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正文內(nèi)容

石油鉆機(jī)送鉆控制系統(tǒng)可靠性的分析畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-07-25 16:34 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以進(jìn)行電壓/電流轉(zhuǎn)換和功率驅(qū)動(dòng)。從絞車(chē)軸端通過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)取得轉(zhuǎn)速信號(hào),構(gòu)成了局部反饋回路。PSZ1型自動(dòng)送鉆裝置實(shí)現(xiàn)了盤(pán)式剎車(chē)的恒鉆壓自動(dòng)送鉆作業(yè),并在提高機(jī)械鉆速、減小鉆壓波動(dòng)等方面取得了較好的效果。與此同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也暴露出一些問(wèn)題,例如通用型數(shù)字PID測(cè)控儀的面板操作較為復(fù)雜,并難實(shí)現(xiàn)直接鉆壓控制與顯示;國(guó)產(chǎn)電液比例元件壽命較低;系統(tǒng)匹配方面還存在一些問(wèn)題。這些都在一定程度上影響了自動(dòng)送鉆的效果。因此,盤(pán)式剎車(chē)自動(dòng)送鉆技術(shù)成功地應(yīng)用于鉆井工程還需進(jìn)一步的研究與開(kāi)發(fā)。 4. 獨(dú)立電機(jī)自動(dòng)送鉆裝置天津瑞靈公司在2003年研制出獨(dú)立電機(jī)自動(dòng)送鉆裝置,并將該控制系統(tǒng)應(yīng)用在寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)ZJ70DB鉆機(jī)上。該數(shù)控變頻自動(dòng)送鉆裝置,包括動(dòng)力傳動(dòng)和控制裝置兩部分。通過(guò)數(shù)字給定裝置對(duì)送鉆變頻器進(jìn)行設(shè)定和調(diào)節(jié),送鉆變頻器通過(guò)其內(nèi)部的處理器控制和調(diào)節(jié)送鉆電動(dòng)機(jī)的電磁制動(dòng)力矩并使之在鉆頭鉆進(jìn)的過(guò)程中始終維持在預(yù)先設(shè)定的范圍,從而實(shí)現(xiàn)鉆頭的恒鉆壓自動(dòng)送進(jìn),該裝置具有送鉆平穩(wěn)均勻、調(diào)控方便、反應(yīng)靈敏、控制精度高優(yōu)點(diǎn),而且能降低主剎車(chē)的磨損。 論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)本課題以寶雞石油機(jī)械廠BSSZ1型石油鉆機(jī)盤(pán)剎自動(dòng)送鉆系統(tǒng)為研究對(duì)象,針對(duì)其自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的功能作出分析,提出了對(duì)控制系統(tǒng)的研究方法和優(yōu)化方案,研究其可靠性,在此基礎(chǔ)上對(duì)石油鉆機(jī)盤(pán)剎自動(dòng)送鉆系統(tǒng)進(jìn)行研究和改進(jìn)。針對(duì)鉆機(jī)的工作場(chǎng)所和工作環(huán)境的特殊性,本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了事故樹(shù)分析法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析,通過(guò)分析,建立系統(tǒng)事故樹(shù)模型。進(jìn)行可靠性定性定量研究,得出個(gè)基本事件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的影響程度以及頂事件的發(fā)生概率,確定控制系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。提出改進(jìn)和優(yōu)化措施。基于對(duì)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)可靠性分析的結(jié)果,把送鉆控制系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分進(jìn)行優(yōu)化。采取了安全教育、設(shè)計(jì)冗余和信號(hào)抗干擾三種優(yōu)化措施,由此提高了送鉆控制系統(tǒng)的可靠性與安全性。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:第1章 緒論。介紹本課題的意義,分析了國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),最后提出了本課題的主要內(nèi)容。第2章 鉆機(jī)及其可靠性。簡(jiǎn)要對(duì)鉆機(jī)的種類、組成、驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行介紹,同時(shí)對(duì)可靠性的特征量、概率分布和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了表述。