浮式钻井平台升沉运动分析_王维旭

运动升沉补偿装置的设计和分析完成日期：指导教师签字：答辩小组成员签字：运动升沉补偿装置的设计和分析摘要升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一。

在进行深海钻井时, 钻机将会受波浪等作用而带动井下钻具上下运动, 因而无法控制钻压, 这样不但影响效率, 严重时还会损坏钻具。

升沉补偿装置可克服上述升沉运动的影响, 调整深海井底钻压, 提高钻井效率和安全性, 而且能够延长钻井设备的使用寿命。

通过分析国内外升沉补偿技术原理及发展动态，在原理上提出并设计一种半主动升沉补偿装置，同时具有主动式补偿系统与半主动式补偿系统的优点，比传统升沉补偿装置相比具有补偿性能高、能耗低的优点；结构上采用采用游车与大钩之间装设的机械结构，进行具体的结构设计、校核、理论分析，并绘制出二维、三维零件图及装置整体装配图。

关键词：升沉补偿，主动式，被动式，半主动式，游车大钩式Design and analysis of Heave Compensation DeviceAbstractHeave compensation system is the key to Floating offshore platform.Rig will be driven by the wave functions cause down hole drill move up and down when deepwater drilling, it can’t guarantee a stable pressure.It not only influence efficiency, but also can damage drilling tools. Heave compensation system can overcome the influence of heave movement，adjusting the bottom-hole drilling pressure of the deep-sea.Enhance drilling efficiency and safety and prolong the service life of the drilling equipment.Keywords:Heave Compensation, active, passive, semi-active, compensator between travelling block and hook目录1绪论 (1)1.1课题背景及研究意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.2.1国外研究现状 (1)1.2.2国内研究现状 (2)2 升沉补偿装置的结构与补偿原理 (3)2.1升沉补偿装置的结构 (3)2.1.1游车与大钩间的升沉补偿装置 (3)2.1.2天车上装设的升沉补偿装置 (4)2.1.3死绳上装设的升沉补偿装置 (5)2.2升沉补偿装置的原理 (6)2.2.1被动式升沉补偿系统 (6)2.2.2主动式升沉补偿系统 (7)2.2.3半主动式升沉补偿系统 (7)3设计方案选择 (9)3.1机械结构方案的选择 (9)3.2补偿原理方案的选择 (10)4 半主动游车大钩式升沉补偿装置的设计 (11)4.1半主动游车大钩式升沉补偿系统原理 (11)4.2钻柱的参数 (12)4.3半主动游车大钩式升沉补偿系统设计参数选择及计算 (13)4.3.1设计参数的选取 (13)4.3.2补偿液压缸的设计计算 (14)4.3.3气能蓄液器缸的设计计算 (20)4.3.4气能蓄液器缸充气压力及高压所需气体体积的计算 (26)4.3.5主动液压缸的设计计算 (27)4.3.6钢丝绳的选用计算及固定方式 (33)4.3.7滑轮及滑轮组的计算设计、校核 (35)4.3.8液压系统的设计 (42)5 总结和体会 (46)参考文献 (48)致谢 (49)1绪论1.1课题背景及研究意义随着人们对海洋油气资源认识的不断提高及对海洋油气勘探开发工作的逐渐深入, 世界范围内海洋石油钻采装备技术研究已进入一个崭新的历史阶段。

