葛乐通1，石 浦1，孙俊林1，刘志刚2
（1.常州大学 机械工程学院，江苏 常州 213016；2.江苏如石机械有限公司，江苏 南通 226400）
摘 要：针对国内外陆地钻井平台周边大功耗的输送方式，提出一种新型、高效便捷的提推式平台中部钻杆输送方案，主要对新方案中的上输钻杆机构进行研究。以ZJ70DB钻机为例，首先运用SolidWorks建立平台中部钻杆输送机的设备模型，通过MATLAB计算并验证上输机构中提升装置与推送装置的速度关系，确立提升与推送的动力输送方案；其次在ADAMS中模拟上输机构钻杆输送过程，并对提升装置和推送装置进行受力分析，根据分析结果优化上输机构中竖直猫道的倾角，解决钻杆输送过程中由惯性力引起的冲击振动问题。
关键词：陆地钻井；钻杆输送；倾角优化；冲击振动
现代陆地石油钻井作业需要具有一定自动化程度的设备，来现钻杆在钻井平台与地面排杆架之间的往返运输，即上、下输送钻杆的操作，目的是解决传统固定猫道效率低、安全性差和劳动强度大等问题[1-2]。对于钻杆的输送工作都是在钻井平台周边进行，常用的输送设备主要有举升式动力猫道机和机械手臂，可举升式猫道机工作时需要将自身很重的举升梁一同起降，功耗非常大[3]，而机械手臂的控制与驱动系统很复杂，成本也很高[4]。对比钻井平台周边输送方式和国内外设备的工作特点，设想在平台中部开一个输送口，输送口位置尽量靠近鼠洞便于操作，由此提出适合在平台中部输送钻杆的新方案，并以平台下方中空部分为尺寸依据设计钻杆输送装备。
2.1 钻杆输送机总体结构
以ZJ70DB钻机10.5m高陆地钻井平台为例进行设计[5]，SolidWorks模型，如图1所示。平台中部钻杆输送机主要由翻杆机构、上输机构和下输机构组成，翻杆机构包括翻杆基座和翻架，上输机构包括提升装置、推送装置和内直道猫道，下输机构包括固定猫道和接杆装置。
图1 平台中部输送机结构模型
Fig.1 Model of Pipe Transporting Conveyor
2.2 钻杆输送机工作原理
钻杆输送机主要工作流程为：上输钻杆时，翻杆机构将钻杆从排杆架翻送至基座，经由推杆小车推至上输机构中的内直道水平猫道，同时提升架沿竖直猫道动作，共同将钻杆穿送至靠近鼠洞的平台中部输送口；下输钻杆时，钻杆沿固定猫道下杆，由接杆小车运至翻杆基座上，再由翻架将钻杆返送至排杆架上。
以下内容主要是针对上输钻杆机构的研究，其难点主要为动力装置速度关系的确立，即在两个匀速的动力同时驱动下，将钻杆安全地从平台输送口穿出；另外通过分析钻杆的运动情况与关键动力装置的受力情况，对上输机构进行优化。
3.1 上输机构及其工作方式
上输机构由提升装置、推送装置和内直道猫道组成，如图2所示。其中，提升装置包括提升卷扬机、滑轮组、提升架；推送装置包括前拉卷扬机和推杆小车；内直道猫道包括水平猫道和竖直猫道（主要起支撑和导向作用）。
图2 上输机构模型
Fig.2 Model of Pipe Transporting Mechanism
为了达到便捷、高效的目的，减少变频控制等工作，设定两个卷扬机都匀速转动，即提升架与推杆小车的运动皆为匀速，并作为以下研究的依据和条件。
上输机构钻杆穿送过程分为两个阶段：第一阶段，提升架与推杆小车同时动作，当推杆小车沿水平猫道将钻杆推至提升架上时，提升卷扬机启动；第二阶段，当提升架达到行程顶端时停止，推杆小车继续推送钻杆，直至将钻杆穿出平台输送口上方左右。
3.2 钻杆穿送方案提速与推速的关系计算
完成钻杆的输送工作，首先要保证钻杆的输送安全，即输送过程中不得脱落，不能与机构本身发生接触或碰撞。利用以上两点，找出钻杆的临界位置，以此为依据得出提升架速度与推杆小车速度关系的临界条件，在两者均为匀速的前提下，解出其速度关系。经过对上输机构初步的尺寸分析，钻杆的接触、碰撞和脱落等安全隐患的发生处于第一阶段，上输机构运动简图，如图3所示。钻杆输送过程中可能到达的临界位置，如图4所示。图4中①表示钻杆与卷扬机组发生接触或碰撞的临界位置，②表示钻杆与钻井平台发生碰撞的临界位置，③表示钻杆从竖直导轨脱落的临界位置。另外，接触或碰撞以钻杆总长计算，脱落以钻杆安全长度计算。通过多次运用相似三角形原理进行计算，并得到如下条件：
式中：vⅠ—推杆小车推行速度；
vⅡ—提升架提升速度；
t—推杆小车运行时间；
H¯—提升架最大行程高度，7.5m；
H—竖直猫道高度，亦为钻井平台下方净空高度，8m；
L¯—钻杆安全长度10m；
L—钻杆长度，10.5m；
S—推杆小车最大行程，10m；
a=1.2m；b=0.875m；c=0.65m。
为研究提升架与推杆小车速度关系，现定义速比k=vⅡ/vⅠ，要求钻杆与机构不发生接触或碰撞，则由临界位置①解得：k＞0.8，由临界位置②可解得：k＞1.68，基于①②结果，由③可解出钻杆安全输送条件：1.68＜k＜2.22；综上计算保留两位有效数字取 1.68＜k＜2.22。
图3 上输机构简图
Fig.3 Schematic Diagram of Transporting Mechanism
图4 钻杆临界位置
Fig.4 Critical Position of the Drill Pipe
3.3 MATLAB下轨迹验证各速比的输送安全性
