基于動力學(xué)模型的模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)及其優(yōu)化策略分析

李俊宏

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司湛江分公司，湛江 524057）

模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)作為現(xiàn)代海洋石油開采和鉆井工程的核心組成部分，承擔(dān)著重要的鉆井作業(yè)任務(wù)，其性能直接影響工程效率、安全性和可持續(xù)性[1]。文章旨在深入研究模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的動力學(xué)性能，以揭示其內(nèi)在機(jī)理和性能瓶頸，從而為系統(tǒng)設(shè)計、控制和優(yōu)化提供重要參考。首先，介紹模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的基本組成和工作流程，以建立對系統(tǒng)運(yùn)行的整體認(rèn)識。其次，建立動力學(xué)模型，分析系統(tǒng)的動力學(xué)性能，并評估其性能參數(shù)。再次，通過深入的動力學(xué)分析，揭示系統(tǒng)中可能存在的問題，并提出改進(jìn)策略，包括參數(shù)調(diào)整和控制策略的優(yōu)化。最后，總結(jié)研究結(jié)果，強(qiáng)調(diào)動力學(xué)性能優(yōu)化對于模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的重要性，及其在提高工程效率和降低風(fēng)險方面的潛在價值。這一研究有助于推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，提高鉆井工程操作的可靠性。

1 模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)主要構(gòu)件

海上模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件如表1 所示。模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的運(yùn)行性能主要取決于這些組件之間協(xié)同運(yùn)行的情況。

表1 模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的主要構(gòu)件

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的運(yùn)行流程如下。第一，啟動與自檢。系統(tǒng)啟動后，各組件進(jìn)行自檢，確保正常工作。第二，定位與對中。系統(tǒng)控制天車和游車，并使鉆具對準(zhǔn)井口。第三，鉆機(jī)提升操作。絞車開始工作后產(chǎn)生提升拉力，拉繩系統(tǒng)控制鉆具的升降，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的起升和下降操作。第四，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)控制。轉(zhuǎn)盤啟動，并根據(jù)鉆孔需求調(diào)整轉(zhuǎn)速。同時，控制系統(tǒng)監(jiān)測轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保鉆具穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。第五，泥漿循環(huán)與管理。泥漿泵開始工作，向井內(nèi)注入泥漿。系統(tǒng)自動控制泥漿的流量和壓力，以維持鉆孔的穩(wěn)定并攜帶鉆屑。第六，實(shí)時監(jiān)測與反饋。系統(tǒng)中的傳感器監(jiān)測鉆孔過程中的各項(xiàng)參數(shù)，如鉆速、鉆壓、泥漿循環(huán)等，并實(shí)時反饋給控制系統(tǒng)，以便進(jìn)行必要的調(diào)整。第七，異常檢測與應(yīng)對。系統(tǒng)自動檢測諸如鉆頭磨損、鉆孔堵塞等異常情況，并根據(jù)異常情況自動調(diào)整參數(shù)或觸發(fā)警報，通知操作人員進(jìn)行干預(yù)。第八，鉆孔完成與提升。當(dāng)鉆孔達(dá)到預(yù)定深度或滿足其他技術(shù)要求時，系統(tǒng)自動將鉆具從井中完全提升出來。

2 模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)動力學(xué)分析

模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的動力學(xué)分析主要涉及2 個模型，即鉆機(jī)動力學(xué)模型和絞車動力學(xué)模型。鉆機(jī)和絞車是模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的核心組成部分，它們在運(yùn)行過程中具有不同的運(yùn)動特性和受力情況。例如，鉆機(jī)在鉆孔時受到鉆壓、扭矩和轉(zhuǎn)速的影響，而絞車在提升和下放時主要受到載荷、速度和加速度的作用。這種運(yùn)動特性的差異會對模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)運(yùn)行效果產(chǎn)生重要的影響，因此在分析模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)優(yōu)化策略前，需要先分析影響系統(tǒng)的因素，主要通過2 個模型來實(shí)現(xiàn)。