＠＠［１］张胜三．导弹发射车起竖机构分析［Ｊ］．导弹与航天运载 技术，１９９６，（１）．＠＠［２］邵徉．导弹发射车起竖工况力学特性分析［Ｊ］．导弹与航 天运载技术，１９９５，（５）．＠＠［３］姚晓光，郭晓松，冯永保，等．导弹起竖过程的载荷研究 ［Ｊ］．兵工学报，２００８，（６）．＠＠［４］ 吴根茂，邱秀敏，王庆丰，等．新编实用电液比例技术 ［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，２００６．＠＠［５］ 权龙．工程机械多执行器电液控制技术研究现状及最新 进展［Ｊ］．液压气动与密封，２０１０，（１）．浮式钻井平台被动升沉补偿装置设计姜浩１，２刘衍聪１张彦廷１，２刘振东１，２白鹿１，２Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　 ｆｌｏａｔ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍＪＩＡＮＧ　ＨａｏＬＩＵ　Ｙａｎ－ｃｏｎｇＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ－ｔｉｎｇＬＩＵ　Ｚｈｅｎ－ｄｏｎｇＢＡＩ　Ｌｕ１．中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营２５７０６１；２．浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，浙江杭州３１００５８ 摘要：设计了浮式钻井平台被动式升沉补偿装置，进行了系统的受力分析，建立了ＡＭＥＳｉｍ仿真模型，研究了负载和蓄能器体积变化对补偿效果的影响。

仿真结果表明被动式升沉补偿装置具有一定的补偿效果，但系统蓄能器体积较大，补偿存在滞后现象。

采用相似原理建立了实验装置，进行了不同升沉幅值的实验研究，实验数据和仿真曲线符合较好，表明该模拟实验台设计合理，建立的仿真模型准确。

浮式钻井平台；钻柱升沉补偿；大钩位移；蓄能器ＴＰ２７１Ｂ１０００－４８５８　（２０１１　）　１０－００５０－０３２０１１－０４－０８ 基金项目：国家自然科学基金（　５０８７５２６２）；国家高技术发展研究计划（　８６３）资助项目（２００８ＡＡ０９Ｚ３１１）；流体传动及控制国家重点实验室开放基金资助项目（ＧＺＫＦ－２０１０２５）作者简介：姜浩（１９７７－），男，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士研究生，主要从事计算机测控、机电液控制领域的科研和教学工作。

浮动式钻井平台的设备布局优化研究随着全球能源需求的不断增加，深海石油钻井成为满足能源需求的重要途径之一。

而浮动式钻井平台作为深海石油钻井的主要工具，其设备布局的合理与否直接关系到钻井作业的效率和安全性。

因此，对浮动式钻井平台的设备布局进行优化研究具有重要的实际意义。

一、浮动式钻井平台的设备布局重要性1. 提高钻井作业效率：设备布局的优化可以减少操作过程中的时间损失，提高钻井作业的效率。

合理布设钻井设备可以减少设备之间的工作冲突，提高作业效率。

2. 保障钻井作业安全：设备的分布合理与否直接关系到钻井作业的安全性。

合理布局可以减少操作人员与设备之间的交叉干扰，降低事故的发生概率，提高作业安全性。

二、浮动式钻井平台设备布局的问题与挑战1. 空间受限：浮动式钻井平台的作业空间通常较为有限，设备布局需要在有限的空间内合理安排。

2. 设备复杂多样：浮动式钻井平台需要安装各种不同类型的设备，如顶驱、驱动系统、管柱帷幕、水污染控制系统等，这些设备的安装位置需要根据作业流程进行科学合理的布置。

