石油鉆機(jī)電動(dòng)絞車特性分析及控制研究.pdf

1、通過(guò)調(diào)研，掌握了國(guó)內(nèi)外石油鉆機(jī)絞車的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，對(duì)現(xiàn)有在用電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)絞車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，了解了其優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)行新型鉆機(jī)絞車設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)機(jī)械鉆機(jī)絞車和直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)絞車相比，由于交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)絞車有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)和非常高的技術(shù)性能，當(dāng)今石油鉆機(jī)絞車正在向著交流變頻電驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。 針對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)絞車存在著傳動(dòng)復(fù)雜、效率低、送鉆不均勻、鉆壓不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型電機(jī)直驅(qū)單軸絞車結(jié)構(gòu)型式：JC30DB-WZ

2、型交流變頻電驅(qū)動(dòng)單軸絞車，可滿足恒扭矩、恒功率等多種工況要求。通過(guò)對(duì)滾筒和滾筒軸的剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行ANSYS有限元分析，確保了設(shè)計(jì)可靠性。該絞車采用兩臺(tái)大功率、低速、大扭矩變頻電機(jī)從滾筒軸兩端直接驅(qū)動(dòng)滾筒，形成電機(jī)外置與滾筒一體化單軸絞車結(jié)構(gòu)型式，去掉了大型齒輪減速箱、離合器等傳動(dòng)部件，電磁渦流剎車或水剎車等輔助剎車不復(fù)存在，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎、調(diào)速范圍寬、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)參數(shù)符合SY/T5532-2002《石油鉆機(jī)用絞車》標(biāo)準(zhǔn)要

3、求，可廣泛適用于國(guó)內(nèi)外3000米交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)。 為深入研究鉆機(jī)起升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，本文結(jié)合鉆井工藝及鉆機(jī)工作過(guò)程，對(duì)鉆機(jī)起升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了理論分析。建立了考慮鋼絲繩和井架彈性的起升系統(tǒng)力學(xué)模型，對(duì)該微分方程組進(jìn)行了理論求解；采用傳遞函數(shù)的方法，進(jìn)行Simulink仿真，得到了起升系統(tǒng)的振動(dòng)頻率、系統(tǒng)的響應(yīng)和大鉤的動(dòng)載系數(shù)，并分析了大鉤位移波動(dòng)和加速度波動(dòng)特性。然后結(jié)合實(shí)際的鉆具組合和JC30DB-WZ型交流變頻電驅(qū)

4、動(dòng)絞車的工作特性，在考慮鉆柱與井壁摩擦阻力情況下，通過(guò)編程得到微分方程初值問(wèn)題的數(shù)值解，并對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了考慮摩擦阻力情況下的動(dòng)載系數(shù)。分別對(duì)初速為零和初速不為零的兩種工況進(jìn)行了討論，為提高絞車控制精度提供了依據(jù)。為進(jìn)一步深入研究鉆柱與井壁摩擦阻力對(duì)起升系統(tǒng)的影響，在同時(shí)考慮電機(jī)特性和摩擦阻力的情況下，本文采用了ADAMS仿真軟件，對(duì)JC30DB-WZ型交流變頻電驅(qū)動(dòng)單軸絞車起升系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算與分析。結(jié)果表明：鉆機(jī)在

5、起升過(guò)程中存在著動(dòng)載，動(dòng)載系數(shù)隨著起升條件的變化而改變；由于鉆柱下放到井底，在起升過(guò)程中，鉆柱與井壁產(chǎn)生摩擦，使得起升過(guò)程的平穩(wěn)性變差；不考慮鉆柱與井壁摩擦?xí)r，起升的不穩(wěn)定系數(shù)為1％左右；當(dāng)考慮鉆柱與井壁摩擦產(chǎn)生隨機(jī)載荷后，加劇了起升過(guò)程的不平穩(wěn)性，使得大鉤動(dòng)載荷增加，滾筒與大鉤速度呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。為降低起升時(shí)的動(dòng)載系數(shù)，可采用控制電機(jī)特性的方法減少起升動(dòng)載荷。 基于JC30DB-WZ型交流變頻單軸絞車，設(shè)計(jì)完成了與絞車一

6、體化的自動(dòng)送鉆傳動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)正常鉆進(jìn)需要使用自動(dòng)送鉆時(shí)，可以通過(guò)自動(dòng)送鉆中輔助電機(jī)、減速器經(jīng)小齒輪直接驅(qū)動(dòng)大齒輪，帶動(dòng)滾筒工作，從而懸提鉆具，控制鉆壓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆；當(dāng)絞車主電機(jī)出現(xiàn)故障需要使用應(yīng)急功能時(shí)，系統(tǒng)可以上提井下鉆具，防止井下可能發(fā)生的各種事故。 針對(duì)石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆過(guò)程控制中存在著復(fù)雜、非線性、不確定性系統(tǒng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)完成了基于模糊控制的計(jì)算機(jī)恒鉆壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙環(huán)路控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)部將反映鉆速的測(cè)速編碼器信號(hào)進(jìn)行

7、反饋構(gòu)成局部負(fù)反饋回路，外部將鉆壓測(cè)量信號(hào)進(jìn)行反饋構(gòu)成另一路負(fù)反饋回路。在控制算法上采用了模糊控制思想。另外，初步探討了非線性粒子濾波技術(shù)在自動(dòng)送鉆方面的應(yīng)用，并對(duì)鉆頭鉆進(jìn)速度進(jìn)行預(yù)估計(jì)。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集鉆機(jī)實(shí)際鉆井過(guò)程中相關(guān)參數(shù)，從工程實(shí)驗(yàn)角度分析了這種鉆機(jī)的實(shí)際起升特性、井架的起升動(dòng)載、起升系統(tǒng)的固有頻率、絞車扭矩與轉(zhuǎn)速特性等，通過(guò)與前面理論分析和仿真結(jié)果相比較，結(jié)果表明試驗(yàn)研究結(jié)果與理論研究結(jié)果還是比較吻合的，從而進(jìn)一步