钻柱自动排放装置运动轨迹及效率分析

毛亚军+陈新龙+许峰

（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024）

摘要：钻柱自动排放装置作为管柱处理系统的关键工具，是实现井口至二层台钻柱（包括钻铤、钻杆）排放及反向运动的重要装置。目前钻柱自动排放装置的类型多种多样，直接导致钻柱从井口至二层台存放区的运动轨迹多种多样，运动的方式及路径的长短直接决定了钻柱自动排放装置的作业效率。文章就目前几种主流的钻柱自动排放装置进行运动轨迹和效率分析。

关键词：钻柱；钻柱自动排放装置；运动轨迹；运动效率

中图分类号：TE922文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）22-0067-02在钻井过程中，管子处理作业主要包括：管件和钻具从存放区至井口的移动、井口建立立根作业、井口至二层台存放区的自动移送及排放等操作。其中钻井作业中普遍需用到的管材、钻具包括各种型号的钻杆、钻铤、立根、套管和隔水导管等。在固定的钻井平台上能安全、快速、高效且作业连贯的完成各类管柱的取用、运移、组装、拆卸、排放等作业，在钻柱的起下钻过程中，其中井口至二层台存放区的自动移送及排放作业的效率尤为重要，而不同的运动形式和轨迹是决定其效率的关键。

1X/Y坐标运动控制效率计算

X/Y坐标运动为典型的直线运动，目前，直线运动可采用的执行机构多种多样，而目采用较多的主要是油缸、齿轮齿条和滑轮三种，各种执行机构的时间和控制精度均不同，表1为满足钻柱自动排放装置0.1～0.2m/s运动速度的基本比较：

表1

执行机构特点 控制

油缸 内置位移传感器，磁式感应，结构简单 最高

齿轮齿条 拉线式位移或计数位移，结构复杂 其次

滑轮 拉线式位移或计数位移，结构简单 一般

以下以常规5000m钻机的二层工作台为列，下为示意图：

距离计算：

从A到B点为最短距离：L1=935+2208=3143mm

从A到C点为最长距离：Ln=2573+3665=6328mm

根据等比数列计算，纵排递增距离为180mm，横排递增距离为177mm，排放数量为90，单边排满钻柱距离

L为：

图1

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

总距离=2*L=838.98m

时间计算：

按照0.15m/s的匀速运动进行计算，直线运动加速度为±0.05m/s2进行计算：

在最短距离L1运动的时间为：加速时间t加+匀速时间t匀+减速时间t减

t加=t减=Va-V0/a=3s

s加=Vot+at2/2=0.225m

t均=s-2s加/v均=18s

t总=t均+2t加=24s

根据等比数列计算，纵排递增距离为180mm，横排递增距离为177mm，排放数量为90，双边排满钻柱时间t为：

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

2极坐标运动控制效率计算

极坐标系是一个二维坐标系统。该坐标系统中的点由一个夹角和一段相对中心点——极点（相当于我们较为熟知的直角坐标系中的原点）的距离来表示。而旋转可采用的执行机构一般来说，均为旋转马达，如旋转的角度一定（比如90°或180°），可采用旋转油缸。这根据不同的极坐标控制方式有所不同，但从运动的轨迹来看，趋于一致，如下图：

图2

距离计算：

最短距离（从A到B点）：L1+A1+L2

最长距离（从A到C点）：L1+A1+L3+L4

根据等比数列计算，A1半径0.65m，纵排递增距离为180mm，横排递增距离为177mm，排放数量为90，单边排满钻柱距离L为：

L=L1+L2+...+Ln=394.29m，

总距离=2*L=788.58m；

时间计算：

按照0.15m/s的匀速运动进行计算，直线运动加速度为±0.05m/s2，角速度ω=0.23rad/s，角加速度α=0.07rad/s^2进行计算，由于直线距离的匀速运动时间不变，变化主要存在于如下：

