劉先明 李晨杰 彭長江 卿 玉 胡光輝 管 鋒 杭 崢

(1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2.中石化江漢石油工程有限公司裝備管理部 3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井控應(yīng)急救援響應(yīng)中心)

0 引 言

井噴失控會(huì)使油氣資源受到嚴(yán)重破壞，造成人員傷亡，設(shè)備毀壞，自然環(huán)境受到污染等嚴(yán)重后果[1-2]。鉆井作業(yè)中，井噴事故時(shí)有發(fā)生，雖然井場都配備有用于鉆井作業(yè)的內(nèi)防噴系統(tǒng)，但當(dāng)閥芯啟閉不到位時(shí)，閥芯與閥座之間的密封面便會(huì)在鉆井液的沖蝕下加速失效，造成井噴事故。對(duì)于由內(nèi)防噴器失效引起的井噴事故[3]，第一時(shí)間關(guān)井、及時(shí)搶接鉆具止回閥是處理該事故的重要舉措。

傳統(tǒng)人工搶接鉆具止回閥的方式存在搶接時(shí)間長、人工操作誤差多和失敗率高等問題，且易造成操作人員傷亡。國內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)單位對(duì)搶接鉆具止回閥的自動(dòng)化裝置進(jìn)行了研究，如中國石油大學(xué)(華東)設(shè)計(jì)的鉆井作業(yè)井噴搶險(xiǎn)裝置在遠(yuǎn)程控制下能夠可靠地封閉井口，但在使用前需要人工將該裝置安裝在鉆臺(tái)轉(zhuǎn)盤處，工作環(huán)境惡劣，對(duì)中性差[4]。川慶鉆探鉆采工藝技術(shù)研究院2008年研制的失控井搶接鉆具止回閥機(jī)械手裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)止回閥的夾持、運(yùn)移與安裝，但在井噴搶接過程中需要現(xiàn)場工作人員操作止回閥對(duì)準(zhǔn)鉆具輔助完成防噴作業(yè)。其2018年研制的自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化搶接鉆具止回閥[5]，但由于采用多級(jí)伸縮臂機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致裝置在運(yùn)行過程中存在撓度大、運(yùn)行不平穩(wěn)且運(yùn)動(dòng)時(shí)間長等問題，所以利用仿真軟件對(duì)井口自動(dòng)化裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)。2017年王冬石[6]利用ADAMS對(duì)浮式平臺(tái)抓管機(jī)吊爪的擺動(dòng)進(jìn)行仿真分析，得到吊爪擺動(dòng)的主要因素是啟?？炻c操作人員熟練度；2018年安艷竹[7]利用ADAMS對(duì)舉升式液壓動(dòng)力貓道系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性曲線，驗(yàn)證了貓道系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)的正確性。

本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化搶接鉆具止回閥的裝置。裝置采用折疊臂機(jī)構(gòu)，節(jié)省鉆臺(tái)空間并提高裝置運(yùn)行穩(wěn)定性。為保證裝置運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，本文對(duì)自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與軌跡規(guī)劃，并利用ADAMS進(jìn)行仿真計(jì)算。所得結(jié)果可為裝置的現(xiàn)場應(yīng)用和進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

1 自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置主要包括移運(yùn)單元與搶接單元，見圖1。移運(yùn)單元是裝置的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)將搶接單元從待命位置移送至井口；搶接單元通過主鉗與備鉗的配合完成鉆具止回閥與鉆桿的對(duì)中及搶接鉆具止回閥等工作。該裝置通過立柱固定在鉆臺(tái)平面，通過回轉(zhuǎn)支承帶動(dòng)整個(gè)裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作；折疊臂采用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)以節(jié)省鉆臺(tái)空間，依靠液壓缸實(shí)現(xiàn)伸展與收縮動(dòng)作，確保搶接單元攜帶的鉆具止回閥在平穩(wěn)運(yùn)行過程中始終保持豎直狀態(tài)，提高其與鉆桿的對(duì)中精度。

1—立柱；2—回轉(zhuǎn)支承；3—折疊臂液壓缸；4—折疊臂；5—主鉗；6—備鉗；7—移運(yùn)單元；8—搶接單元。圖1 自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置三維模型圖Fig.1 3D model of automatic connecting drilling tool check valve device