第3章 鉆機(jī)送鉆系統(tǒng)分析。根據(jù)鉆機(jī)送鉆系統(tǒng)的特點(diǎn),對(duì)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的功能、安全保護(hù)控制的類別進(jìn)行說(shuō)明,還對(duì)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的工作原理、控制原理以及送鉆系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行說(shuō)明。第4章 系統(tǒng)可靠性分析。本章以可靠性為出發(fā)點(diǎn),在充分理解和掌握常用的可靠性度量指標(biāo)和可靠性方法的情況下,通過(guò)建模找出鉆井過(guò)程中那么頂事發(fā)生的基本事件,運(yùn)用事故樹(shù)對(duì)鉆機(jī)送鉆控制系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量分析,同時(shí)得出分析結(jié)論。第5章 送鉆控制系統(tǒng)的改進(jìn)及優(yōu)化。通過(guò)第四章的分析結(jié)果,從安全教育、控制系統(tǒng)的硬件和軟件三個(gè)方向入手,對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究的改進(jìn),從而達(dá)到鉆機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的高可靠性和高穩(wěn)定性。第6章 結(jié)論。最后對(duì)鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié),并提出了鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)可靠性分析的不足和今后對(duì)可靠性技術(shù)研究的展望。第2章 鉆機(jī)及其可靠性石油鉆機(jī)是油、氣田開(kāi)發(fā)的鉆井設(shè)備,隨著鉆井方法、鉆井工藝的發(fā)展,鉆機(jī)裝備和技術(shù)也得到不斷發(fā)展。當(dāng)今,國(guó)內(nèi)外廣泛采用的鉆井方法是旋轉(zhuǎn)鉆井法,相應(yīng)的鉆井設(shè)備為轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。陸用轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī)是鉆井設(shè)備的基本型式,通常所說(shuō)的鉆機(jī)指的就是這種鉆機(jī),也可稱為常規(guī)鉆機(jī)。隨著海洋石油勘探、開(kāi)發(fā)事業(yè)的興起,陸用鉆井設(shè)備和造船技術(shù)相結(jié)合,產(chǎn)生了一大批各種類型的海洋鉆井設(shè)備。近年來(lái),全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)能源需求的不斷增加,促進(jìn)了油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)快速發(fā)展,使石油裝備制造業(yè)進(jìn)入了黃金發(fā)展期。我國(guó)石油鉆機(jī)的技術(shù)水平已由過(guò)去的仿制、引進(jìn)、消化、吸收發(fā)展到了以自主開(kāi)發(fā)為主的階段。近年來(lái),以寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱寶石機(jī)械)為代表的我國(guó)石油裝備制造企業(yè)先后開(kāi)發(fā)了適用于陸地、沙漠和海洋環(huán)境使用的石油鉆機(jī),鉆機(jī)的鉆深能力也由10007000m 發(fā)展到9000m、12000m,傳動(dòng)技術(shù)已發(fā)展到機(jī)械傳動(dòng)、直流電傳動(dòng)、交流變頻電傳動(dòng)及機(jī)、電復(fù)合驅(qū)動(dòng)等多種形式。,我國(guó)石油鉆機(jī)基本滿足了國(guó)內(nèi)油氣勘探開(kāi)發(fā)的需要。同時(shí),國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)的出口量也在逐年增加,并進(jìn)入國(guó)際高端市場(chǎng)或主油區(qū)作業(yè)。目前,我國(guó)主流鉆機(jī)制造商已形成年產(chǎn)常規(guī)鉆機(jī)400 余臺(tái)的能力。我國(guó)已成為全球最大的鉆機(jī)制造國(guó)。為適應(yīng)各種地理環(huán)境和地質(zhì)條件,為加快鉆井速度、降低鉆井成本、提高鉆井經(jīng)濟(jì)效益,近些年來(lái)研制了多種具有特殊用途的新型鉆機(jī),如沙漠鉆機(jī)、叢式井鉆機(jī)、斜井鉆機(jī)、真升飛機(jī)吊運(yùn)的鉆機(jī)等,可稱為特種鉆機(jī)。 鉆機(jī)組成及分類 鉆機(jī)組成在石油鉆井中,帶動(dòng)鉆具破碎巖石,向地下鉆進(jìn),獲得石油或天然氣的機(jī)械設(shè)備。