图3

实际运动中A1段由加速度段、匀速段和减速段

构成：

圆弧段A1段：运动时间t1=3+3+3=9s

直线段2倍R1段：运动时间t2=1.3/0.15=8.6s

所以：半个循环内圆弧及直线运动时间相差0.4s；

在第二排开始的排管过程中，增加了L3直线段，同时存在速度段、匀速段和减速段；按照加速度原理，每次循环需增加约6～12s不等（取平均值9s）；

在把二层工作台排满的过程运动中，排满钻柱时间t为：

t=13346.4-180×2×.4s+160×9=14642s

3结语

从以上的计算分析来看，X/Y轴坐标轨迹运动较极坐标轨迹运动的时间短，理论上，相当于效率高9.7%。

由于X/Y轴坐标轨迹运动的控制轨迹为两段，仅需两套执行机构，而极坐标轨迹运动最长控制轨迹为四段，需四套执行机构，故X/Y轴坐标轨迹运动控制所需要的执行机构也更简单。

但是，由于X/Y轴坐标轨迹运动直线距离较大（4～5m），为保持运动的平稳性，X/Y轴坐标轨迹运动机构较极坐标轨迹运动的机构更加大型，这对于位置空间有限的钻台空间和二层台空间的要求更高。

开发钻机的钻柱自动排放装置，在保证装置的可靠性和安全性的前提下，根据相应的陆地及海洋钻机的特点进行。

参考文献

[1] 唐丽华，王洪英．国外几种典型的新型自动化钻机

[J]．石油机械，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．

作者简介：毛亚军（1982—），男，中石化石油工程机械有限公司第四机械厂工程师，研究方向：钻修机及井口自动化工具的设计。

endprint

（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024）

摘要：钻柱自动排放装置作为管柱处理系统的关键工具，是实现井口至二层台钻柱（包括钻铤、钻杆）排放及反向运动的重要装置。目前钻柱自动排放装置的类型多种多样，直接导致钻柱从井口至二层台存放区的运动轨迹多种多样，运动的方式及路径的长短直接决定了钻柱自动排放装置的作业效率。文章就目前几种主流的钻柱自动排放装置进行运动轨迹和效率分析。

关键词：钻柱；钻柱自动排放装置；运动轨迹；运动效率

中图分类号：TE922文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）22-0067-02在钻井过程中，管子处理作业主要包括：管件和钻具从存放区至井口的移动、井口建立立根作业、井口至二层台存放区的自动移送及排放等操作。其中钻井作业中普遍需用到的管材、钻具包括各种型号的钻杆、钻铤、立根、套管和隔水导管等。在固定的钻井平台上能安全、快速、高效且作业连贯的完成各类管柱的取用、运移、组装、拆卸、排放等作业，在钻柱的起下钻过程中，其中井口至二层台存放区的自动移送及排放作业的效率尤为重要，而不同的运动形式和轨迹是决定其效率的关键。

1X/Y坐标运动控制效率计算

X/Y坐标运动为典型的直线运动，目前，直线运动可采用的执行机构多种多样，而目采用较多的主要是油缸、齿轮齿条和滑轮三种，各种执行机构的时间和控制精度均不同，表1为满足钻柱自动排放装置0.1～0.2m/s运动速度的基本比较：

表1

执行机构特点 控制

油缸 内置位移传感器，磁式感应，结构简单 最高

齿轮齿条 拉线式位移或计数位移，结构复杂 其次

滑轮 拉线式位移或计数位移，结构简单 一般

以下以常规5000m钻机的二层工作台为列，下为示意图：

距离计算：

从A到B点为最短距离：L1=935+2208=3143mm

从A到C点为最长距离：Ln=2573+3665=6328mm

根据等比数列计算，纵排递增距离为180mm，横排递增距离为177mm，排放数量为90，单边排满钻柱距离

L为：

图1

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

总距离=2*L=838.98m

时间计算：

按照0.15m/s的匀速运动进行计算，直线运动加速度为±0.05m/s2进行计算：

在最短距离L1运动的时间为：加速时间t加+匀速时间t匀+减速时间t减

t加=t减=Va-V0/a=3s

s加=Vot+at2/2=0.225m

t均=s-2s加/v均=18s

t总=t均+2t加=24s

根据等比数列计算，纵排递增距离为180mm，横排递增距离为177mm，排放数量为90，双边排满钻柱时间t为：

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

2极坐标运动控制效率计算

极坐标系是一个二维坐标系统。该坐标系统中的点由一个夹角和一段相对中心点——极点（相当于我们较为熟知的直角坐标系中的原点）的距离来表示。而旋转可采用的执行机构一般来说，均为旋转马达，如旋转的角度一定（比如90°或180°），可采用旋转油缸。这根据不同的极坐标控制方式有所不同，但从运动的轨迹来看，趋于一致，如下图：

