高校牵头建设国家工程实验室探索与实践——以海洋物探及勘探设备国家工程实验室为例

高校牵头建设国家工程实验室有其自身的特点,以海洋物探及勘探设备国家工程实验室建设为例,探索产学研相结合的大背景下的国家工程实验室建设模式,从人才培养、项目研究、服务功能、学科发展、组织管理五个方面探讨高校在国家工程实验室建设中的角色定位及发展方向,以期能够进一步探索出政产学研用深度协同、加快科技成果转化的新型科研模式,以创新成果成功产业化服务国家产业升级,高效高质量完成国家工程实验室建设工作.

潜油永磁同步电机直驱螺杆泵采油实验平台

低速大扭矩潜油永磁同步电机直接驱动螺杆泵采油作为一项新技术逐渐被油田应用。为了评价该套系统的性能及可靠性,为实际应用提供依据,同时应用于教学,设计了一套潜油永磁同步电机直驱螺杆泵采油实验平台,主要包括潜油永磁同步电机直驱螺杆泵机组、油管路循环系统、控制系统和参数采集系统。完成了实验平台的设计、加工、安装及测试。该实验平台可有效开展不同工况下潜油永磁同步电机性能测试及采油系统性能测试,重点验证潜油永磁同步电机设计的有效性;采用该实验平台开展电机直驱螺杆泵采油实验教学,使学生深入了解新型采油设备及过程,理论与实验教学有机结合,对培养学生科学实验及创新能力起到了积极作用。

海洋纤维增强复合柔性管拉伸性能

纤维增强复合材料柔性管取代传统的碳素钢管是海洋油气选管的趋势。以热塑性纤维缠绕复合材料柔性管(RTPs)为研究对象,将弹塑性材料的本构关系与应力连续条件相结合,建立拉伸作用下任意增强层数RTPs的力学模型。在此基础上分析缠绕角、纤维增强层纤维含量、泊松比等参数对RTPs拉伸性能的影响,并开展拉伸试验进行验证。结果表明:纤维增强层的缠绕角是影响RTPs拉伸性能的主要因素,缠绕角度的降低显著提高了RTPs的纵向强度,缠绕角度小于±45°时纵向强度较高;增加纤维含量不能有效提高RTPs在有效应变范围内的整体抗拉强度,泊松比对RTPs的整体拉伸性能影响并不明显,试验结果与数值模拟结果吻合较好。

热力耦合作用下修井磨鞋产热规律与控温方法

针对修井液冷却不充分恶劣工况下修井磨鞋钻进慢、磨损快的技术瓶颈问题,基于热源法原理和傅里叶定律建立修井磨鞋磨粒力学与温度解析模型,明确磨粒受力、温度与结构参数的定量关系,采用温度-位移耦合侵彻接触算法建立磨粒热力耦合仿真模型,结合全尺寸修井磨鞋无冷却钻进试验探究室温环境下的修井磨鞋产热规律,进而提出改善修井磨鞋散热特性的控温方法,同时开发新型修井磨鞋并验证实际散热效果。结果表明:修井磨鞋磨粒的高温区域分布在磨粒切削刃和前刀面,高温中心由磨粒刀尖向前刀面逐渐演化,最高温度达到612.3℃;从磨粒切削刃、磨粒后角、水眼布置和散热方式等方面提出修井磨鞋控温方法,有散热孔磨粒稳定阶段的降温幅度在13.9%~21.3%;相对于常规修井磨鞋,新型修井磨鞋的高温区域由磨粒工作表面转移到试验工件表面,室温环境下的降温幅度超过10.5%。

基于模糊故障树的水下生产系统可靠性分析

开展基于模糊故障树的水下生产系统可靠性分析。分析水下生产系统的工作原理和结构组成,自上而下建造故障树模型;采取上行法对系统进行定性分析确定最小割集;利用梯形模糊数对系统进行模糊定量分析,得出系统模糊失效概率和基本事件模糊重要度。通过分析结果可找出系统的薄弱环节,对其采取措施进行重点防御保护和定时监测维护,也可指导水下生产系统的优化改进。