钻杆在输送过程中是否发生碰撞和脱落等问题主要通过钻杆顶端A（x，y）点判别，现用MATLAB研究A点在两个阶段的轨迹[6]，来验证钻杆在速比k值下的输送安全性。如图3建立坐标系，A点初始位置为（-0.5，0），A点在tgt;0时两个阶段的轨迹方程如下：
式中：vⅠ—推杆小车推行速度；
vⅡ—提升架提升速度；
t—推杆小车运行时间；
H¯—提升架最大行程高度，7.5m；
H—竖直猫道高度，；
S—推杆小车最大行程；
L¯—钻杆安全长度，10m；
L—钻杆长度，10.5m；
现设定 vⅠ=0.2m/s，vⅡ=kvⅠ，分别取 k=1.7、1.9、2.2，如图 5 所示。从图5中可以看出，A点轨迹没有与各边界相交，第一阶段中，速比k值越大，钻杆顶端A点的轨迹越偏向右边，而第二阶段的图线是在同一轨迹上。
图5 K值下A点轨迹
Fig.5 Trajectories of A Based on K Value
通过分析x与y的表达式可得出，vⅠ取定值，第一阶段在0lt;t≤H¯/vⅡ时，k 越大，x 越大，单调递增，则图线右移；第二阶段过程中，vⅡ=0，x、y与k无关，轨迹趋势相同。因此可以得出，A点轨迹在区间端点k=1.7，2.2没有与边界相交，则在的k整个区间值上也不会与边界相交。
综上所述，钻杆在速比区间［1.7，2.2］内不会发生碰撞或脱落，上输过程是安全的。
4.1 ADAMS动力学仿真分析
以上从提升架和推杆小车的速度方面确立了上输动力方案，在此基础上考虑钻杆和上输机构的质量与材料属性，将上输机构SolidWorks模型图导入ADAMS进行动力学仿真[7]。其中钻杆重量约为，365kg取速比，k=2，vⅠ=0.14m/s，计入水平猫道与推杆小车、竖直猫道与提升架之间的机械摩擦进行受力分析[8]。
上输机构中提升架和推杆小车的受力变化图，如图6所示。一条图线表示推杆小车受力情况，呈上升趋势，随着钻杆由水平逐渐向竖直状态运动，推杆小车承受钻杆的重力越来越大，从1850N逐渐接近钻杆的重力；另一条图线表示提升架受力情况，呈下降趋势，提升架的受力情况与推杆小车受力情况相反，由初始的1960N逐渐降至260N，最终提升架处于扶持工作状态。
但是在t=33s时，即在第一阶段转向第二阶段的时刻，提升架和推杆小车的受力曲线有明显的振荡，其中提升架受力约有600N的突变，这表明钻杆在输送过程中存在不稳定因素，长期工作对设备产生较大的磨损和冲击，甚至会发生输送安全问题。
在考虑卷扬机启动加速和停止减速过程的前提下，对机构模型作结构分析，确定提升架和推杆小车中期受力不稳发生突变的原因为：钻杆在提升架与推杆小车同时运行下速度相对较大，而提升架在t=33s时停止，钻杆突然减速，受到惯性力冲击引起受力不均。提升架与推杆小车的行程分别7.5m、10m，速比k＞1，vⅠ=0.14m/s，则提升架必定先停止。钻杆质心的速度变化曲线，可以看出钻杆速度在t=33s处出现了波动，如图7所示。
图6 提升架和推杆小车受力变化曲线
Fig.6 Force Curves of Lifting and Pushing Devices
图7 钻杆质心速度变化曲线
Fig.7 Velocity Curves of Drill Pipe Barycenter
4.2 模型结构优化
现根据以上问题对机构模型作出优化，思路如下：以竖直猫道的倾角α为优化目标[9]，以提升架与推杆小车的速度比值k′为优化依据，通过改变α的大小，避免出现两个运行阶段，即要使提升架和推杆小车运行时间相同，进而可得提升架与推杆小车的行程比即为其速比k′。
图8 上输机构优化示意图
Fig.8 Schematic Diagram of Optimized Transporting Mechanism
由图8可得出如下优化条件：
式中：k′—优化模型中提升架与推杆小车速度比值；S′—推杆小车最大行程；L′—提升架最大行程；H—竖直猫道高度，亦为钻井平台下方净空高度，8m；L¯—钻杆安全长度，；α—竖直猫道的倾角。
在图8建立的坐标系中求得点坐标：
式中：vⅠ—推杆小车推行速度；
vⅡ—提升架提升速度；
t—推杆小车运行时间；
S′—推杆小车最大行程；
L′—提升架最大行程；
L¯—钻杆安全长度，8m；
L—钻杆长度，10m。
按照3.2节中思想，添加防止碰撞（1）（2）和防止脱落（3）的条件：
（1）当x=-1.2应有关系0.65lt;ylt;8
（2）当 8lt;ylt;9.5，应有关系 L′cosα-1lt;xlt;L′cosα
（3）x≥vⅡtcosα，y≥vⅡtsinα
由于上述表达式比较复杂，借助MATLAB得到初步估算结果 45°lt;αlt;70°，由式（1）估算出优化模型速比 1.20lt;k′lt;5.66。在此基础上，采用区间二分法[10]，如3.3节在MATLAB中对A点的坐标值进行作图验证，最终将满足条件的α，k′的范围近似确定为48°lt;αlt;62°，则与之相对应的速比范围为 1.6lt;k′lt;3.9。