一部常用石油主要由動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、工作機(jī)及輔助設(shè)備組成石油鉆機(jī)是由多種機(jī)器設(shè)備組成,具有多種功能的成套性聯(lián)合工作機(jī)組,如圖2—1所示。圖 21 石油鉆機(jī)組成示意圖其中:1. 人字架; 2. 天車(chē); 3. 井架; 4. 游車(chē); 5. 水龍頭提環(huán)6. 水龍頭; ; 8. 航頂管; 9. 立管; 10. 水龍帶; 11. 井架腿; ; 13鉆臺(tái); 14架腳; 15轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng);16. 填充鉆井液管; ; 18坡板; ;20. 大鼠洞; ; ; 23絞車(chē)底座;24. 井車(chē)箱; ; ;28. 鉆井液管線; ; ;31. 吸入管; ;; ;35. 空氣包; ; ; ;39. 動(dòng)力帆組;; ;42. 鉆井絞車(chē);; ; ;46. 斜撐; ; ; ;50. 鉆井液噴出口; ; ;;鉆機(jī)一般有八大系統(tǒng):鉆具起升系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、鉆機(jī)底座和其他輔助設(shè)備等。如圖22所示。十大部分 起升系統(tǒng)-旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)-循環(huán)系統(tǒng)-動(dòng)力系統(tǒng)-傳動(dòng)系統(tǒng)-控制系統(tǒng)-底 座-井控系統(tǒng)-輔助設(shè)備-鉆臺(tái)操作設(shè)備圖2—2 鉆機(jī)八大系統(tǒng)示意圖鉆井工藝對(duì)石油鉆機(jī)的基本要求是:(1)起下鉆具能力:,由于可能的井下緊急作業(yè),為了起鉆具或下鉆具,石油鉆機(jī)要有一定的起重能力和起升速度。這由鉆機(jī)的起升系統(tǒng)承擔(dān)。(2)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力:為了帶動(dòng)鉆頭、鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)等,石油鉆機(jī)要有一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。這由鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)承擔(dān)。(3)循環(huán)洗井能力:為了保證正常鉆進(jìn)、沖洗井底及攜帶巖屑等,循環(huán)鉆井液要有一定的壓力和排量。這由鉆機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)承擔(dān)。為了滿足鉆井工藝要求,整套鉆機(jī)必須具備下列各系統(tǒng)和設(shè)備:1. 起升系統(tǒng)起升系統(tǒng)的作用是起升和下放鉆具,下套管以及控制鉆壓,送進(jìn)鉆具。鉆機(jī)通常都配備有起升系統(tǒng)。起升系統(tǒng)主要包括絞車(chē),天車(chē),游車(chē),輔助剎車(chē)等各種車(chē)輛及大鉤,鋼繩,吊環(huán),吊卡,吊鉗,卡瓦等工具。如圖23所示。圖23 鉆機(jī)的起升系統(tǒng)起升時(shí),絞車(chē)滾筒纏繞鋼絲繩,天車(chē)和游車(chē)構(gòu)成副滑輪組,大鉤上升通過(guò)吊環(huán)、吊卡等工具實(shí)現(xiàn)鉆具的提升。下放時(shí),鉆具或套管柱靠自重下降,借助絞車(chē)的剎車(chē)機(jī)構(gòu)和輔助剎車(chē)控制大鉤的下放速度。在正常鉆進(jìn)時(shí),通過(guò)吊環(huán)、吊卡等工具實(shí)現(xiàn)鉆具的提升,下放時(shí),鉆具或套管柱靠自重下降,借助絞車(chē)的剎車(chē)機(jī)構(gòu)和輔助剎車(chē)控制大鉤的下放速度。在正常鉆進(jìn)時(shí),通過(guò)剎車(chē)機(jī)構(gòu)控制鉆具的送進(jìn)速度,將鉆具重量的一部分作為鉆壓施加到鉆頭上實(shí)現(xiàn)破碎巖層。游動(dòng)系統(tǒng)(如鋼絲繩、天車(chē)、游動(dòng)滑車(chē)及大鉤)可以大大降低快繩拉力,從而大為減輕鉆機(jī)絞車(chē)在鉆井各個(gè)作業(yè)(起下鉆、下套管、鉆進(jìn)、懸掛鉆具)中的負(fù)荷和降低起升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)配備的功率。鉆井絞車(chē)用于起下鉆具、下套管;鉆井過(guò)程中控制鉆壓,送進(jìn)鉆具;借助貓頭卸鉆具線扣;起吊重物及進(jìn)行其他輔助工作和整體起放井架。2. 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī)的必備系統(tǒng),其作用是驅(qū)動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)以破碎巖層,旋轉(zhuǎn)是用包括轉(zhuǎn)盤(pán),水龍頭(動(dòng)力水龍頭),井內(nèi)鉆具(井下動(dòng)力鉆具)等組成。根據(jù)鉆井的不同,鉆具的組成也有所差異,一般包括方鉆桿、鉆桿、鉆鋌和鉆頭,此外還有扶正器、減震器以及配合接頭等。