基于田口法的钻井直驱永磁同步电机设计及优化

针对“三相电机+减速装置+钻具”系统存在的机组冗长、效率低及可靠性低等问题,研发了钻井直驱永磁同步电机。设计计算了电机关键部件;以效率和齿槽转矩为优化目标,开展了电机稳健参数优化,采用田口法开展了电磁优化设计,筛选影响效率和齿槽转矩的4个显著因子作为可控因子,利用正交表对优化参数及其水平进行试验,计算了优化参数对效率和齿槽转矩影响程度,得到最优参数组合;开展了优化后电机的空载与负载电磁仿真分析,研究了空载与负载下电机性能,验证了电机优化设计的合理性;计算了电机额定工况运行下的主要损耗及关键部件生热率,仿真分析了电机在有、无钻井液通入下的温度分布,进一步验证了电机设计的合理性。研究结论可为井下直驱电动钻具设计提供理论依据,也可为海洋油气及水合物钻采设备的创新提供技术支持。

油气井磨铣工具的性能评价及工作参数优选

针对目前深海油气井磨铣工具进尺慢、易打滑、磨不动等问题,同时考虑磨铣工具结构不规则、种类繁多、建模难度大等因素,以M97斜坡式磨铣工具为研究对象,通过三维激光扫描仪获得三维扫描模型,基于逆向工程建立全尺寸磨铣工具仿真模型,同时开发磨铣工具实验系统进行结果验证,最后完成磨铣工具性能评价及工作参数优选。研究结果表明:①仿真和实验后的工件表面均为带有中心支点的环形切痕,仿真扭矩误差仅为7.78%;②磨铣工具工作过程可分为单磨粒切削、平面切削和深度切削三个阶段,磨粒应尽量布置在钻进方向的同一平面,避免出现单磨粒切削阶段,防止单个磨粒过载而导致失效问题;③钻压和转速相互影响,共同决定了磨铣工具的工作效率和工作安全;④建立了磨铣工具工作性能评价图版及优选工作参数表,可以根据现场施工需求优选工作参数,进而改善磨铣工具工作性能。结论认为,该分析方法精度高,分析结果可以有效改善磨铣工具的工作性能,能够满足深海油气井高效安全开发的需求。

浮式钻井补偿绞车方案设计和性能仿真

为提高海洋钻井作业的综合性能,开展电驱动绞车补偿系统的方案设计和控制策略研究。针对国外单绞车补偿系统,提出一种基于双绞车的升沉补偿方案,钻机游动轮系的运动和受力完全对称,具有传动效率高、安全性好等特殊优势。设计系统关键结构参数,并基于能量流分析对绞车升沉补偿工作能力及其影响因素进行理论计算和分析,提出一种基于位移补偿方式的钻井运动联合控制方案,采用外环平台升沉位移和井底钻压闭环、内环矢量变频电机转速闭环的串级结构,选择合适的外环控制算法,并利用基于Simulation X的系统模型开展控制性能仿真研究。结果表明双绞车补偿系统在不同钻井工况下的补偿能力较强,钻井作业窗口较宽;该系统运行稳定,可以实现升沉补偿与自动送钻运动的联合控制,满足海洋钻井要求。

原油黏度对潜油永磁直驱电泵效率的影响

为评价潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵采油系统开采稠油的效率及适应性,设计搭建了一套潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵采油实验平台,开展了不同原油黏度下的实验研究,对测试数据进行了采集分析。结果表明,在4种黏度工况下,电动机效率均在80%左右,处于较高水平;随着原油黏度的降低,系统效率逐渐增大,说明该系统应用于稠油开采具有良好的适应性。

履带式洪涝救援平台的设计与实现

为了解决洪涝灾害中常规救援方式存在的运移距离短、效率低下、安全可靠性低等难题,设计了一种可应用于城市洪涝灾害救援的新型履带式洪涝救援平台。首先,对整机机械结构(行走、升降、救援设备布置、平台防腐等)进行设计;其次,对关键设计参数进行理论计算分析,并运用数值模拟分析技术对关键结构进行仿真分析;最后,基于所设计的救援平台,建立城区模型、受灾分析模型和救援过程模型,运用K均值聚类多目标优化方法进行救援路径规划分析,探讨城市洪涝救援新模式,并与传统城市洪涝救援进行对比分析。结果表明救援平台相较于传统救援在安全可靠性、快速性上有了极大改善;提出了新型的城市洪涝救援模式,其救援效率高于传统救援模式的效率。新型履带式洪涝救援平台可应用于救援艇运输、救援物资运输以及在灾区内部提供紧急治疗,并可作为受灾区受困人员中转基站,所提出的救援模式可有效拓宽洪涝灾害的救援方式。