2.1 鉆機(jī)動力學(xué)模型和絞車動力學(xué)模型

2.1.1 鉆機(jī)動力學(xué)分析

鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)的原理如下：電動機(jī)或液壓馬達(dá)提供的動力通過傳動機(jī)構(gòu)傳遞給鉆頭，使鉆頭以一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；鉆頭與工件相互作用產(chǎn)生切削力，從而達(dá)到鉆孔或切削的目的。根據(jù)旋轉(zhuǎn)動力學(xué)中的相關(guān)原理，描述鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即

式中：J為鉆機(jī)的慣性矩；ω為鉆機(jī)的角速度；Tq為驅(qū)動鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)的扭矩；Tm為與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相關(guān)的摩擦扭矩。

2.1.2 絞車動力學(xué)分析

在模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)中，絞車主要負(fù)責(zé)裝備或物料的升降，主要通過力的平衡和機(jī)械傳動原理實(shí)現(xiàn)，即電動機(jī)或手動操作裝置驅(qū)動絞盤旋轉(zhuǎn)，通過鋼絲繩或鏈條的卷繞與解開來實(shí)現(xiàn)重物的升降運(yùn)動。根據(jù)牛頓第二定律和力的平衡原理，列出絞車的運(yùn)動方程為

式中：m為提升裝備或物料的質(zhì)量；a為裝備的升降加速度；Ft為絞車提升裝備的力；Fz為裝備受到的重力；Fm為升降運(yùn)動中的摩擦力。

2.2 影響模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)運(yùn)行的因素

2.2.1 轉(zhuǎn)動慣量和角速度

通過模型可以看出，轉(zhuǎn)動慣量和角速度是影響鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的重要變量。其中，轉(zhuǎn)動慣量是描述物體轉(zhuǎn)動慣性大小的物理量，與物體的質(zhì)量、質(zhì)量分布以及轉(zhuǎn)動軸的位置有關(guān)。在鉆機(jī)提升系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)動慣量決定了鉆機(jī)在改變轉(zhuǎn)速時的慣性效應(yīng)。較大的轉(zhuǎn)動慣量會使鉆機(jī)在加減速時產(chǎn)生較大的扭矩波動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。角速度是鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的度量，其大小直接影響鉆孔的速度和鉆頭在鉆孔內(nèi)的切削效率。合適的角速度設(shè)置可以保持鉆孔的平滑度和鉆頭的耐用性。

2.2.2 驅(qū)動扭矩和摩擦扭矩

通過動力學(xué)模型可以看出，驅(qū)動扭矩和摩擦扭矩是影響鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的變量。其中，驅(qū)動扭矩由電機(jī)或發(fā)動機(jī)提供，用于驅(qū)動鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)，其大小決定了鉆機(jī)的鉆孔能力和效率。較大的驅(qū)動扭矩可以提供更快的鉆孔速度和更深的鉆孔深度，但是過大的扭矩可能導(dǎo)致設(shè)備過載或損壞。摩擦扭矩是由于軸承摩擦和空氣阻力等因素產(chǎn)生的阻力矩，會影響鉆機(jī)的效率，尤其是在高轉(zhuǎn)速下。通過優(yōu)化軸承配置和減少外部阻力，可以降低摩擦扭矩，提高鉆機(jī)的性能。

2.2.3 推進(jìn)力和阻力

推進(jìn)力和阻力同樣是影響鉆機(jī)運(yùn)動情況的變量。推進(jìn)力是指鉆機(jī)在推進(jìn)過程中克服地層阻力和摩擦力所受到的力。該力的大小取決于地層的性質(zhì)、鉆頭類型和推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計。合適的推進(jìn)力可以保持鉆孔的垂直度和減少鉆頭磨損。阻力是指在推進(jìn)過程中遇到的阻礙鉆機(jī)運(yùn)動的力，包括地層阻力、鉆桿與孔壁的摩擦力等。阻力的大小直接影響鉆機(jī)的推進(jìn)性能和穩(wěn)定性。通過優(yōu)化推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計和選擇適合地層的鉆頭，可以降低阻力，提高鉆機(jī)的推進(jìn)效率。

