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        鉆柱自動排放裝置運動軌跡及效率分析

        2014-08-27 22:27:37毛亞軍陳新龍許峰
        中國高新技術(shù)企業(yè) 2014年15期
        關(guān)鍵詞:鉆柱

        毛亞軍+陳新龍+許峰

        (中石化石油工程機械有限公司第四機械廠,湖北 荊州 434024)

        摘要:鉆柱自動排放裝置作為管柱處理系統(tǒng)的關(guān)鍵工具,是實現(xiàn)井口至二層臺鉆柱(包括鉆鋌、鉆桿)排放及反向運動的重要裝置。目前鉆柱自動排放裝置的類型多種多樣,直接導致鉆柱從井口至二層臺存放區(qū)的運動軌跡多種多樣,運動的方式及路徑的長短直接決定了鉆柱自動排放裝置的作業(yè)效率。文章就目前幾種主流的鉆柱自動排放裝置進行運動軌跡和效率分析。

        關(guān)鍵詞:鉆柱;鉆柱自動排放裝置;運動軌跡;運動效率

        中圖分類號:TE922文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2014)22-0067-02在鉆井過程中,管子處理作業(yè)主要包括:管件和鉆具從存放區(qū)至井口的移動、井口建立立根作業(yè)、井口至二層臺存放區(qū)的自動移送及排放等操作。其中鉆井作業(yè)中普遍需用到的管材、鉆具包括各種型號的鉆桿、鉆鋌、立根、套管和隔水導管等。在固定的鉆井平臺上能安全、快速、高效且作業(yè)連貫的完成各類管柱的取用、運移、組裝、拆卸、排放等作業(yè),在鉆柱的起下鉆過程中,其中井口至二層臺存放區(qū)的自動移送及排放作業(yè)的效率尤為重要,而不同的運動形式和軌跡是決定其效率的關(guān)鍵。

        1X/Y坐標運動控制效率計算

        X/Y坐標運動為典型的直線運動,目前,直線運動可采用的執(zhí)行機構(gòu)多種多樣,而目采用較多的主要是油缸、齒輪齒條和滑輪三種,各種執(zhí)行機構(gòu)的時間和控制精度均不同,表1為滿足鉆柱自動排放裝置0.1~0.2m/s運動速度的基本比較:

        表1

        執(zhí)行機構(gòu)特點 控制

        油缸 內(nèi)置位移傳感器,磁式感應(yīng),結(jié)構(gòu)簡單 最高

        齒輪齒條 拉線式位移或計數(shù)位移,結(jié)構(gòu)復雜 其次

        滑輪 拉線式位移或計數(shù)位移,結(jié)構(gòu)簡單 一般

        以下以常規(guī)5000m鉆機的二層工作臺為列,下為示意圖:

        距離計算:

        從A到B點為最短距離:L1=935+2208=3143mm

        從A到C點為最長距離:Ln=2573+3665=6328mm

        根據(jù)等比數(shù)列計算,縱排遞增距離為180mm,橫排遞增距離為177mm,排放數(shù)量為90,單邊排滿鉆柱距離

        L為:

        圖1

        L=L1+L2+...+Ln=419.49m

        總距離=2*L=838.98m

        時間計算:

        按照0.15m/s的勻速運動進行計算,直線運動加速度為±0.05m/s2進行計算:

        在最短距離L1運動的時間為:加速時間t加+勻速時間t勻+減速時間t減

        t加=t減=Va-V0/a=3s

        s加=Vot+at2/2=0.225m

        t均=s-2s加/v均=18s

        t總=t均+2t加=24s

        根據(jù)等比數(shù)列計算,縱排遞增距離為180mm,橫排遞增距離為177mm,排放數(shù)量為90,雙邊排滿鉆柱時間t為:

        t=2×[(L-2×0.225x90)/Va+2×90×6]=13346.4s

        2極坐標運動控制效率計算

        極坐標系是一個二維坐標系統(tǒng)。該坐標系統(tǒng)中的點由一個夾角和一段相對中心點——極點(相當于我們較為熟知的直角坐標系中的原點)的距離來表示。而旋轉(zhuǎn)可采用的執(zhí)行機構(gòu)一般來說,均為旋轉(zhuǎn)馬達,如旋轉(zhuǎn)的角度一定(比如90°或180°),可采用旋轉(zhuǎn)油缸。這根據(jù)不同的極坐標控制方式有所不同,但從運動的軌跡來看,趨于一致,如下圖:

        圖2

        距離計算:

        最短距離(從A到B點):L1+A1+L2

        最長距離(從A到C點):L1+A1+L3+L4

        根據(jù)等比數(shù)列計算,A1半徑0.65m,縱排遞增距離為180mm,橫排遞增距離為177mm,排放數(shù)量為90,單邊排滿鉆柱距離L為:

        L=L1+L2+...+Ln=394.29m,

        總距離=2*L=788.58m;

        時間計算:

        按照0.15m/s的勻速運動進行計算,直線運動加速度為±0.05m/s2,角速度ω=0.23rad/s,角加速度α=0.07rad/s^2進行計算,由于直線距離的勻速運動時間不變,變化主要存在于如下:

        圖3

        實際運動中A1段由加速度段、勻速段和減速段

        構(gòu)成:

        圓弧段A1段:運動時間t1=3+3+3=9s

        直線段2倍R1段:運動時間t2=1.3/0.15=8.6s

        所以:半個循環(huán)內(nèi)圓弧及直線運動時間相差0.4s;

        在第二排開始的排管過程中,增加了L3直線段,同時存在速度段、勻速段和減速段;按照加速度原理,每次循環(huán)需增加約6~12s不等(取平均值9s);

        在把二層工作臺排滿的過程運動中,排滿鉆柱時間t為:

        t=13346.4-180×2×.4s+160×9=14642s

        3結(jié)語

        從以上的計算分析來看,X/Y軸坐標軌跡運動較極坐標軌跡運動的時間短,理論上,相當于效率高9.7%。

        由于X/Y軸坐標軌跡運動的控制軌跡為兩段,僅需兩套執(zhí)行機構(gòu),而極坐標軌跡運動最長控制軌跡為四段,需四套執(zhí)行機構(gòu),故X/Y軸坐標軌跡運動控制所需要的執(zhí)行機構(gòu)也更簡單。

        但是,由于X/Y軸坐標軌跡運動直線距離較大(4~5m),為保持運動的平穩(wěn)性,X/Y軸坐標軌跡運動機構(gòu)較極坐標軌跡運動的機構(gòu)更加大型,這對于位置空間有限的鉆臺空間和二層臺空間的要求更高。

        開發(fā)鉆機的鉆柱自動排放裝置,在保證裝置的可靠性和安全性的前提下,根據(jù)相應(yīng)的陸地及海洋鉆機的特點進行。

        參考文獻

        [1]?唐麗華,王洪英.國外幾種典型的新型自動化鉆機

        [J].石油機械,2005,11(33).

        [2]?MaggioniA,Cinquegrani A.Safty in Drilling

        Operations Use of Automatic Rigs,IADC ET AL

        WORLD Drilling CONF PROC 2002.

        [3]?Murray D.RiskMitigation Technique For Advanced Rig

        Control Systems,SPE 72329.

        [4]?Automated rig field - tested, Drlling Contractor,

        December 1991

        [5]?Reid D.The Development of Automated Drilling Rig,

        SPE 39373.

        作者簡介:毛亞軍(1982—),男,中石化石油工程機械有限公司第四機械廠工程師,研究方向:鉆修機及井口自動化工具的設(shè)計。

        endprint

        (中石化石油工程機械有限公司第四機械廠,湖北 荊州 434024)

        摘要:鉆柱自動排放裝置作為管柱處理系統(tǒng)的關(guān)鍵工具,是實現(xiàn)井口至二層臺鉆柱(包括鉆鋌、鉆桿)排放及反向運動的重要裝置。目前鉆柱自動排放裝置的類型多種多樣,直接導致鉆柱從井口至二層臺存放區(qū)的運動軌跡多種多樣,運動的方式及路徑的長短直接決定了鉆柱自動排放裝置的作業(yè)效率。文章就目前幾種主流的鉆柱自動排放裝置進行運動軌跡和效率分析。

        關(guān)鍵詞:鉆柱;鉆柱自動排放裝置;運動軌跡;運動效率

        中圖分類號:TE922文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2014)22-0067-02在鉆井過程中,管子處理作業(yè)主要包括:管件和鉆具從存放區(qū)至井口的移動、井口建立立根作業(yè)、井口至二層臺存放區(qū)的自動移送及排放等操作。其中鉆井作業(yè)中普遍需用到的管材、鉆具包括各種型號的鉆桿、鉆鋌、立根、套管和隔水導管等。在固定的鉆井平臺上能安全、快速、高效且作業(yè)連貫的完成各類管柱的取用、運移、組裝、拆卸、排放等作業(yè),在鉆柱的起下鉆過程中,其中井口至二層臺存放區(qū)的自動移送及排放作業(yè)的效率尤為重要,而不同的運動形式和軌跡是決定其效率的關(guān)鍵。