基于Markov过程的水下采油树系统可靠性分析

为评估水下采油树系统的可靠性,提出一种基于Markov的水下采油树系统可靠性评估方法。首先,通过研究水下采油树系统的运行状态和故障机制,建立了水下采油树系统的Markov模型并给出相应的解析方程式。其次,以实际水下采油树系统故障数据为基础数据对其可靠性进行了定量分析和计算,求解水下采油树系统的瞬态、稳态可用度区间值;最后,利用该模型进一步分析各状态转移概率对系统可用度的影响,从而为预防故障事件的发生及系统改进措施的提出提供一定的理论依据,并为水下采油树系统国产化设计以及生产工作等提供较为准确的可靠性约束指导。

基于FFTA和FMEA的水下采油树系统可靠性分析

目前对水下采油树系统的可靠性分析大多只考虑了部分典型故障模式对系统的影响,为此,采用模糊故障树FFTA和FMEA相结合的方法对其进行了可靠性分析,并参考国外可靠性数据库OREDA,采用定性和定量相结合的方法分析了水下采油树系统故障模式发生的严重程度。分析结果表明:通过FMEA法分析,将失效模式危害等级划分为高风险、中高风险、中等风险、中低风险及低风险5个等级,得出水下采油树系统共有20种失效模式;油管悬挂器化学试剂注入耦合器、节流模块硬管及节流模块控制阀等9个部件属于水下采油树系统的薄弱环节,应该采取措施重点防范和定时检测。研究结论可以为国产化水下采油树可靠性设计提供理论指导。

基于模糊贝叶斯网络油管挂下放安装风险分析

针对油管挂下放安装风险分析过程中因缺乏实际数据而无法量化分析的问题,提出一种基于模糊贝叶斯网络系统故障概率计算方法。该方法将区间模糊变量引入到根节点的构建中描述节点的模糊故障率,有效弥补了模糊贝叶斯网络系统在风险分析中故障数据不精确及逻辑关系不明确等方面的不足。将该方法应用到油管挂下放安装风险分析中,对油管挂下放安装失效事件进行了定量评估,得到事件失效的故障概率。分析结果表明:该方法有效解决了部件故障率模糊和不确定性的问题,具有一定的工程应用价值。

国产化水下油气生产系统可靠性分配研究

我国水下油气生产系统的技术水平还处于初步发展阶段,为保障国产化水下油气生产系统的成功实施,有必要开展水下油气生产系统可靠性相关研究工作。提出一种基于相似产品分配法和层次分析法(AHP)相结合的复合分配法,建立了典型水下油气生产系统模型和系统可靠性框图,并综合考虑国产化因素,建立了系统可靠性分配模型。通过专家评分系统构造出判断矩阵,运用复合分配法进行系统可靠性一次分配和再分配,将系统可靠性指标分配到各子系统及设备单元。对相似产品分配法、AHP以及复合分配法3种方法进行对比,对比结果表明,复合分配法可以优化系统可靠性分配系数,使得系统可靠性设计更加合理。研究结果可对国产化水下油气生产系统自主设计阶段工作提供一定的指导。

基于故障树的水下生产系统可靠性分配

水下生产系统作为深水油气资源开发的主流模式,设备安全可靠运行是保证资源开发和保护生态环境的关键因素。以乐东22-1南块气田为例,进行基于故障树的水下生产系统可靠性分配。首先将水下生产系统故障树模型分为4层,自上而下分别为顶事件、初级中间事件、次级中间事件和三级中间事件。然后采用复合分配法,对故障树顶事件采用基于概率重要度的方法进行可靠性分配,对初级中间事件利用可靠性再分配法进行可靠性分配,最后采取层次分析法对故障率发生改变的次级中间事件进行可靠性分配,最终将系统可靠性指标依次分配到子系统及零部件。分配结果与工程实际相符,并且可以针对失效率较高的薄弱环节,优化水下生产系统可靠性设计。

