿轮齿条钻机的受力情况,现展开对齿轮齿条钻机系统动力学的研究,具体研究内容如下。(1)根据齿轮齿条钻机井架的参数,通过合理的简化与假设,采用Solidworks软件建立了齿轮齿条钻机井架的几何模型,并导入Workbench软件,建立井架的有限元模型,为后文分析奠定了模型基础。(2)根据齿轮齿条钻机的实际工况,对其井架进行了静力学分析,计算了在几种工况下井架的应力与变形,并分析了随着顶驱在井架上上下运动时井架应力和变形的变化规律。(3)开展齿轮齿条钻机井架动力学分析特性研究,完成齿轮齿条钻机井架的模态分析,提取井架前十阶振动固有频率值,发现井架振动频率主要集中在低频,更进一步地对井架进行了谐响应分析,发现在一系列简谐频率的作用下,井架的共振主要发生在井架低阶自振频率附近,且其激振作用点不同,对井架的影响也不同。(4)对井下钻柱的运动规律进行初步研究,建立了钻柱纵向和扭转相互耦合振动的数学模型,经过一定简化,采用摄动法近似求解出钻柱纵扭耦合振动的解,得到钻柱纵扭耦合振动的规律。进而将所计算的结果施加在井架有限元模型上,分析在此载荷下井架的变形规律,研究发现井架受扭转振动的影响较大,井架前扇两条大腿是井架的薄弱点,设计时应予以加强。综上所述,本文以齿轮齿条钻机系统为研究对象,主要研究了井架动、静力学特性,对齿轮齿条钻机井架的设计及结构改进提供了一定的依据和参考。
【关键词】：齿轮齿条钻机 动力学分析 钻柱振动 数值模拟
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE922
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究目的及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状与发展11-15
• 1.3 主要研究内容15-16
• 第2章 齿轮齿条钻机结构分析及建模16-22
• 2.1 齿轮齿条钻机结构分析16-18
• 2.2 井架模型18-20
• 2.3 有限元分析理论20
• 2.4 本章小结20-22
• 第3章 齿轮齿条钻机井架静力学分析22-39
• 3.1 恒载工况22-25
• 3.2 工作载荷工况25-31
• 3.3 自然载荷工况31-36
• 3.4 井架稳定性分析36-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 齿轮齿条钻机井架动力学分析39-52
• 4.1 齿轮齿条钻机井架模态分析39-43
• 4.2 齿轮齿条钻机井架谐响应分析43-50
• 4.3 本章小结50-52
• 第5章 井架瞬态动力学与动态响应分析52-76
• 5.1 钻柱动力学模型的建立52-55
• 5.2 钻柱非线性纵扭耦合动力学模型求解55-59
• 5.3 纵扭耦合实例计算结果及分析59-63
• 5.4 齿轮齿条钻机瞬态动力学数值模拟63-75
• 5.5 本章小结75-76
• 第6章 结论与展望76-78
• 6.1 本文结论76-77
• 6.2 展望77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-84
• 个人简介84-85

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本文编号：827571