        1X/Y坐標運動控制效率計算

        X/Y坐標運動為典型的直線運動,目前,直線運動可采用的執(zhí)行機構(gòu)多種多樣,而目采用較多的主要是油缸、齒輪齒條和滑輪三種,各種執(zhí)行機構(gòu)的時間和控制精度均不同,表1為滿足鉆柱自動排放裝置0.1~0.2m/s運動速度的基本比較:

        表1

        執(zhí)行機構(gòu)特點 控制

        油缸 內(nèi)置位移傳感器,磁式感應(yīng),結(jié)構(gòu)簡單 最高

        齒輪齒條 拉線式位移或計數(shù)位移,結(jié)構(gòu)復雜 其次

        滑輪 拉線式位移或計數(shù)位移,結(jié)構(gòu)簡單 一般

        以下以常規(guī)5000m鉆機的二層工作臺為列,下為示意圖:

        距離計算:

        從A到B點為最短距離:L1=935+2208=3143mm

        從A到C點為最長距離:Ln=2573+3665=6328mm

        根據(jù)等比數(shù)列計算,縱排遞增距離為180mm,橫排遞增距離為177mm,排放數(shù)量為90,單邊排滿鉆柱距離

        L為:

        圖1

        L=L1+L2+...+Ln=419.49m

        總距離=2*L=838.98m

        時間計算:

        按照0.15m/s的勻速運動進行計算,直線運動加速度為±0.05m/s2進行計算:

        在最短距離L1運動的時間為:加速時間t加+勻速時間t勻+減速時間t減

        t加=t減=Va-V0/a=3s

        s加=Vot+at2/2=0.225m

        t均=s-2s加/v均=18s

        t總=t均+2t加=24s

        根據(jù)等比數(shù)列計算,縱排遞增距離為180mm,橫排遞增距離為177mm,排放數(shù)量為90,雙邊排滿鉆柱時間t為:

        t=2×[(L-2×0.225x90)/Va+2×90×6]=13346.4s

        2極坐標運動控制效率計算

        極坐標系是一個二維坐標系統(tǒng)。該坐標系統(tǒng)中的點由一個夾角和一段相對中心點——極點(相當于我們較為熟知的直角坐標系中的原點)的距離來表示。而旋轉(zhuǎn)可采用的執(zhí)行機構(gòu)一般來說,均為旋轉(zhuǎn)馬達,如旋轉(zhuǎn)的角度一定(比如90°或180°),可采用旋轉(zhuǎn)油缸。這根據(jù)不同的極坐標控制方式有所不同,但從運動的軌跡來看,趨于一致,如下圖:

        圖2

        距離計算:

        最短距離(從A到B點):L1+A1+L2

        最長距離(從A到C點):L1+A1+L3+L4

        根據(jù)等比數(shù)列計算,A1半徑0.65m,縱排遞增距離為180mm,橫排遞增距離為177mm,排放數(shù)量為90,單邊排滿鉆柱距離L為:

        L=L1+L2+...+Ln=394.29m,

        總距離=2*L=788.58m;

        時間計算:

        按照0.15m/s的勻速運動進行計算,直線運動加速度為±0.05m/s2,角速度ω=0.23rad/s,角加速度α=0.07rad/s^2進行計算,由于直線距離的勻速運動時間不變,變化主要存在于如下:

        圖3

        實際運動中A1段由加速度段、勻速段和減速段

        構(gòu)成:

        圓弧段A1段:運動時間t1=3+3+3=9s

        直線段2倍R1段:運動時間t2=1.3/0.15=8.6s

        所以:半個循環(huán)內(nèi)圓弧及直線運動時間相差0.4s;

        在第二排開始的排管過程中,增加了L3直線段,同時存在速度段、勻速段和減速段;按照加速度原理,每次循環(huán)需增加約6~12s不等(取平均值9s);