水下油气生产系统概述及其发展现状

水下油气生产系统作为海洋油气开发的主流模式,备受国内外石油公司关注。首先,对国内外水下油气生产系统发展现状进行调研,分析国内外水下油气生产系统总体技术研究发展水平;其次,对水下油气生产系统进行概述,通过系统层次界定,将其划分为水下控制系统、立管系统、海底管线系统、水下管汇系统、水下井口装置及采油树系统五大子系统,介绍各子系统基本组成结构及其功能,建立功能结构框图;然后,根据各子系统之间的功能及相互作用关系建立典型水下油气生产系统模型;最后,预测我国水下油气生产系统的未来发展趋势,有助于推进国产化水下油气生产系统的开发进程。

基于临界携液流速识别井筒积液方法研究及优化

为了准确预判气井井筒积液状态,以便于科学制定气井的排采工作制度,以储层含水饱和度高、气井普遍产水且井筒积液的致密气井为研究对象,对比分析了油套压差法、流态判别法、动能因子法、临界流速法等井筒积液诊断方法的局限性。研究结果表明:①临界流速法判断井筒积液较为简单,是目前判断井筒积液应用范围最广的方法,也是目前井筒积液识别准确率较高的方法;②临界流量法只是提出了气携液的必要条件,并没有解决最大携液量的问题,因此该方法对大气液比气井的积液判断准确率较高,而对于中低气液比的气井积液识别率仅为50%左右,该方法需要优化提升。结论认为:①基于临界流速法,补充判别条件,修正判别依据,是提高井筒积液识别率的有效途径;②采用李闽模型筛选“积液”井及Turner模型筛选“未积液”井,其他井采用气携液的充要条件判别,整体上井筒积液识别的正确率达到88.5%;③所提供的方法是对临界流速法判别井筒积液的很好修正,积液识别正确率能够满足现场要求。

海底输气管道泄漏扩散可视化仿真软件开发

为实现海底输气管道泄漏扩散结果的实时可视化仿真,对海底输气管道泄漏扩散可视化仿真软件进行了结构分析与功能模块划分,以数值模拟实验为基础建立了海底输气管道泄漏扩散模型数据库,编写Matlab程序读取数据库信息并进行简化处理,生成了泄漏气体扩散影响范围数据点矩阵。使用统计学方法,并引入边界曲线拟合系数对泄漏影响范围边界进行曲线拟合,实现了对泄漏气体影响范围的实时判断。在此基础上,使用Matlab/C++混合编程方法,完成了海底输气管道泄漏扩散可视化仿真软件设计及开发。

履带式近海快艇运移平台的创新设计

为实现海洋作业人员及物资高效安全转移,基于TRIZ理论设计开发了一种履带式近海快艇运移平台。针对传统系泊平台的实际问题,利用TRIZ理论分析实际问题的技术冲突。确定了空间维数变化、反向作用、气压和液压结构、分割等四条发明原理,并相应提出新型履带式近海快艇运移平台设计方案。介绍了该运移平台的工作原理,完成其结构创新设计,并对主要设计参数进行了设计计算与分析。样机试验证明,该运移平台作业效率高、运行平稳、可靠性高,能满足使用要求,且操作性好。

基于ADAMS的压缩机轴系主轴承处受力分析

为了研究海洋大功率往复式压缩机曲轴系统中主轴承的受力情况,利用ADAMS软件建立仿真模型,分析了主轴承在旋转副和弹簧支承2种约束方式下的受力情况,得到支撑刚度、阻尼值与主轴承受力的关系。结果表明,这2种支撑方式下的主轴承受力趋势基本一致,但是弹簧支撑的幅值比旋转副约束的幅值小得多;随着弹簧支承的支撑刚度、阻尼的增大,主轴承力的幅值有一定程度的增大。仿真结果对轴系和机体的设计以及振动控制方面起到一定的指导作用,并为压缩机轴承的选用和润滑提供参考。