2.2.4 裝備質(zhì)量和升降加速度

在模型分析中發(fā)現(xiàn)，裝備質(zhì)量和升降加速度對模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的影響較大。裝備質(zhì)量是指被提升的裝備或物料的質(zhì)量。質(zhì)量越大，所需提升的力就越大。合理選擇和使用輕量化裝備或材料，可以降低提升負(fù)荷，提高系統(tǒng)的整體效率。升降加速度表示裝備在升降過程中的速度變化率。合適的加速度可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少對設(shè)備的沖擊，過大的加速度則可能導(dǎo)致設(shè)備過載或產(chǎn)生劇烈的振動。

2.2.5 提升力、重力和摩擦力

提升力、重力和摩擦力通過影響絞車運(yùn)動作用于模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)。提升力是由絞車施加在裝備上的力，用于克服裝備的重力和其他阻力。提升力的大小與裝備質(zhì)量、加速度和摩擦系數(shù)等因素有關(guān)。在提升過程中，過大的提升力可能導(dǎo)致設(shè)備過載或損壞，而提升力不足則可能無法克服重力或摩擦力，導(dǎo)致提升失敗。重力是由地球引力引起的力，作用于所有物體并使其向下加速運(yùn)動。在升降過程中，重力與提升力反向，是阻礙提升的主要因素之一。摩擦力是由于接觸表面的摩擦產(chǎn)生的阻力。在升降過程中，摩擦力會導(dǎo)致能量損失和設(shè)備磨損，因此需要合理設(shè)計軸承和減小外部阻力，以降低摩擦力。

3 模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的優(yōu)化策略

基于動力學(xué)分析模型中提取的影響模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)運(yùn)行的因素，為系統(tǒng)優(yōu)化提供了相應(yīng)參考。在系統(tǒng)分析與維護(hù)方面，重點(diǎn)從以下5 個方面進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化轉(zhuǎn)動慣量

減小轉(zhuǎn)動慣量能夠提升鉆機(jī)的加減速性能，可以采用以下策略。第一，輕量化設(shè)計。通過使用輕質(zhì)材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)降低設(shè)備的質(zhì)量，從而減小轉(zhuǎn)動慣量，如采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料、優(yōu)化部件的形狀和尺寸等。第二，優(yōu)化轉(zhuǎn)動部件的分布[2]。通過合理分布轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量，降低轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，如優(yōu)化齒輪、軸承等轉(zhuǎn)動部件的配置。第三，優(yōu)化動態(tài)響應(yīng)。通過使用先進(jìn)的控制系統(tǒng)來提高系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的調(diào)整能力，以提高鉆機(jī)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性[3]。例如，可以引進(jìn)采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的控制系統(tǒng)替代原來的控制系統(tǒng)，提升動態(tài)響應(yīng)的能力與效果。

3.2 對驅(qū)動扭矩與摩擦扭矩進(jìn)行平衡管理

驅(qū)動扭矩和摩擦扭矩的平衡是提高模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)中鉆機(jī)傳動效率的重要策略。在系統(tǒng)優(yōu)化中，可以通過以下3 種方法來平衡驅(qū)動扭矩和摩擦扭矩。第一，選擇高效率電機(jī)和大扭矩減速器，提高驅(qū)動扭矩的輸出并降低能耗，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性[4]。第二，定期維護(hù)和潤滑。定期對軸承、齒輪等傳動部件進(jìn)行潤滑和維護(hù)，可以降低摩擦阻力，提高傳動效率。第三，優(yōu)化傳動系統(tǒng)設(shè)計。通過改進(jìn)傳動系統(tǒng)的設(shè)計，可以減少傳動環(huán)節(jié)和摩擦損失，提高傳動效率。在傳動系統(tǒng)改進(jìn)和設(shè)計過程中，可以采用直驅(qū)式設(shè)計、優(yōu)化齒輪參數(shù)等方式，這對傳動系統(tǒng)的性能提升有著積極作用。