1.2 工作原理

待命狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置收縮折疊臂，旋轉(zhuǎn)至不影響鉆臺(tái)正常工作的位置。當(dāng)鉆井出現(xiàn)井噴時(shí)，該裝置可通過遠(yuǎn)程遙控一鍵啟動(dòng)并自動(dòng)運(yùn)行，移運(yùn)單元將搶接單元及其攜帶的鉆具止回閥運(yùn)送至井口，備鉗夾緊鉆桿完成鉆桿接頭與鉆具止回閥的對(duì)中，主鉗將攜帶的鉆具止回閥安裝在鉆桿接頭上，完成搶接工作。自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置節(jié)省搶接時(shí)間，提高搶接成功率，避免人員傷亡。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)及鉆臺(tái)空間位置要求，設(shè)計(jì)的自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：完成搶接過程的總時(shí)間≤45 s；工作狀態(tài)下裝置的折疊臂伸展長度>3.5 m，待命狀態(tài)下伸展長度<1.2 m；旋扣鉗工作尺寸127 mm，旋扣力矩>3 000 N·m；裝置所能承受的上頂力>100 kN；鉆具止回閥中軸線偏移井口軸心線<10 mm；旋扣鉗距鉆臺(tái)面工作高度>0.4 m。

2 移運(yùn)單元的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了使自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置的移運(yùn)單元在工作過程中滿足位移精度要求、運(yùn)行速度要求及運(yùn)行穩(wěn)定性要求，需要對(duì)移運(yùn)單元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。根據(jù)物理模型的幾何特點(diǎn)，建立移運(yùn)單元的機(jī)構(gòu)簡圖[8-9]，獲取鉆具止回閥的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)行速度以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移參數(shù)。

自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置移運(yùn)單元的機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。液壓缸驅(qū)動(dòng)的折疊臂機(jī)構(gòu)為平面連桿機(jī)構(gòu)，鉆具止回閥運(yùn)動(dòng)軌跡在折疊臂關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系下為平面軌跡；回轉(zhuǎn)支承帶動(dòng)裝置整體旋轉(zhuǎn)，鉆具止回閥運(yùn)動(dòng)軌跡在全局坐標(biāo)系下為空間軌跡。為方便分析鉆具止回閥的運(yùn)動(dòng)，本文先在折疊臂機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系下建立鉆具止回閥中心軸線底部位置Q點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，再通過坐標(biāo)變換的方式建立Q點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

圖2 自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置移運(yùn)單元機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram for the transport unit mechanism of automatic connecting drilling tool check valve device

如圖2所示，以裝置最下端的R點(diǎn)建立全局坐標(biāo)系，以O(shè)、A點(diǎn)分別建立回轉(zhuǎn)支承與折疊臂機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系，以Q點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系，上述坐標(biāo)系的Z軸均垂直紙面向外。在折疊臂關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系中，以連桿AF與X軸的夾角θ為自變量，建立Q點(diǎn)的軌跡方程和折疊臂液壓缸的末端M點(diǎn)的軌跡方程。

Q點(diǎn)與M點(diǎn)的位置為：

(1)

(2)

式中：α=∠FGH，α為含自變量θ的函數(shù)；β=α+∠MGS，∠MGS為耳板的安裝角，一般為5°。

由全局坐標(biāo)系變換到局部坐標(biāo)系O的位姿變換矩陣為：

(3)

由局部坐標(biāo)系O變換到局部坐標(biāo)系A(chǔ)的位姿變換矩陣為：

(4)

由局部坐標(biāo)系A(chǔ)變換到局部坐標(biāo)系Q的位姿變換矩陣為：

(5)

式中：γ為自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)的角度；y0=LRO，x1=LPA，y1=LOP，x2=xQ，y2=yQ。

(6)

聯(lián)立式(1)和式(6)得到Q點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的位置方程：

(7)

將Q點(diǎn)的位置方程對(duì)時(shí)間t進(jìn)行微分，得到Q點(diǎn)在X、Y、Z方向的速度：

(8)

3 運(yùn)動(dòng)仿真分析

3.1 ADAMS虛擬樣機(jī)建立

為了提高裝置虛擬樣機(jī)的仿真效率與操作簡便性，對(duì)搶接單元與立柱進(jìn)行模型簡化，省略裝置中的銷軸、螺栓等不必要的連接件[10]，利用SolidWorks軟件建立自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置的三維模型，如圖3所示。將創(chuàng)建好的三維模型導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置重力方向沿Y軸的負(fù)半軸，重力加速度的大小為9.81 m/s2；裝置中各零件材料均為45號(hào)鋼，密度為7.89×103kg/m3；在自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置添加相應(yīng)運(yùn)動(dòng)副。

