一种用于海洋平台钻井的被动式深海升沉补偿装置的摩擦力学分析方法与流程

本发明涉及升沉补偿装置中摩擦力计算的技术领域，特别是一种用于海洋平台钻井的被动式深海升沉补偿装置的摩擦力学分析方法。

背景技术：

目前，随着陆地资源的日趋枯竭，世界经济发展的战略眼光就聚集到海洋上，发展海洋科技与高技术装备尤为重要。在石油领域，随着中国经济的发展，特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展，石油和天然气供应不足的矛盾日益突出。鉴于陆上石油资源的日渐枯竭，向深海进军已成必然趋势。安装在浮式钻井平台或钻井船上的天车升沉补偿装置，主要用于保护钻井作业过程不被外界海浪诱导运动所影响。

天车升沉补偿装置在对钻井平台升沉运动进行补偿过程中，由于装置中存在液压缸等液压管线、钢丝绳摇臂机构等机械传动机构和气液蓄能器等气动部件，使其相关运动部件在补偿运动过程中有大量摩擦阻尼的存在。补偿运动部件间的摩擦现象会导致补偿能量的损耗，同时使天车升沉补偿装置的补偿精度受到较大影响，引起井底钻压产生波动。因此，在对天车升沉补偿装置的设计分析过程中，需要考虑补偿系统中摩擦现象对补偿效率和井底钻压波动的影响，急需建立起相关力学模型，并对影响天车升沉补偿装置补偿效率的摩擦因素进行分析评价。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种方法步骤简单、能够从天车升沉补偿过程中的被动补偿部分和主动补偿部分两方面来研究补偿过程中的摩擦力、用于海洋平台钻井的被动式深海升沉补偿装置的摩擦力学分析方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于海洋平台钻井的被动式深海升沉补偿装置的摩擦力学分析方法，它包括补偿过程摩擦力学分析和摩擦阻尼影响仿真分析；

所述补偿过程摩擦力学分析包括以下步骤：

s11、计算升沉补偿装置中液压管路中的压力损失量：

其中，l为液压管线长度；dl为液压管线的直径；λ为摩擦系数；ρ为液压管线中液压油的密度；vl为液压油在液压管线中的流动速度；

s12、当考虑发生在主液压缸内的摩擦力ff时，得到一个相对恒定速度的摩擦力稳态模型如下：

使用仿真软件20-sim进行分析过程中，摩擦力模型可表示为：

其中，ff为主液压缸中的摩擦力；fc为库伦摩擦力；fs为斯特里贝克摩擦力；σv为粘滞摩擦系数；kp为与摩擦相关的压力项系数；p为主液压缸中的压力；ξ为库伦摩擦力曲线的陡度；vs为斯特里贝克速度；v为接触表面间的速度；

所述摩擦阻尼影响仿真分析包括以下步骤：

s21、使用20-sim软件建立起天车升沉补偿系统仿真模型，仿真模型包括浮式钻井平台、设置于浮式钻井平台顶部的机架以及设置于机架顶部的钻井井架，浮式钻井平台顶部设置耳环螺钉和钻井绞车，耳环螺钉和钻井绞车分别位于机架的左右侧，所述钻井井架内设置有竖向设置的导向槽，所述导向槽内滑动安装有浮动天车，浮动天车内旋转安装有其柱面上开设有多道线槽的中心槽轮，钢丝绳、分别设置于机架左右侧的位移补偿机构i和右位移补偿机构ii，所述位移补偿机构i和右位移补偿机构ii左右对称设置；位移补偿机构i包括第一连杆、第二连杆、导向轮和液压补偿油缸，第一连杆的下端部铰接于机架顶部，第一连杆的另一端铰接于导向轮的中部，第二连杆的一端铰接于导向轮的中部，第二连杆的另一端铰接于中心槽轮的中部，液压补偿油缸向右倾斜向上设置，液压补偿油缸的缸筒铰接于机架上，液压补偿油缸的活塞杆铰接于浮动天车的底部，所述钢丝绳的尾端固定在耳环螺钉上，钢丝绳的首端绕过位移补偿机构i的导向轮后多圈盘绕于中心槽轮上，随后钢丝绳的首端绕过位移补偿机构ii的导向轮后固定于钻井绞车上；

s22、将平台的升沉运动视为单一的正弦函数波动形式，使用海浪运动周期t和振幅δz可表示为：

s23、将摩擦力模型、被动补偿部分和力平衡液压缸与主动补偿液压缸并行放置，为分析天车升沉补偿装置的补偿液压缸在运动补偿过程中产生的摩擦力影响，在算例仿真计算分析过程中，结合以上三个公式，从天车升沉补偿过程中的被动补偿部分和主动补偿部分两方面来研究。

所述的天车升沉补偿系统仿真模型，在20-sim软件中主要有四个结果输出，分别为井底钻压、海浪速度、海浪位置和液压缸位置。

本发明具有以下优点：本发明方法简单、能够从天车升沉补偿过程中的被动补偿部分和主动补偿部分两方面来研究补偿过程中的摩擦力、为设计可靠性高使用寿命长的升沉补偿装置作出巨大贡献。

