自動搶接鉆具止回閥裝置運動學仿真研究*

劉先明 李晨杰 彭長江 卿 玉 胡光輝 管 鋒 杭 崢

(1.長江大學機械工程學院 2.中石化江漢石油工程有限公司裝備管理部 3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井控應急救援響應中心)

0 引 言

井噴失控會使油氣資源受到嚴重破壞，造成人員傷亡，設備毀壞，自然環(huán)境受到污染等嚴重后果[1-2]。鉆井作業(yè)中，井噴事故時有發(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)，但當閥芯啟閉不到位時，閥芯與閥座之間的密封面便會在鉆井液的沖蝕下加速失效，造成井噴事故。對于由內(nèi)防噴器失效引起的井噴事故[3]，第一時間關井、及時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)有相關單位對搶接鉆具止回閥的自動化裝置進行了研究，如中國石油大學(華東)設計的鉆井作業(yè)井噴搶險裝置在遠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轉盤處，工作環(huán)境惡劣，對中性差[4]。川慶鉆探鉆采工藝技術研究院2008年研制的失控井搶接鉆具止回閥機械手裝置實現(xiàn)了對止回閥的夾持、運移與安裝，但在井噴搶接過程中需要現(xiàn)場工作人員操作止回閥對準鉆具輔助完成防噴作業(yè)。其2018年研制的自動搶接鉆具止回閥裝置能夠實現(xiàn)自動化搶接鉆具止回閥[5]，但由于采用多級伸縮臂機構，導致裝置在運行過程中存在撓度大、運行不平穩(wěn)且運動時間長等問題，所以利用仿真軟件對井口自動化裝置進行運動學分析已經(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對浮式平臺抓管機吊爪的擺動進行仿真分析，得到吊爪擺動的主要因素是啟?？炻c操作人員熟練度；2018年安艷竹[7]利用ADAMS對舉升式液壓動力貓道系統(tǒng)進行運動學分析，得到系統(tǒng)的運動學特性曲線，驗證了貓道系統(tǒng)模型設計的正確性。

本文設計了一種能夠實現(xiàn)自動化搶接鉆具止回閥的裝置。裝置采用折疊臂機構，節(jié)省鉆臺空間并提高裝置運行穩(wěn)定性。為保證裝置運行平穩(wěn)、可靠，本文對自動搶接鉆具止回閥裝置進行運動學分析與軌跡規(guī)劃，并利用ADAMS進行仿真計算。所得結果可為裝置的現(xiàn)場應用和進一步優(yōu)化提供參考。

1 自動搶接鉆具止回閥裝置

1.1 裝置結構

自動搶接鉆具止回閥裝置主要包括移運單元與搶接單元，見圖1。移運單元是裝置的主要運動機構，負責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中及搶接鉆具止回閥等工作。該裝置通過立柱固定在鉆臺平面，通過回轉支承帶動整個裝置進行旋轉動作；折疊臂采用平行四邊形連桿機構以節(jié)省鉆臺空間，依靠液壓缸實現(xiàn)伸展與收縮動作，確保搶接單元攜帶的鉆具止回閥在平穩(wěn)運行過程中始終保持豎直狀態(tài)，提高其與鉆桿的對中精度。

1—立柱；2—回轉支承；3—折疊臂液壓缸；4—折疊臂；5—主鉗；6—備鉗；7—移運單元；8—搶接單元。圖1 自動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，自動搶接鉆具止回閥裝置收縮折疊臂，旋轉至不影響鉆臺正常工作的位置。當鉆井出現(xiàn)井噴時，該裝置可通過遠程遙控一鍵啟動并自動運行，移運單元將搶接單元及其攜帶的鉆具止回閥運送至井口，備鉗夾緊鉆桿完成鉆桿接頭與鉆具止回閥的對中，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。自動搶接鉆具止回閥裝置節(jié)省搶接時間，提高搶接成功率，避免人員傷亡。