3. 作业流程复杂：钻井平台的作业流程涉及到多个环节，如准备井场、钻井、完井等。

设备布局需要根据钻井作业的流程和技术要求进行合理设计。

三、浮动式钻井平台设备布局优化的方法1. CAD技术辅助设计：利用CAD技术对浮动式钻井平台进行模拟设计，通过虚拟实验和优化算法，寻找最佳的设备布局。

2. 数据分析与优化算法：结合实际数据分析，根据钻井作业的特点和需求，运用优化算法对设备布局进行优化。

如遗传算法、模拟退火算法等。

3. 专家经验与评估指标：借鉴专家经验，对设备布局进行评估，建立合适的评估指标体系，通过专家评分和模糊综合评判方法对不同的方案进行比较和选择。

四、浮动式钻井平台设备布局优化案例研究以某浮动式钻井平台为例，对其设备布局进行优化研究。

通过CAD技术建立模型，运用优化算法对布局进行优化。

首先，根据钻井作业流程和设备要求，确定设备的功能位置。

海洋环境下悬挂式钻井平台的恶劣天气作业能力分析悬挂式钻井平台是一种在海洋环境中进行油气勘探和开发的装备。

在进行作业时，面临的一个重要挑战是恶劣天气条件。

恶劣天气包括强风、大浪、台风等不利于作业的自然环境条件。

本文将对悬挂式钻井平台在恶劣天气下的作业能力进行分析。

首先，需要分析悬挂式钻井平台本身的结构特点。

悬挂式钻井平台通常由一个浮箱和一个悬挂系统组成。

浮箱是一个具有浮力的结构，可以保证平台能够漂浮在水面上。

悬挂系统则是通过多根钢缆来固定平台和海底，保证平台的稳定性。

这种结构可以减小平台受到海浪和风力影响的程度，提高作业的安全性和稳定性。

其次，需要研究悬挂式钻井平台在恶劣天气下的动力响应。

作为一个浮动的装备，悬挂式钻井平台会受到海浪的冲击和风力的推动，从而引起平台的运动。

因此，需要对平台的运动响应进行分析，包括平台的倾斜、俯仰和横滚等方面的变化。

这种分析可以帮助我们理解悬挂式钻井平台在不同恶劣天气下的稳定性和可操作性。

针对悬挂式钻井平台在恶劣天气下的作业能力，我们还需要考虑下面几个因素。

首先是海浪的影响。

海浪是恶劣天气中最主要的挑战之一。

悬挂式钻井平台必须能够承受来自不同方向和不同大小的海浪。

根据平台的结构和浮力设计，可以评估平台在不同海浪条件下的稳定性。

对于强烈的海浪条件，可能需要采取额外的措施来增加平台的稳定性，例如增加锚链的数量或采用更强的耐候材料。

其次是风速的影响。

风力也会对悬挂式钻井平台的作业能力产生影响。

强风会使平台受到侧风力的推动，并增加平台的运动幅度。

因此，需要评估平台在不同风速下的稳定性和可操控性。

根据风速和风向的预测，可以采取相应的措施，例如调整钻井平台的位置或调整钻井活动的计划，以降低风力对作业的影响。

此外，台风也是海洋环境中的重要气象灾害。

台风带来的强风和大浪对钻井平台的安全性和稳定性构成了严峻的挑战。

悬挂式钻井平台的设计和建造必须考虑到台风等极端天气条件，并采取一系列防护措施，例如加固结构、增加锚链数量等。

技术讨论海洋钻井升沉补偿系统技术分析任克忍 沈大春 王定亚 肖 锐 李 鹏 南树歧(宝鸡石油机械有限责任公司)摘要 升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一,不仅能提高钻井效率及安全性,而且能够延长钻井设备的使用寿命。

升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿,分析了各种钻杆柱补偿形式和隔水管系统补偿的技术特点,同时探讨了我国升沉补偿系统的发展趋势。

最后指出加大力度研发拥有自主知识产权的海洋浮式钻井平台升沉补偿系统,对我国进入海洋更深层次的勘探开发意义重大。

关键词 海洋钻井平台 升沉补偿系统 钻杆柱补偿 隔水管系统补偿 发展趋势0 引 言随着人们对海洋油气资源认识的不断提高及对海洋油气勘探开发工作的逐渐深入,世界范围内海洋石油钻采装备技术研究已进入一个崭新的历史阶段。

海洋钻井升沉补偿装置作为浮式平台钻井系统中的一个重要单元设备,其技术在欧美等发达国家的平台配套当中已相当成熟,而我国由于自身工业基础条件比较薄弱,加之起步晚,所以在该技术的研究开发方面处于空白状态。

为了使我国的海洋油气资源得到有效保护及尽早打破国外的技术垄断,深入研究和开发具有我国自主知识产权的海洋钻井升沉补偿装置已成为当前工程技术人员的当务之急,也是我国海洋石油装备技术不断振兴和走向成熟的必然要求。