圖3 自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置虛擬樣機(jī)模型Fig.3 Virtual prototype model of automatic connecting drilling tool check valve device

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

圖4 Q點(diǎn)位移理論值與仿真值對(duì)比Fig.4 Comparison between theoretical and simulated values of point Q displacement

考慮到裝置對(duì)移運(yùn)單元快速、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)特性要求，擬采用五次多項(xiàng)式法對(duì)移運(yùn)單元進(jìn)行軌跡規(guī)劃。五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃主要考慮末端軌跡的位移、速度及加速度[11]，用含6個(gè)未知數(shù)的五次多項(xiàng)式表達(dá)軌跡，即有：

θ(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5

(9)

五次多項(xiàng)式通過位置、速度、加速度約束，可以保證運(yùn)動(dòng)位移、速度及加速度軌跡連續(xù)、平滑、沖擊小[12]。選用搶接鉆具止回閥裝置的回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)角γ與折疊臂液壓缸液壓桿伸長量l進(jìn)行五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃：

(10)

在折疊臂伸長至井口進(jìn)行搶接鉆具止回閥工作時(shí)，Q點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的位置為(1 245，485，3 400)。由式(8)可以得出，折疊臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ1為0.94 rad，立柱轉(zhuǎn)角γ=1.22 rad。此時(shí)，折疊臂液壓缸伸長長度l為894.94 mm。為保持裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)立柱轉(zhuǎn)角與折疊臂轉(zhuǎn)角初、末速度以及初、末加速度進(jìn)行限制，并作為求解五次多項(xiàng)式系數(shù)的邊界條件，具體如下：立柱初始轉(zhuǎn)角0，立柱終點(diǎn)轉(zhuǎn)角1.22 rad，立柱初始角速度0，立柱終點(diǎn)角速度0，立柱初始角加速度0，立柱終點(diǎn)角加速度0；液壓桿初始伸長量0，液壓桿終點(diǎn)伸長量894.94 mm，液壓桿初始伸長速度0，液壓桿終點(diǎn)伸長速度0，液壓桿初始伸長加速度0，液壓桿終點(diǎn)伸長加速度0。

回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)時(shí)間與折疊臂伸展時(shí)間均為10 s，利用Matlab求解l與γ的五次多項(xiàng)式系數(shù)，所得結(jié)果如表1所示。得到回轉(zhuǎn)支承在關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系下的角位移、角速度與角加速度曲線，以及折疊臂液壓桿在關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系下的位移、速度和加速度曲線，如圖5、圖6所示。

表1 立柱轉(zhuǎn)角與折疊臂轉(zhuǎn)角五次多項(xiàng)式系數(shù)Table1 Quintic polynomial coefficients of prop angle and folding arm angle

圖5 回轉(zhuǎn)支承角位移、角速度與角加速度曲線Fig.5 Angular displacement，angular velocity and angular acceleration curves of swing bearing

從圖5和圖6可以看出：回轉(zhuǎn)支承角位移、角速度與角加速度曲線以及折疊臂液壓桿位移、速度與加速度曲線均平滑、連續(xù)且無尖點(diǎn)與突變點(diǎn)；其中，回轉(zhuǎn)支承最大角速度為0.229 rad/s，最大角加速度為0.070 4 rad/s2；折疊臂液壓桿伸長的最大速度為168 mm/s，最大加速度為51.7 mm/s2。通過五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃，回轉(zhuǎn)支承與折疊臂液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度與加速度變化平緩，運(yùn)動(dòng)過程中無沖擊。

利用ADAMS對(duì)自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置進(jìn)行仿真，添加回轉(zhuǎn)支承的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為0.000 073 2*time**5-0.001 83*time**4+0.012 2*time**3；添加折疊臂液壓缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為0.053 696 7*time**5-1.342 4*time**4+8.949 4*time**3。設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，迭代步數(shù)為1 000步，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置末端Q點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的位移、速度和加速度曲線，如圖7和圖8所示。

圖7 Q點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中位移仿真值與理論值對(duì)比曲線Fig.7 Comparison curves between simulated and theoretical displacement values of point Q in global coordinate system

圖8 Q點(diǎn)在全局坐標(biāo)系的速度與加速度曲線Fig.8 Velocity and acceleration curves of point Q in global coordinate system

