鉆柱自動排放裝置運動軌跡及效率分析

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的關鍵工具，是實現井口至二層臺鉆柱（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，管子處理作業主要包括：管件和鉆具從存放區至井口的移動、井口建立立根作業、井口至二層臺存放區的自動移送及排放等操作。其中鉆井作業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、高效且作業連貫的完成各類管柱的取用、運移、組裝、拆卸、排放等作業，在鉆柱的起下鉆過程中，其中井口至二層臺存放區的自動移送及排放作業的效率尤為重要，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行機構多種多樣，而目采用較多的主要是油缸、齒輪齒條和滑輪三種，各種執行機構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

執行機構特點 控制

油缸 內置位移傳感器，磁式感應，結構簡單 最高

齒輪齒條 拉線式位移或計數位移，結構復雜 其次

滑輪 拉線式位移或計數位移，結構簡單 一般

以下以常規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

根據等比數列計算，縱排遞增距離為180mm，橫排遞增距離為177mm，排放數量為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

根據等比數列計算，縱排遞增距離為180mm，橫排遞增距離為177mm，排放數量為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。該坐標系統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。而旋轉可采用的執行機構一般來說，均為旋轉馬達，如旋轉的角度一定（比如90°或180°），可采用旋轉油缸。這根據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

根據等比數列計算，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：半個循環內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，僅需兩套執行機構，而極坐標軌跡運動最長控制軌跡為四段，需四套執行機構，故X/Y軸坐標軌跡運動控制所需要的執行機構也更簡單。

但是，由于X/Y軸坐標軌跡運動直線距離較大（4～5m），為保持運動的平穩性，X/Y軸坐標軌跡運動機構較極坐標軌跡運動的機構更加大型，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，根據相應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的關鍵工具，是實現井口至二層臺鉆柱（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，管子處理作業主要包括：管件和鉆具從存放區至井口的移動、井口建立立根作業、井口至二層臺存放區的自動移送及排放等操作。其中鉆井作業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、高效且作業連貫的完成各類管柱的取用、運移、組裝、拆卸、排放等作業，在鉆柱的起下鉆過程中，其中井口至二層臺存放區的自動移送及排放作業的效率尤為重要，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行機構多種多樣，而目采用較多的主要是油缸、齒輪齒條和滑輪三種，各種執行機構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

執行機構特點 控制

油缸 內置位移傳感器，磁式感應，結構簡單 最高

齒輪齒條 拉線式位移或計數位移，結構復雜 其次

滑輪 拉線式位移或計數位移，結構簡單 一般

以下以常規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

根據等比數列計算，縱排遞增距離為180mm，橫排遞增距離為177mm，排放數量為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

根據等比數列計算，縱排遞增距離為180mm，橫排遞增距離為177mm，排放數量為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。該坐標系統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。而旋轉可采用的執行機構一般來說，均為旋轉馬達，如旋轉的角度一定（比如90°或180°），可采用旋轉油缸。這根據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

根據等比數列計算，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：半個循環內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，僅需兩套執行機構，而極坐標軌跡運動最長控制軌跡為四段，需四套執行機構，故X/Y軸坐標軌跡運動控制所需要的執行機構也更簡單。

但是，由于X/Y軸坐標軌跡運動直線距離較大（4～5m），為保持運動的平穩性，X/Y軸坐標軌跡運動機構較極坐標軌跡運動的機構更加大型，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，根據相應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的關鍵工具，是實現井口至二層臺鉆柱（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，管子處理作業主要包括：管件和鉆具從存放區至井口的移動、井口建立立根作業、井口至二層臺存放區的自動移送及排放等操作。其中鉆井作業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、高效且作業連貫的完成各類管柱的取用、運移、組裝、拆卸、排放等作業，在鉆柱的起下鉆過程中，其中井口至二層臺存放區的自動移送及排放作業的效率尤為重要，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行機構多種多樣，而目采用較多的主要是油缸、齒輪齒條和滑輪三種，各種執行機構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

執行機構特點 控制

油缸 內置位移傳感器，磁式感應，結構簡單 最高

齒輪齒條 拉線式位移或計數位移，結構復雜 其次

滑輪 拉線式位移或計數位移，結構簡單 一般

以下以常規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

根據等比數列計算，縱排遞增距離為180mm，橫排遞增距離為177mm，排放數量為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

根據等比數列計算，縱排遞增距離為180mm，橫排遞增距離為177mm，排放數量為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。該坐標系統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。而旋轉可采用的執行機構一般來說，均為旋轉馬達，如旋轉的角度一定（比如90°或180°），可采用旋轉油缸。這根據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

根據等比數列計算，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：半個循環內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，僅需兩套執行機構，而極坐標軌跡運動最長控制軌跡為四段，需四套執行機構，故X/Y軸坐標軌跡運動控制所需要的執行機構也更簡單。

但是，由于X/Y軸坐標軌跡運動直線距離較大（4～5m），為保持運動的平穩性，X/Y軸坐標軌跡運動機構較極坐標軌跡運動的機構更加大型，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，根據相應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計。

endprint