如圖24所示。圖24 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 其主要作用是帶動(dòng)井內(nèi)鉆具、鉆頭等旋轉(zhuǎn),連接起升系統(tǒng)和鉆井液循環(huán)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)鉆頭自動(dòng)給進(jìn),現(xiàn)代鉆機(jī)配備有鉆具自動(dòng)送進(jìn)裝置。鉆井過(guò)程中,轉(zhuǎn)盤(pán)主要完成的工作是:轉(zhuǎn)動(dòng)井中鉆具,傳遞足夠大的扭矩和必要的轉(zhuǎn)速;下套管或起下鉆時(shí),承托井中全部套管柱或鉆桿柱重量;完成卸鉆頭、卸扣與處理事故時(shí)倒扣、進(jìn)扣等輔助工作。鉆頭是直接破碎巖石的工具,有刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、金剛石鉆頭等類型。鉆鋌的重量和壁厚都很大,用來(lái)向鉆頭施加鉆壓,鉆桿將地面設(shè)備和井底設(shè)備聯(lián)系起來(lái),并傳遞扭矩。方鉆桿的截面一般為正方形,轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)方鉆桿帶動(dòng)整個(gè)鉆柱和鉆頭旋轉(zhuǎn),水龍頭是提升、旋轉(zhuǎn)、循環(huán)3大工作組相交匯的“關(guān)節(jié)”部件,它的主要作用是:懸持旋轉(zhuǎn)著的鉆桿柱,承受大部分以至全部鉆具重量;向轉(zhuǎn)動(dòng)著的鉆桿柱內(nèi)輸入高壓鉆井液。3. 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)為了將井底鉆頭破碎的巖屑及時(shí)攜帶到地面上來(lái)以便繼續(xù)鉆進(jìn),同時(shí)為了冷卻鉆頭保護(hù)井壁,防止井塌井漏等鉆井事故的發(fā)生,旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)配備有循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)包括鉆井泵,地面管匯、泥漿罐、泥漿凈化設(shè)備等,其中地面管匯包括高壓管匯、立管、水龍帶,泥漿凈化設(shè)備包括震動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)等。鉆井泵將泥漿從泥漿罐中吸入,經(jīng)鉆井泵加壓后的泥漿,經(jīng)過(guò)高壓管匯、立管、水龍帶,進(jìn)入水龍頭,通過(guò)空心的鉆具下到井底,從鉆頭的水眼噴出,經(jīng)井眼和鉆具之間的環(huán)行空間攜帶巖屑返回地面,從井底返回的泥漿經(jīng)各級(jí)泥漿凈化設(shè)備,除去固相含量,然后重復(fù)使用。上述3大系統(tǒng)設(shè)備是直接服務(wù)于鉆井生產(chǎn)的,是鉆機(jī)的3大工作組。4. 傳動(dòng)系統(tǒng) 傳動(dòng)系統(tǒng)是由動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)之間的各種傳動(dòng)設(shè)備(聯(lián)動(dòng)機(jī)組)和部件組成。其主要作用是將動(dòng)力傳遞并合理分配給工作機(jī)組,實(shí)現(xiàn)從驅(qū)動(dòng)設(shè)備到工作組的能量傳遞、分配及運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)換。傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)包括減速機(jī)構(gòu)、并車(chē)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、倒轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及變速機(jī)構(gòu)等。由柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的鉆井多采用統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)的形式,傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,由交直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆機(jī)多采用各機(jī)組單獨(dú)或分組驅(qū)動(dòng)的形式,傳動(dòng)系統(tǒng)得到了很大的簡(jiǎn)化?,F(xiàn)代鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)除機(jī)械傳動(dòng)外,尚有液力傳動(dòng)(液力耦合器、液力變矩器)、液壓傳動(dòng)、電傳動(dòng)等形式。5. 控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)顯示儀表 控制
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