图2

距离计算：

最短距离（从A到B点）：L1+A1+L2

最长距离（从A到C点）：L1+A1+L3+L4

根据等比数列计算，A1半径0.65m，纵排递增距离为180mm，横排递增距离为177mm，排放数量为90，单边排满钻柱距离L为：

L=L1+L2+...+Ln=394.29m，

总距离=2*L=788.58m；

时间计算：

按照0.15m/s的匀速运动进行计算，直线运动加速度为±0.05m/s2，角速度ω=0.23rad/s，角加速度α=0.07rad/s^2进行计算，由于直线距离的匀速运动时间不变，变化主要存在于如下：

图3

实际运动中A1段由加速度段、匀速段和减速段

构成：

圆弧段A1段：运动时间t1=3+3+3=9s

直线段2倍R1段：运动时间t2=1.3/0.15=8.6s

所以：半个循环内圆弧及直线运动时间相差0.4s；

在第二排开始的排管过程中，增加了L3直线段，同时存在速度段、匀速段和减速段；按照加速度原理，每次循环需增加约6～12s不等（取平均值9s）；

在把二层工作台排满的过程运动中，排满钻柱时间t为：

t=13346.4-180×2×.4s+160×9=14642s

3结语

从以上的计算分析来看，X/Y轴坐标轨迹运动较极坐标轨迹运动的时间短，理论上，相当于效率高9.7%。

由于X/Y轴坐标轨迹运动的控制轨迹为两段，仅需两套执行机构，而极坐标轨迹运动最长控制轨迹为四段，需四套执行机构，故X/Y轴坐标轨迹运动控制所需要的执行机构也更简单。

但是，由于X/Y轴坐标轨迹运动直线距离较大（4～5m），为保持运动的平稳性，X/Y轴坐标轨迹运动机构较极坐标轨迹运动的机构更加大型，这对于位置空间有限的钻台空间和二层台空间的要求更高。

开发钻机的钻柱自动排放装置，在保证装置的可靠性和安全性的前提下，根据相应的陆地及海洋钻机的特点进行。

参考文献

[1] 唐丽华，王洪英．国外几种典型的新型自动化钻机

[J]．石油机械，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．

作者简介：毛亚军（1982—），男，中石化石油工程机械有限公司第四机械厂工程师，研究方向：钻修机及井口自动化工具的设计。

endprint

（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024）

摘要：钻柱自动排放装置作为管柱处理系统的关键工具，是实现井口至二层台钻柱（包括钻铤、钻杆）排放及反向运动的重要装置。目前钻柱自动排放装置的类型多种多样，直接导致钻柱从井口至二层台存放区的运动轨迹多种多样，运动的方式及路径的长短直接决定了钻柱自动排放装置的作业效率。文章就目前几种主流的钻柱自动排放装置进行运动轨迹和效率分析。

关键词：钻柱；钻柱自动排放装置；运动轨迹；运动效率

中图分类号：TE922文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）22-0067-02在钻井过程中，管子处理作业主要包括：管件和钻具从存放区至井口的移动、井口建立立根作业、井口至二层台存放区的自动移送及排放等操作。其中钻井作业中普遍需用到的管材、钻具包括各种型号的钻杆、钻铤、立根、套管和隔水导管等。在固定的钻井平台上能安全、快速、高效且作业连贯的完成各类管柱的取用、运移、组装、拆卸、排放等作业，在钻柱的起下钻过程中，其中井口至二层台存放区的自动移送及排放作业的效率尤为重要，而不同的运动形式和轨迹是决定其效率的关键。