1 升沉补偿系统结构及原理海洋浮式钻井平台在波浪作用下,除前后左右发生摇摆外,还将产生上下升沉运动。

这种随波浪周期性上下升沉的运动将引起钻杆柱和隔水管系统周期性的上下运动。

钻杆柱周期性上下运动将使大钩拉力增大或减小,直接影响井底钻压的变化。

井底钻压的变化不利于钻进,而且当钻压降到一定限度时,将使钻头脱离井底,无法持续钻进。

隔水管系统周期性上下运动将使其失效或井口装置脱离井底。

因此,为了保证浮动钻井平台正常钻进,提高钻井效率,就必须采用升沉补偿系统,以减少钻杆柱和隔水管系统与海底的相对运动,并保持恒定的张力载荷[1]。

通常海洋浮式钻井平台升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿2个方面。

第五章 海洋石油浮动装置的运动学与动力学第一节 海洋石油浮动设备的摇摆与稳定一、海洋石油浮动装置的运动分析当海洋石油装备浮于海面上时，在海洋环境载荷的作用下，都有可能产生六种运动。

（一）浮动钻进装备的两类六种运动今以海上钻井装置浮于海面上时为例进行分析，一般常有两类运动在外力作用下产生。

1．移动根据刚体运动学，若将浮于海面上的钻井装备看做刚体，则它沿x 、y 、z 三个轴线，在外力作用下，可以有三个移动。

如图5-1所示。

（1）进退（Surge ） 海上浮动钻井装置沿x 轴，即前进与后退方向的移动，称为进退；（2）横漂（平移）（Sway ） 海上浮动钻井装置沿y 轴，即与前进成垂直方向的移动，称为横漂或平移；（3）升沉（Heave ） 海上浮动钻井装置沿z 轴，即沿垂直方向所做的移动，称为升沉。

2．转动若将海上浮动钻井装置看成刚体，且取x 、y 、z 坐标的原点与钻井装置的重心相重合，x 轴通过首尾，y 轴横贯左右两舷侧，z 轴铅直，且海上浮动钻井装置分别以x 、y 、z 三个轴作为转轴，则在外力矩作用下，又可产生三种转动。

即（1）横摇（Roll ） 海上浮动钻井装置以x 轴作为转动轴的转动，称为横摇。

（2）纵摇（Pitch ） 海上浮动钻井装置以y 轴作为转动轴转动，称为纵摇。

（3）平摇（Yaw ） 海上浮动钻井装置以z 轴作为转动轴的转动，称为平摇或称首摇。

（二）海上浮动钻井装置的运动微分方程式理论力学的动力学中指出：不平衡力系作用到刚体上时，刚体将产生运动。

若刚体质量为m ，且有加速度，则作用于刚体的力与刚体质量和加速度三者之间的关系，以数学方程式表达出来，即称之为运动微分方程式，结合海上浮动钻井装置的运动情况，可以写出如下的运动微分方程式：1．移动设海上浮动钻井装置沿x 、y 、z 坐标不同方向的位移，分别为ξ、η、ε，而外力系分别为x F 、y F 、z F ，质量为m ，则可写出其移动的微分方程式为：（1）进退 x m F ξ= （5-1）（2）平移 y m F η= （5-2）（3）升沉 z m F ε= （5-3） 式（5-1）、（5-2）、（5-3）中，ξ及η和ε分别为加速度，而m ξ、m η及m ε为惯性力。

海洋石油浮动工程结构物的静态与动态分析方法研究概述：海洋石油浮动工程结构物是指用于海洋石油勘探和生产的浮式平台、浮筒、浮船等工程结构。

由于受到海洋环境的复杂性和不确定性的影响，这些结构物的设计与分析变得非常重要。

在设计、建造和运营过程中，静态与动态分析方法被广泛应用于评估结构物的可靠性和性能。

一、静态分析方法：静态分析是研究结构在静止状态下的行为和稳定性的方法。

在海洋石油工程中，静态分析用于估计结构物受力情况、挠度和变形等参数。

以下是常用的静态分析方法：1. 有限元法（Finite Element Method，FEM）：这是一种广泛应用于工程领域的数值分析方法，它将结构物划分为多个小的有限元单元，通过求解线性方程组来得到结构的受力和变形情况。