附图说明

图1为天车升沉补偿装置被动补偿时钻头载荷曲线；

图2为天车升沉补偿装置主动补偿时钻头载荷曲线；

图3为天车升沉补偿系统仿真模型的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

一种用于海洋平台钻井的被动式深海升沉补偿装置的摩擦力学分析方法，它包括补偿过程摩擦力学分析和摩擦阻尼影响仿真分析；

所述补偿过程摩擦力学分析包括以下步骤：

s11、计算升沉补偿装置中液压管路中的压力损失量：

其中，l为液压管线长度；dl为液压管线的直径；λ为摩擦系数；ρ为液压管线中液压油的密度；vl为液压油在液压管线中的流动速度；

s12、当考虑发生在主液压缸内的摩擦力ff时，得到一个相对恒定速度的摩擦力稳态模型如下：

使用仿真软件20-sim进行分析过程中，摩擦力模型可表示为：

其中，ff为主液压缸中的摩擦力；fc为库伦摩擦力；fs为斯特里贝克摩擦力；σv为粘滞摩擦系数；kp为与摩擦相关的压力项系数；p为主液压缸中的压力；ξ为库伦摩擦力曲线的陡度；vs为斯特里贝克速度；v为接触表面间的速度；

所述摩擦阻尼影响仿真分析包括以下步骤：

s21、使用20-sim软件建立起天车升沉补偿系统仿真模型，仿真模型的结构如图1所示，仿真模型包括浮式钻井平台1、设置于浮式钻井平台1顶部的机架2以及设置于机架2顶部的钻井井架3，浮式钻井平台1顶部设置耳环螺钉4和钻井绞车，耳环螺钉4和钻井绞车分别位于机架2的左右侧，所述钻井井架3内设置有竖向设置的导向槽，所述导向槽内滑动安装有浮动天车7，浮动天车7内旋转安装有其柱面上开设有多道线槽的中心槽轮8，钢丝绳12、分别设置于机架2左右侧的位移补偿机构i和右位移补偿机构ii，所述位移补偿机构i和右位移补偿机构ii左右对称设置；位移补偿机构i包括第一连杆13、第二连杆14、导向轮15和液压补偿油缸16，第一连杆13的下端部铰接于机架2顶部，第一连杆13的另一端铰接于导向轮15的中部，第二连杆14的一端铰接于导向轮15的中部，第二连杆14的另一端铰接于中心槽轮8的中部，液压补偿油缸16向右倾斜向上设置，液压补偿油缸16的缸筒铰接于机架2上，液压补偿油缸16的活塞杆铰接于浮动天车7的底部，所述钢丝绳12的尾端固定在耳环螺钉4上，钢丝绳12的首端绕过位移补偿机构i的导向轮15后多圈盘绕于中心槽轮8上，随后钢丝绳12的首端绕过位移补偿机构ii的导向轮15后固定于钻井绞车上；

s22、将平台的升沉运动视为单一的正弦函数波动形式，使用海浪运动周期t和振幅δz可表示为：

s23、将摩擦力模型、被动补偿部分和力平衡液压缸与主动补偿液压缸并行放置，为分析天车升沉补偿装置的补偿液压缸在运动补偿过程中产生的摩擦力影响，在算例仿真计算分析过程中，结合以上三个公式，从天车升沉补偿过程中的被动补偿部分和主动补偿部分两方面来研究。

所述的天车升沉补偿系统仿真模型，在20-sim软件中主要有四个结果输出，分别为井底钻压、海浪速度、海浪位置和液压缸位置。

通过对天车升沉补偿系统仿真模型的摩擦力学分析和摩擦阻尼分析，得出以下结论：

如图1所示为天车升沉补偿装置被动补偿时钻头载荷曲线，图中在未考虑液压缸摩擦力存在对井底钻压波动影响的条件下，钻头上的载荷随时间的波动幅值在范围内，且整体曲线呈现平滑正弦波动；而在考虑液压缸存在摩擦阻尼并导致补偿液压缸有压降存在时，天车升沉补偿装置对钻井平台升沉运动的补偿效率下降较大，此时井底钻头载荷随时间呈现明显的近似三角波状的波动，曲线的波动振幅在范围内快速变化。对于天车升沉补偿装置处于被动补偿状态时，液压缸中产生的摩擦力对井底钻压波动的影响明显，且曲线随时间的变化而快速波动，同时使曲线波动振幅增加2.03倍。

如图2所示为天车升沉补偿装置主动补偿时钻头载荷曲线，图中在未考虑液压缸内摩擦力存在对井底钻压波动影响的条件下，钻头上的载荷随时间的波动幅值在2.5kn范围内，整体曲线也呈现平滑正弦波动；而在考虑液压缸内存在摩擦阻尼并导致补偿液压缸有压降存在时，天车升沉补偿装置对钻井平台升沉运动的补偿效率有所下降，此时井底钻头载荷随时间呈现近似正弦波状的波动，但在曲线波动峰值处时有小幅震荡现象且使得曲线峰值进一步增加，曲线的波动振幅在4.7kn范围内变化。对于天车升沉补偿装置处于主动补偿状态时，液压缸中产生的摩擦力对井底钻压波动有影响，使得曲线波动振幅增加88％，且曲线随时间变化时在峰值处有小幅震荡增加现象出现。

由以上两个曲线图可知，在考虑摩擦力与不考虑摩擦力两种条件下，天车升沉补偿装置在对钻井平台升沉运动补偿过程中处于被动补偿和主动补偿状态时，主要补偿液压缸中产生的摩擦力对装置整体补偿效率影响大小不一样。考虑摩擦力条件下，天车升沉补偿装置被动补偿状态的井底钻头载荷随时间的变化幅值波动是主动补偿状态的2.45倍；如不考虑摩擦力条件下，处于被动补偿状态时的钻头载荷幅值波动是主动补偿状态的1.52倍。

由该算例仿真分析后可得到，天车升沉补偿装置的补偿效率高低取决于所补偿钻柱钻头在井底钻压的波动范围，当该装置在升沉运动补偿过程中处于被动补偿状态和使用力平衡油缸时，在主要补偿液压缸中产生的摩擦力对装置整体补偿性能有很大影响；当该装置在升沉运动补偿过程中处于主动补偿状态时，补偿液压缸中产生的摩擦力对装置整体补偿性能影响较小。