由圖7可以看出，Q點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下得到的理論計(jì)算值與仿真分析值基本相符，運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致；Q點(diǎn)最終到達(dá)的位置為(1 244.072，484.450 5，3 399.742)，通過與Q點(diǎn)最終到達(dá)的要求值(1 245，485，3 400)相比，Q點(diǎn)在各方向上的誤差值均小于1 mm，符合自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置的設(shè)計(jì)誤差值。

由圖8可以看出：Q點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的速度與加速度曲線平滑連續(xù)，無突變點(diǎn)，表明自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置末端在運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)行平穩(wěn)；Q點(diǎn)各個(gè)方向的速度特性曲線與加速度特性曲線在裝置到達(dá)指定位置時(shí)均為0，并且速度曲線與加速度曲線在變?yōu)?的過程中均平緩連續(xù)。因此，Q點(diǎn)在接近井口的過程平穩(wěn)無沖擊，為自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置攜帶的鉆具止回閥與井口的準(zhǔn)確對(duì)中提供了保證。

3.3 動(dòng)力學(xué)仿真

自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置受到的井噴流體產(chǎn)生的上頂力是影響其搶接止回閥的主要因素[13]。為了保證裝置搶接工作的平穩(wěn)與可靠，需要對(duì)裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析[14-16]，獲得回轉(zhuǎn)支承的驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線與折疊臂液壓缸的驅(qū)動(dòng)力變化曲線，為執(zhí)行元件的選取與控制提供參考。

為搶接單元施加一個(gè)大小為100 kN、方向沿Y軸正方向的力，按照自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置運(yùn)行軌跡，裝置在第9 s左右會(huì)受到上頂力的作用，且上頂力在搶接鉆具止回閥的過程中持續(xù)存在。因此，設(shè)置上頂力的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP(time，0，0，9，0)+STEP(time，9，0，10，100000)+STEP(time，10，0，12，0)。圖9和圖10分別為回轉(zhuǎn)支承驅(qū)動(dòng)力矩和折疊臂液缸驅(qū)動(dòng)力仿真曲線。

圖9 回轉(zhuǎn)支承驅(qū)動(dòng)力矩Fig.9 Driving moment of swing bearing

圖10 折疊臂液壓缸驅(qū)動(dòng)力Fig.10 Driving force of folding arm hydraulic cylinder

從圖9可以看出：旋轉(zhuǎn)支撐的旋轉(zhuǎn)力矩先緩慢增大，后逐漸減小，裝置加速旋轉(zhuǎn)；在6 s時(shí)，回轉(zhuǎn)支承力矩變?yōu)榉磁ぞ?，此時(shí)裝置進(jìn)入減速旋轉(zhuǎn)階段?；剞D(zhuǎn)支承在整個(gè)工作過程中力矩?zé)o突變、無沖擊，最大旋轉(zhuǎn)力矩為285 N·m。

從圖10可以看出：未施加上頂力時(shí)，折疊臂液壓缸在工作過程中驅(qū)動(dòng)力始終為推力且由0緩慢增大，此時(shí)液壓缸載荷為自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置的自重，液壓缸最大推力為9.34 kN；在施加上頂力后，液壓缸的驅(qū)動(dòng)力由推力迅速變成拉力，最大拉力為79.3 kN，以此維持液壓缸按照規(guī)劃軌跡運(yùn)行。這表明上頂力會(huì)對(duì)液壓桿產(chǎn)生一個(gè)很大的拉力，會(huì)造成液壓桿與缸筒沖擊，造成液壓缸損壞。因此，在裝置后續(xù)優(yōu)化時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施解決該問題。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)發(fā)生井噴事故時(shí)人工搶接鉆具止回閥存在的搶接時(shí)間長、失敗率高等問題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置，其主要由移運(yùn)單元和搶接單元組成，可替代人工實(shí)現(xiàn)自導(dǎo)搶接鉆具止回閥，提高對(duì)中精度、搶接速度與搶接成功率。

(2)對(duì)自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置移運(yùn)單元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到裝置末端Q點(diǎn)在關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)與全局坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及軌跡方程。

(3)利用ADAMS對(duì)自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了移運(yùn)單元運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析的正確性；得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃后的運(yùn)動(dòng)特性曲線以及鉆具止回閥中心軸線底部Q點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，證明自動(dòng)搶接鉆具止回閥裝置可以平穩(wěn)、準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)至指定位置；得到執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)力矩，為裝置執(zhí)行元件的選取與裝置優(yōu)化提供參考。