这种方法能够较为准确地模拟结构物的静态响应。

2. 杆件法（Beam Method）：这是一种基本的结构分析方法，将结构物抽象为杆件模型，通过求解各杆件上的内力和外力之间的平衡关系，得到结构的受力和变形情况。

3. 半解析法：这是一种中间方法，介于有限元法和传统解析法之间。

它利用形函数理论将结构划分为一系列区域并进行数值近似，结合解析的理论求解来获得结构的受力和变形情况。

二、动态分析方法：动态分析是研究结构在动态载荷下的响应和稳定性的方法。

海洋石油工程结构物面临着复杂的海浪、风力和地震等动态载荷，因此动态分析对于评估结构的安全性和稳定性至关重要。

以下是常用的动态分析方法：1. 频域分析法：这种方法将动态响应问题转化为频域中的稳态问题，通过对系统进行频谱分解和频率响应函数求解，得到结构物在不同频率下的响应。

2. 时域分析法：这种方法直接在时间域内求解结构的动态响应。

通过将结构和载荷转化为差分方程，利用数值方法进行求解，模拟结构物在时间上的响应。

3. 模态分析法：这种方法将结构的动态响应问题转化为求解特征值和特征向量的问题。

通过求解结构的振型和振动频率，可以得到结构的模态响应。

海洋浮式钻井天车升沉补偿实验教学平台研制张彦廷;刘振东;陈帅;王康;黄鲁蒙;刘明宇【摘要】针对海洋浮式钻井升沉补偿实验教学的需要,研制了一套天车升沉补偿实验教学平台.该教学平台由升沉模拟系统、负载模拟系统、升沉补偿系统三部分组成,分别实现升沉运动模拟、钻机负载模拟和升沉补偿的功能.该平台电控系统采用西门子PLC为下位机,上位机采用WinCC组态人机交互界面,两者采用TCP/IP协议进行通信,达到实时监测和控制的要求.采用该平台进行综合实验,学生可以重点掌握天车升沉补偿装置的工作原理与控制方式,提高学生机电结合的动手和工程实践能力.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2019(036)004【总页数】5页(P20-24)【关键词】海洋浮式钻井;天车升沉补偿;实验教学平台;电控系统【作者】张彦廷;刘振东;陈帅;王康;黄鲁蒙;刘明宇【作者单位】中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)石油工业训练中心,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580【正文语种】中文【中图分类】G642.423;TE952深海油气开采依靠浮式钻井装置,海浪的不规则运动使钻井平台产生六自由度运动,升沉补偿装置可以消除波浪升沉运动对钻柱的影响,控制井底钻压稳定在允许范围内,其性能直接影响到海洋石油的开采效率[1]。

天车升沉补偿因具有占用甲板面积小、所需液压管线短和钢丝绳寿命不受影响的优点,在浮式钻井船或半潜式钻井平台上得到广泛应用[2-3]。

升沉补偿装置是石油高校机械工程专业的高年级本科生应重点了解的一种海洋石油装备,目前多数学生对升沉补偿装置的认识仅停留在理论层面,缺乏感性认识和实际的动手操作训练[4-8]。