1.3 主要技術參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗及鉆臺空間位置要求，設計的自動搶接鉆具止回閥裝置主要技術參數(shù)如下：完成搶接過程的總時間≤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；旋扣鉗距鉆臺面工作高度>0.4 m。

2 移運單元的運動學分析

為了使自動搶接鉆具止回閥裝置的移運單元在工作過程中滿足位移精度要求、運行速度要求及運行穩(wěn)定性要求，需要對移運單元進行運動學分析。根據(jù)物理模型的幾何特點，建立移運單元的機構簡圖[8-9]，獲取鉆具止回閥的運動軌跡、運行速度以及執(zhí)行機構的位移參數(shù)。

自動搶接鉆具止回閥裝置移運單元的機構簡圖如圖2所示。液壓缸驅動的折疊臂機構為平面連桿機構，鉆具止回閥運動軌跡在折疊臂關節(jié)空間坐標系下為平面軌跡；回轉支承帶動裝置整體旋轉，鉆具止回閥運動軌跡在全局坐標系下為空間軌跡。為方便分析鉆具止回閥的運動，本文先在折疊臂機構關節(jié)空間坐標系下建立鉆具止回閥中心軸線底部位置Q點的運動學方程，再通過坐標變換的方式建立Q點在全局坐標系下的運動學方程。

圖2 自動搶接鉆具止回閥裝置移運單元機構簡圖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點建立全局坐標系，以O、A點分別建立回轉支承與折疊臂機構的關節(jié)空間坐標系，以Q點建立局部坐標系，上述坐標系的Z軸均垂直紙面向外。在折疊臂關節(jié)空間坐標系中，以連桿AF與X軸的夾角θ為自變量，建立Q點的軌跡方程和折疊臂液壓缸的末端M點的軌跡方程。

Q點與M點的位置為：

(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°。

由全局坐標系變換到局部坐標系O的位姿變換矩陣為：

(3)

由局部坐標系O變換到局部坐標系A的位姿變換矩陣為：

(4)

由局部坐標系A變換到局部坐標系Q的位姿變換矩陣為：

(5)

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

(6)

聯(lián)立式(1)和式(6)得到Q點在全局坐標系下的位置方程：

(7)

將Q點的位置方程對時間t進行微分，得到Q點在X、Y、Z方向的速度：

(8)

3 運動仿真分析

3.1 ADAMS虛擬樣機建立

為了提高裝置虛擬樣機的仿真效率與操作簡便性，對搶接單元與立柱進行模型簡化，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)建好的三維模型導入ADAMS中，設置重力方向沿Y軸的負半軸，重力加速度的大小為9.81 m/s2；裝置中各零件材料均為45號鋼，密度為7.89×103kg/m3；在自動搶接鉆具止回閥裝置有相對運動的位置添加相應運動副。

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

3.2 運動學仿真分析

圖4 Q點位移理論值與仿真值對比Fig.4 Comparison between theoretical and simulated values of point Q displacement

考慮到裝置對移運單元快速、穩(wěn)定的運動特性要求，擬采用五次多項式法對移運單元進行軌跡規(guī)劃。五次多項式軌跡規(guī)劃主要考慮末端軌跡的位移、速度及加速度[11]，用含6個未知數(shù)的五次多項式表達軌跡，即有：

θ(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5

(9)

五次多項式通過位置、速度、加速度約束，可以保證運動位移、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支承轉角γ與折疊臂液壓缸液壓桿伸長量l進行五次多項式軌跡規(guī)劃：

(10)

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

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

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

圖5 回轉支承角位移、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)且無尖點與突變點；其中，回轉支承最大角速度為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。通過五次多項式軌跡規(guī)劃，回轉支承與折疊臂液壓缸運動平穩(wěn)，速度與加速度變化平緩，運動過程中無沖擊。