1X/Y坐标运动控制效率计算

X/Y坐标运动为典型的直线运动，目前，直线运动可采用的执行机构多种多样，而目采用较多的主要是油缸、齿轮齿条和滑轮三种，各种执行机构的时间和控制精度均不同，表1为满足钻柱自动排放装置0.1～0.2m/s运动速度的基本比较：

表1

执行机构特点 控制

油缸 内置位移传感器，磁式感应，结构简单 最高

齿轮齿条 拉线式位移或计数位移，结构复杂 其次

滑轮 拉线式位移或计数位移，结构简单 一般

以下以常规5000m钻机的二层工作台为列，下为示意图：

距离计算：

从A到B点为最短距离：L1=935+2208=3143mm

从A到C点为最长距离：Ln=2573+3665=6328mm

根据等比数列计算，纵排递增距离为180mm，横排递增距离为177mm，排放数量为90，单边排满钻柱距离

L为：

图1

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

总距离=2*L=838.98m

时间计算：

按照0.15m/s的匀速运动进行计算，直线运动加速度为±0.05m/s2进行计算：

在最短距离L1运动的时间为：加速时间t加+匀速时间t匀+减速时间t减

t加=t减=Va-V0/a=3s

s加=Vot+at2/2=0.225m

t均=s-2s加/v均=18s

t总=t均+2t加=24s

根据等比数列计算，纵排递增距离为180mm，横排递增距离为177mm，排放数量为90，双边排满钻柱时间t为：

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

2极坐标运动控制效率计算

极坐标系是一个二维坐标系统。该坐标系统中的点由一个夹角和一段相对中心点——极点（相当于我们较为熟知的直角坐标系中的原点）的距离来表示。而旋转可采用的执行机构一般来说，均为旋转马达，如旋转的角度一定（比如90°或180°），可采用旋转油缸。这根据不同的极坐标控制方式有所不同，但从运动的轨迹来看，趋于一致，如下图：

图2

距离计算：

最短距离（从A到B点）：L1+A1+L2

最长距离（从A到C点）：L1+A1+L3+L4

根据等比数列计算，A1半径0.65m，纵排递增距离为180mm，横排递增距离为177mm，排放数量为90，单边排满钻柱距离L为：

L=L1+L2+...+Ln=394.29m，

总距离=2*L=788.58m；

时间计算：

按照0.15m/s的匀速运动进行计算，直线运动加速度为±0.05m/s2，角速度ω=0.23rad/s，角加速度α=0.07rad/s^2进行计算，由于直线距离的匀速运动时间不变，变化主要存在于如下：

图3

实际运动中A1段由加速度段、匀速段和减速段

构成：

圆弧段A1段：运动时间t1=3+3+3=9s

直线段2倍R1段：运动时间t2=1.3/0.15=8.6s

所以：半个循环内圆弧及直线运动时间相差0.4s；

在第二排开始的排管过程中，增加了L3直线段，同时存在速度段、匀速段和减速段；按照加速度原理，每次循环需增加约6～12s不等（取平均值9s）；

在把二层工作台排满的过程运动中，排满钻柱时间t为：

t=13346.4-180×2×.4s+160×9=14642s

3结语

从以上的计算分析来看，X/Y轴坐标轨迹运动较极坐标轨迹运动的时间短，理论上，相当于效率高9.7%。

由于X/Y轴坐标轨迹运动的控制轨迹为两段，仅需两套执行机构，而极坐标轨迹运动最长控制轨迹为四段，需四套执行机构，故X/Y轴坐标轨迹运动控制所需要的执行机构也更简单。

但是，由于X/Y轴坐标轨迹运动直线距离较大（4～5m），为保持运动的平稳性，X/Y轴坐标轨迹运动机构较极坐标轨迹运动的机构更加大型，这对于位置空间有限的钻台空间和二层台空间的要求更高。

开发钻机的钻柱自动排放装置，在保证装置的可靠性和安全性的前提下，根据相应的陆地及海洋钻机的特点进行。

参考文献

[1] 唐丽华，王洪英．国外几种典型的新型自动化钻机

[J]．石油机械，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．

作者简介：毛亚军（1982—），男，中石化石油工程机械有限公司第四机械厂工程师，研究方向：钻修机及井口自动化工具的设计。

endprint