海洋环境下悬挂式钻井平台的冲击力分析悬挂式钻井平台是一种常见的海洋油田开发设备，用于在海洋环境中进行石油钻探作业。

然而，海洋环境的特殊性以及海浪、风力等外力的影响给悬挂式钻井平台带来了一定的冲击力。

本文将对海洋环境下悬挂式钻井平台的冲击力进行分析，探讨其对平台结构和作业安全性的影响。

悬挂式钻井平台通常由浮筒和钻井塔组成，通过钢索、缆绳等悬挂在海面上。

在海洋环境中，平台会遭受到来自海浪、风力等外力的作用。

海浪的力量会导致平台发生摇晃和剧烈的运动，同时风力也会对平台产生推力和阻力，进一步增加平台受到的冲击力。

首先，我们需要对海浪对悬挂式钻井平台的冲击力进行分析。

海浪的力量主要表现为波浪冲击和涡流引起的侧向力。

波浪对平台的冲击力取决于波浪的高度、周期和方向，以及平台的特性和位置。

一般来说，较大的波浪会产生更大的冲击力，而平台的位置会影响冲击力的大小。

例如，插入式平台受到波浪冲击力更小，而半悬挂式平台则更容易受到波浪力的影响。

其次，风力也是海洋环境下悬挂式钻井平台的冲击力来源之一。

风力会对平台产生推力和阻力，使平台发生偏移和摆荡。

风力的大小取决于风速、平台的曲面积性、风向等因素。

当风向与平台的朝向相符时，风力会使平台受到较小的冲击力；而当风向垂直于平台船身时，平台将承受较大的冲击力。

除了海浪和风力，其他因素也会对悬挂式钻井平台的冲击力产生影响。

例如，浪涌现象会增加平台受到的冲击力，而悬挂索和缆绳的松紧度也会影响平台的稳定性。

此外，平台所处的海域特点也会对冲击力产生影响，如海水的温度、盐度、流速等。

悬挂式钻井平台在受到冲击力的作用下，可能会出现结构破坏、设备损坏、作业安全降低等问题。

为了提高平台的稳定性和安全性，有必要进行冲击力的分析和研究，并采取相应的措施进行防护和修复。

例如，可以通过增加平台的自重和浮力，优化平台的结构设计，加强平台与水下部分的连接等方式来减小冲击力的影响。

此外，可以通过安装抗冲击设备、调整平台的位置和方向等方法来降低冲击力的影响。

海洋钻井绞车补偿系统技术分析王维旭;弓英明;赖笑辉;于兴军;黄治湖【摘要】介绍了海洋钻井绞车补偿系统特点、补偿原理、动力配备、电机选型等.该绞车除具备常规的提升下放功能外,还具有主动补偿功能,可解决浮式海洋平台升沉对钻井作业的影响;该方案可替代其他类型的专用升沉补偿装置,具有传动简单、钻井效率高等优点,可减轻整个平台的质量,减少占用空间,减小投资成本.海洋钻井补偿绞车集绞车和补偿装置功能于一身,可广泛应用于浮式钻井平台.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2010(039)012【总页数】3页(P18-20)【关键词】钻井绞车;升沉补偿;技术分析【作者】王维旭;弓英明;赖笑辉;于兴军;黄治湖【作者单位】宝鸡石油机械有限责任公司,陕西,宝鸡,721002;宝鸡石油机械有限责任公司,陕西,宝鸡,721002;宝鸡石油机械有限责任公司,陕西,宝鸡,721002;宝鸡石油机械有限责任公司,陕西,宝鸡,721002;宝鸡石油机械有限责任公司,陕西,宝鸡,721002【正文语种】中文【中图分类】TE923我国南海和东海的广阔海域有着丰富的油气资源,初步估计南海的地质石油储量可达(200～300)×108t[1]。

但是南海的平均水深达1 200 m,已经远远超出了我国200 m水深以内自主开发的极限,深水浮式钻井平台的设计开发势在必行。

钻柱升沉补偿系统作为浮式平台钻井系统的一个关键系统,其主要作用是阻隔船体在波浪作用下运动对钻柱的影响,减小钻柱和防喷器之间的磨损。

在钻井的过程中,它可以把井底的钻头定位在司钻设定的一个高度范围内,在其他操作中,能根据海洋平台运动补偿钻柱的运动使之保持在一定的位置[2]。

常规钻柱升沉补偿装置一般采用液压装置[3-4],根据补偿装置的结构和安装位置分类,补偿系统主要有游车升沉补偿系统、天车升沉补偿系统、死绳(快绳)升沉补偿系统等几种形式,但是无论哪种形式的补偿系统,均具有庞大的体积和质量,对“寸土寸金”的浮式平台来说是非常不利的。