利用ADAMS對自動搶接鉆具止回閥裝置進行仿真，添加回轉支承的驅動函數(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動函數(shù)為0.053 696 7*time**5-1.342 4*time**4+8.949 4*time**3。設置仿真時間為10 s，迭代步數(shù)為1 000步，進行仿真計算，得到自動搶接鉆具止回閥裝置末端Q點在全局坐標系下的位移、速度和加速度曲線，如圖7和圖8所示。

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

圖8 Q點在全局坐標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點在全局坐標系下得到的理論計算值與仿真分析值基本相符，運動軌跡基本一致；Q點最終到達的位置為(1 244.072，484.450 5，3 399.742)，通過與Q點最終到達的要求值(1 245，485，3 400)相比，Q點在各方向上的誤差值均小于1 mm，符合自動搶接鉆具止回閥裝置的設計誤差值。

由圖8可以看出：Q點在全局坐標系下的速度與加速度曲線平滑連續(xù)，無突變點，表明自動搶接鉆具止回閥裝置末端在運動過程中運行平穩(wěn)；Q點各個方向的速度特性曲線與加速度特性曲線在裝置到達指定位置時均為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點在接近井口的過程平穩(wěn)無沖擊，為自動搶接鉆具止回閥裝置攜帶的鉆具止回閥與井口的準確對中提供了保證。

3.3 動力學仿真

自動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，需要對裝置進行動力學仿真分析[14-16]，獲得回轉支承的驅動力矩變化曲線與折疊臂液壓缸的驅動力變化曲線，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大小為100 kN、方向沿Y軸正方向的力，按照自動搶接鉆具止回閥裝置運行軌跡，裝置在第9 s左右會受到上頂力的作用，且上頂力在搶接鉆具止回閥的過程中持續(xù)存在。因此，設置上頂力的驅動函數(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分別為回轉支承驅動力矩和折疊臂液缸驅動力仿真曲線。

圖9 回轉支承驅動力矩Fig.9 Driving moment of swing bearing

圖10 折疊臂液壓缸驅動力Fig.10 Driving force of folding arm hydraulic cylinder

從圖9可以看出：旋轉支撐的旋轉力矩先緩慢增大，后逐漸減小，裝置加速旋轉；在6 s時，回轉支承力矩變?yōu)榉磁ぞ兀藭r裝置進入減速旋轉階段?；剞D支承在整個工作過程中力矩無突變、無沖擊，最大旋轉力矩為285 N·m。

從圖10可以看出：未施加上頂力時，折疊臂液壓缸在工作過程中驅動力始終為推力且由0緩慢增大，此時液壓缸載荷為自動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，液壓缸的驅動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)劃軌跡運行。這表明上頂力會對液壓桿產(chǎn)生一個很大的拉力，會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)化時應采取相應措施解決該問題。

4 結 論

(1)針對發(fā)生井噴事故時人工搶接鉆具止回閥存在的搶接時間長、失敗率高等問題，設計了一種自動搶接鉆具止回閥裝置，其主要由移運單元和搶接單元組成，可替代人工實現(xiàn)自導搶接鉆具止回閥，提高對中精度、搶接速度與搶接成功率。

(2)對自動搶接鉆具止回閥裝置移運單元進行運動學分析，得到裝置末端Q點在關節(jié)空間坐標與全局坐標系下的運動學模型及軌跡方程。

(3)利用ADAMS對自動搶接鉆具止回閥裝置進行運動學與動力學仿真，驗證了移運單元運動學理論分析的正確性；得到執(zhí)行機構通過五次多項式軌跡規(guī)劃后的運動特性曲線以及鉆具止回閥中心軸線底部Q點的運動特性曲線，證明自動搶接鉆具止回閥裝置可以平穩(wěn)、準確地運動至指定位置；得到執(zhí)行元件的驅動力與驅動力矩，為裝置執(zhí)行元件的選取與裝置優(yōu)化提供參考。