通过以上研究分析与机构优化可得出结论：（1）钻井平台中部提推式穿送方案可应用于10.5m高陆地钻井平台钻具的输送工作，主要可输送10.5m长的钻杆和套管；（2）钻井平台中部钻杆输送机上输机构工作过程中，提升架与推杆小车在第一阶段同时匀速运行，且其速比在区间［1.7，2.2］内，钻杆不会与设备发生接触、碰撞和脱落等问题；（3）合理改变竖直猫道的倾角，可以使钻杆输送过程更为平稳。在倾角满足48°lt;αlt;62°时，提升架与推杆小车的受力变化均匀，能够避免钻杆在输送过程中因速度不均或惯性力引起的冲击振动问题，保证输送安全，减轻对设备与钻杆的损害。
4.3 优化结果
取 vⅠ=0.14m/s，α=70°在ADAMS 中进行钻杆输送仿真实验，提升架和推杆小车受力变化曲线，如图9所示。钻杆质心速度变化曲线，如图10所示。随着钻杆顶端A点相对于提升架先左移后右移，提升架受力先增大后减小，推杆小车的受力则先减小后增大；钻杆质心也由接近匀速状态转变为减速状态。与原有结构相比，优化模型中输送仿真得出的图线较为光滑平稳，没有出现明显波动和振荡的现象，受力和速度变化均匀，可以认为此次结构优化解决了惯性力引起的冲击振动问题，此结构模型下的钻杆输送情况稳定且安全。
图9 优化模型提升架和推杆小车受力曲线
Fig.9 Force Curves of Optimized Lifting and Pushing Devices
图10 优化模型钻杆质心速度变化曲线
Fig.10 Optimized Velocity Curves of Drill Pipe Barycenter
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Study on the Project and Mechanism of Land Drill Pipe Transporting Conveyor in the Middle of Drilling Platform
GE Le-tong1，SHI Pu1，SUN Jun-lin1，LIU Zhi-gang2
（1.School of Mechanical Engineering Changzhou University，Jiangsu Changzhou 213016，China；2.Jiangsu Rushi Machinery Co.，Ltd，Jiangsu Nantong 226400，China）
Abstract：Aiming at the high-power transportation mode around the land drilling platform at domestic and international work now，so a new efficient and convenient project was proposed firstly in lifting-pushing way in the middle of platform，and this article mainly studied pipe transporting mechanism of the conveying equipment.Taking ZJ70DB drilling machine as an example，the equipment models were established in SolidWorks，the speed relation between the lifting device and the pushing device was calculated and verified through MATLAB，with impetus plans between the two devices done.Then a transporting simulation was conducted in ADAMS to draw a stress analysis on the power units.According to the results of analysis，an optimization was given to the vertical guide on angle in transporting mechanism，with the problems of vibration caused by inertia during transporting process solved.
Key Words：Land Drilling；Drilling Pipe Transportation；Inclination Angle Optimization；Impacted Vibration
中图分类号：TH16；TH122
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）11-0165-04
来稿日期：2017-05-13
基金项目：2015年江苏省企业创新与成果转化资金（BA2015128）
作者简介：葛乐通，（1953-），男，硕士研究生，教授，主要研究方向：机电新产品设计，石油井口设备开发
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