        在把二層工作臺排滿的過程運動中,排滿鉆柱時間t為:

        t=13346.4-180×2×.4s+160×9=14642s

        3結(jié)語

        從以上的計算分析來看,X/Y軸坐標軌跡運動較極坐標軌跡運動的時間短,理論上,相當于效率高9.7%。

        由于X/Y軸坐標軌跡運動的控制軌跡為兩段,僅需兩套執(zhí)行機構(gòu),而極坐標軌跡運動最長控制軌跡為四段,需四套執(zhí)行機構(gòu),故X/Y軸坐標軌跡運動控制所需要的執(zhí)行機構(gòu)也更簡單。

        但是,由于X/Y軸坐標軌跡運動直線距離較大(4~5m),為保持運動的平穩(wěn)性,X/Y軸坐標軌跡運動機構(gòu)較極坐標軌跡運動的機構(gòu)更加大型,這對于位置空間有限的鉆臺空間和二層臺空間的要求更高。

        開發(fā)鉆機的鉆柱自動排放裝置,在保證裝置的可靠性和安全性的前提下,根據(jù)相應(yīng)的陸地及海洋鉆機的特點進行。

        參考文獻

        [1]?唐麗華,王洪英.國外幾種典型的新型自動化鉆機

        [J].石油機械,2005,11(33).

        [2]?MaggioniA,Cinquegrani A.Safty in Drilling

        Operations Use of Automatic Rigs,IADC ET AL

        WORLD Drilling CONF PROC 2002.

        [3]?Murray D.RiskMitigation Technique For Advanced Rig

        Control Systems,SPE 72329.

        [4]?Automated rig field - tested, Drlling Contractor,

        December 1991

        [5]?Reid D.The Development of Automated Drilling Rig,

        SPE 39373.

        作者簡介:毛亞軍(1982—),男,中石化石油工程機械有限公司第四機械廠工程師,研究方向:鉆修機及井口自動化工具的設(shè)計。

        endprint

        (中石化石油工程機械有限公司第四機械廠,湖北 荊州 434024)

        摘要:鉆柱自動排放裝置作為管柱處理系統(tǒng)的關(guān)鍵工具,是實現(xiàn)井口至二層臺鉆柱(包括鉆鋌、鉆桿)排放及反向運動的重要裝置。目前鉆柱自動排放裝置的類型多種多樣,直接導致鉆柱從井口至二層臺存放區(qū)的運動軌跡多種多樣,運動的方式及路徑的長短直接決定了鉆柱自動排放裝置的作業(yè)效率。文章就目前幾種主流的鉆柱自動排放裝置進行運動軌跡和效率分析。

        關(guān)鍵詞:鉆柱;鉆柱自動排放裝置;運動軌跡;運動效率

        中圖分類號:TE922文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2014)22-0067-02在鉆井過程中,管子處理作業(yè)主要包括:管件和鉆具從存放區(qū)至井口的移動、井口建立立根作業(yè)、井口至二層臺存放區(qū)的自動移送及排放等操作。其中鉆井作業(yè)中普遍需用到的管材、鉆具包括各種型號的鉆桿、鉆鋌、立根、套管和隔水導管等。在固定的鉆井平臺上能安全、快速、高效且作業(yè)連貫的完成各類管柱的取用、運移、組裝、拆卸、排放等作業(yè),在鉆柱的起下鉆過程中,其中井口至二層臺存放區(qū)的自動移送及排放作業(yè)的效率尤為重要,而不同的運動形式和軌跡是決定其效率的關(guān)鍵。

        1X/Y坐標運動控制效率計算

        X/Y坐標運動為典型的直線運動,目前,直線運動可采用的執(zhí)行機構(gòu)多種多樣,而目采用較多的主要是油缸、齒輪齒條和滑輪三種,各種執(zhí)行機構(gòu)的時間和控制精度均不同,表1為滿足鉆柱自動排放裝置0.1~0.2m/s運動速度的基本比較:

        表1

        執(zhí)行機構(gòu)特點 控制

        油缸 內(nèi)置位移傳感器,磁式感應(yīng),結(jié)構(gòu)簡單 最高

        齒輪齒條 拉線式位移或計數(shù)位移,結(jié)構(gòu)復雜 其次

        滑輪 拉線式位移或計數(shù)位移,結(jié)構(gòu)簡單 一般

        以下以常規(guī)5000m鉆機的二層工作臺為列,下為示意圖:

        距離計算:

        從A到B點為最短距離:L1=935+2208=3143mm

        從A到C點為最長距離:Ln=2573+3665=6328mm

        根據(jù)等比數(shù)列計算,縱排遞增距離為180mm,橫排遞增距離為177mm,排放數(shù)量為90,單邊排滿鉆柱距離

        L為:

        圖1

        L=L1+L2+...+Ln=419.49m

        總距離=2*L=838.98m

        時間計算:

        按照0.15m/s的勻速運動進行計算,直線運動加速度為±0.05m/s2進行計算:

        在最短距離L1運動的時間為:加速時間t加+勻速時間t勻+減速時間t減

        t加=t減=Va-V0/a=3s

        s加=Vot+at2/2=0.225m

        t均=s-2s加/v均=18s

        t總=t均+2t加=24s

        根據(jù)等比數(shù)列計算,縱排遞增距離為180mm,橫排遞增距離為177mm,排放數(shù)量為90,雙邊排滿鉆柱時間t為:

        t=2×[(L-2×0.225x90)/Va+2×90×6]=13346.4s

        2極坐標運動控制效率計算

        極坐標系是一個二維坐標系統(tǒng)。該坐標系統(tǒng)中的點由一個夾角和一段相對中心點——極點(相當于我們較為熟知的直角坐標系中的原點)的距離來表示。而旋轉(zhuǎn)可采用的執(zhí)行機構(gòu)一般來說,均為旋轉(zhuǎn)馬達,如旋轉(zhuǎn)的角度一定(比如90°或180°),可采用旋轉(zhuǎn)油缸。這根據(jù)不同的極坐標控制方式有所不同,但從運動的軌跡來看,趨于一致,如下圖:

        圖2

        距離計算:

        最短距離(從A到B點):L1+A1+L2

        最長距離(從A到C點):L1+A1+L3+L4

        根據(jù)等比數(shù)列計算,A1半徑0.65m,縱排遞增距離為180mm,橫排遞增距離為177mm,排放數(shù)量為90,單邊排滿鉆柱距離L為:

        L=L1+L2+...+Ln=394.29m,

        總距離=2*L=788.58m;

        時間計算:

        按照0.15m/s的勻速運動進行計算,直線運動加速度為±0.05m/s2,角速度ω=0.23rad/s,角加速度α=0.07rad/s^2進行計算,由于直線距離的勻速運動時間不變,變化主要存在于如下:

        圖3

        實際運動中A1段由加速度段、勻速段和減速段

        構(gòu)成:

        圓弧段A1段:運動時間t1=3+3+3=9s

        直線段2倍R1段:運動時間t2=1.3/0.15=8.6s

        所以:半個循環(huán)內(nèi)圓弧及直線運動時間相差0.4s;

        在第二排開始的排管過程中,增加了L3直線段,同時存在速度段、勻速段和減速段;按照加速度原理,每次循環(huán)需增加約6~12s不等(取平均值9s);

        在把二層工作臺排滿的過程運動中,排滿鉆柱時間t為:

        t=13346.4-180×2×.4s+160×9=14642s

        3結(jié)語

        從以上的計算分析來看,X/Y軸坐標軌跡運動較極坐標軌跡運動的時間短,理論上,相當于效率高9.7%。

        由于X/Y軸坐標軌跡運動的控制軌跡為兩段,僅需兩套執(zhí)行機構(gòu),而極坐標軌跡運動最長控制軌跡為四段,需四套執(zhí)行機構(gòu),故X/Y軸坐標軌跡運動控制所需要的執(zhí)行機構(gòu)也更簡單。

        但是,由于X/Y軸坐標軌跡運動直線距離較大(4~5m),為保持運動的平穩(wěn)性,X/Y軸坐標軌跡運動機構(gòu)較極坐標軌跡運動的機構(gòu)更加大型,這對于位置空間有限的鉆臺空間和二層臺空間的要求更高。

        開發(fā)鉆機的鉆柱自動排放裝置,在保證裝置的可靠性和安全性的前提下,根據(jù)相應(yīng)的陸地及海洋鉆機的特點進行。

        參考文獻

        [1]?唐麗華,王洪英.國外幾種典型的新型自動化鉆機

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        [5]?Reid D.The Development of Automated Drilling Rig,

        SPE 39373.

        作者簡介:毛亞軍(1982—),男,中石化石油工程機械有限公司第四機械廠工程師,研究方向:鉆修機及井口自動化工具的設(shè)計。

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