3.3 優(yōu)化推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)的性能直接影響鉆機(jī)的鉆孔效率和穩(wěn)定性，要根據(jù)模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)中推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。第一，選擇適合的鉆頭和推進(jìn)方式。根據(jù)地層特性和鉆孔需求選擇合適的鉆頭材料、規(guī)格和推進(jìn)方式，確保鉆進(jìn)系統(tǒng)作業(yè)的科學(xué)性。例如，對于硬巖地層可以采用硬質(zhì)合金鉆頭，對于軟巖地層可以選擇金剛石鉆頭。第二，推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計。通過采用大推力、低阻力的設(shè)計來減少推進(jìn)過程中的能量損失，提高推進(jìn)力的傳遞效率和穩(wěn)定性。第三，控制推進(jìn)參數(shù)。借助先進(jìn)的控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整參數(shù)，使推進(jìn)壓力、推進(jìn)速度等參數(shù)的設(shè)置更加合理，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的鉆進(jìn)[5]。

3.4 注重裝備質(zhì)量與升降加速度的匹配

裝備質(zhì)量與升降加速度的匹配對模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命具有重要影響。在系統(tǒng)優(yōu)化過程中，可以重點(diǎn)采用以下3 個方面的策略。第一，選擇合適的裝備。根據(jù)實(shí)際需求和條件選擇合適的裝備，避免超載或過輕載情況。例如，要根據(jù)鉆孔深度和地層條件選擇合適的鉆桿、鉆頭等裝備。第二，控制升降加速度。通過采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)等方法合理控制升降加速度的變化率，減少對設(shè)備的沖擊，實(shí)現(xiàn)加速度的平穩(wěn)控制。第三，加強(qiáng)裝備維護(hù)和保養(yǎng)。定期對裝備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保裝備處于良好的工作狀態(tài)。在維護(hù)中要及時更換磨損部件，調(diào)整裝備參數(shù)，以提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和使用壽命。

3.5 合理分配與控制提升力

提升力的合理分配與控制是確保模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)提升過程安全性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。對于提升力的合理分配與控制，需要從以下3 個方面入手。第一，優(yōu)化絞車配置。根據(jù)提升需求和條件選擇合適的絞車類型和規(guī)格，確保提升力的合理分配和輸出。例如，根據(jù)提升重量和高度選擇合適的電機(jī)功率和減速器傳動比。第二，采用先進(jìn)的控制策略。通過采用比例-積分-微 分（Proportion Integral Differential，PID）控制或模糊控制算法等先進(jìn)的控制技術(shù)精確控制提升力。第三，注重監(jiān)測與安全保護(hù)。通過實(shí)時監(jiān)測提升過程中的參數(shù)變化，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施。例如，可以設(shè)置超載保護(hù)裝置、限速裝置等安全裝置，以提高提升過程的安全性。

4 結(jié)語

通過分析模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)的動力學(xué)模型，提取影響系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素，包括轉(zhuǎn)動慣量和角速度、驅(qū)動扭矩和摩擦扭矩、推進(jìn)力和阻力、裝備質(zhì)量和升降加速度、提升力、重力和摩擦力。鑒于這些因素可能影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果，需要在系統(tǒng)分析、維護(hù)過程中注意優(yōu)化轉(zhuǎn)動慣量，對驅(qū)動扭矩與摩擦扭矩進(jìn)行平衡管理，優(yōu)化推進(jìn)系統(tǒng)，促進(jìn)裝備質(zhì)量與升降加速度相匹配，從而合理分配與控制提升力，以保證系統(tǒng)具有良好的性能。