立根自动排放系统轨迹分析及优化算法设计

付广萌

·设计计算·

立根自动排放系统轨迹分析及优化算法设计

付广萌

（胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257917）①

在存取钻井立根过程中需要钻台设备与二层台设备的各个机械臂、马达配合完成。分析其运动轨迹，有些立根盒能否存放依赖于其他立根盒位置的存取情况。分析了钻井立根排放系统的空间运动轨迹；以运行路径最短为目标，设计了一套优化存取立根的算法，实现了立根自动优化排放，并进行了初步验证。

立根；自动排放；轨迹分析；优化算法

钻井立根自动排放系统是适应钻井自动化发展趋势的高技术装备，主要用于钻井立根的二层台排放、辅助起下钻等［1-2］。该系统在国已应用多年，早期主要服务于海洋钻井平台，近年开始应用于陆地钻机。

目前在陆地钻机应用较多的主要是美国NOV（国民油井瓦克）公司和Weatherford（威特福）公司的产品［3］。国内厂家主要针对钻柱自动化处理中某个单元设备开展结构设计和控制系统研究；钻井立根自动排放控制系统以单机自控为主，路径多由操作人员制定，没有自动优化功能，排放效率低下［4］。

1　钻台立根排放系统运动轨迹分析

钻井立根在存取过程中需要钻台设备与二层台设备的各个机械臂、马达配合完成。从运动轨迹的角度来看，有些立根盒能否存放需要依赖于其他立根盒位置的存取情况，即运动轨迹上有重叠的部分。因此分析钻井立根排放系统的空间运动轨迹，以运行路径最短为目标研究一套优化存储、抓取钻柱的算法，实现自动优化排放，是保证设备高效安全运行的关键。

钻台立根排放装置主要有2部分构成，一部分是位于二层台的立根排放装置，包括机械手、手抓、摆动缸、推动缸等装置；另一部分是位于钻台上的钻台排放装置，包括运动小车、机械手、摆动缸等装置。两部分装置配合工作，完成从立根盒取立根或存立根。

以钻杆存放到如图1所示的E位置为例，二层台机械手运动过程为从图1的A位置开始，手爪处于张开状态，待吊卡提起立根升高到适当高度后装置获得启动信号，推动液压缸伸出使手爪水平伸出至井架中心位置，手爪中心与立根中心对齐，手爪液压缸伸出使手爪抱住钻杆。此时，二层台装置保持不动，由钻台排放装置动作操作钻杆，在钻台排放装置作业过程中，二层台排放装置摆动缸、推动液压缸浮动，马达、手爪液压缸锁紧。

图1　二层台设备运动轨迹

如图2所示，钻台立根排放装置机械运动过程为从A位置摆动至B，而后伸至O，抓住立根，回退至B，而后摆动到准备位置E，由E推动到F位置停止。

图2　钻台设备运动轨迹

如图1所示，待钻台立根排放装置动作到位使立根底部对齐立根盒适当位置后，摆动缸、推动液压缸锁紧，推动液压缸收缩沿路径5运动至B，而后摆动缸沿路径6运动至C，此后液压马达沿路径7运动至D，推动液压缸伸出使手爪夹持立根沿路径8运动至E，开立根后沿上述路径8、7、6反向动作回到A位置，完成一个循环过程。其他位置存立根路径和动作流程以此类推。

2　存取路径优化控制算法设计

2．1 优化算法的设计思路

首先根据立根存取运动轨迹的分析，确定出立根盒存放时左右两边各位置的优先级，并根据设备的空间坐标确定各立根存取点的运行参数，即，图1 ～2中A、B、C、D、E、F的空间位置信息。

优化算法以立根排放总体效率最高为优化目标，对立根盒动态存储状况进行路径计算，确定存立根或者取立根的最佳位置，并且根据交叉存取的操作方式进行立根的自动化存取。计算过程考虑立根盒故障、检修的退出和修复后的加入功能。控制算法功能框图如图3所示。

图3　排管优化算法框图

2．2 优化算法的编程实现

通过程序实现路径优化算法的编程思路，首先建立起一个关系表格，表格中存放的是每一个存取位置所对应的设备参数；其次确定存放的位置的顺序优先级，优先级遵守先进后出的堆栈模式。启动存放后根据优先级调取设备参数按照固定的动作过程进行存取操作。另外，建立一个表格记录已经存放立根的位置，并在计算机上显示，可提示下一个应该存放的位置。

建立立根盒之间的约束关系函数，某一位置有钻杆时，哪一些位置不能存放上？如果中间有手动操作并没有按照预定的优先级进行存放，进行计算时，自动将遮挡的位置去除排序。

存放过程程序流程图如图4。

钻井平台二层台排管路径优化算法，能够在自动化生产过程中有效地实现立根排放总体效率最高为优化的目标，能够快速有效地判断出最佳存立根位置以及最佳取立根的位置，通过存取路径规划实现总体立根盒存取立根的均衡以及存取立根路径最优、用时最短，提高设备的运行效率，保证设备的可靠高效运行。

图4　排管优化算法流程

2．3 优化算法的验证

为了验证上述排管优化算法的正确性、合理性，编写了计算机排管算法程序，进行了测试工作，结果通过图5～8的界面进行说明。

图5　验证算法当前立根盒情况界面

图6　验证算法计算下一根立根情况界面

图7　验证算法排满情况界面

图8　验证算法排满报警界面

1） 有故障的排管立根盒当前情况。

如图5所示，立根盒中，已存表明此处存有立根，故障表示此处故障或者检修，设备运行时不能经过该位置，其余位置没有立根。

现场需要检修或者发现某个位置有故障、阻挡等问题时，可以通过故障按钮将该位置设为故障状态，以便从排管算法中将该位置暂时剔除。

现在状态立根盒中存有一定数量的立根，同时由于现场设备问题或者人工操作切换、现场检修等原因，有几个立根盒位置不能存放立根或者存取设备运动时不允许经过该位置，情况如图5所示。

2） 通过计算的下一个排管位置。

点击下一个排管位置，程序通过计算，自动剔出有故障、检修的位置以及被故障检修阻挡的正常存取位置，计算结果如图6所示，可见计算结果正确。

3） 排放完毕后的情况。

如图7所示，立根盒中，未存表明此处没有立根，故障表示此处故障或者检修，设备运行时不能经过该位置，其余位置存有立根。

按照此种状态，一直计算，直到立根盒存满，最终计算结果如图7所示，可见故障位置及因此被阻挡的位置都没有安排排管，其余位置则遵照优化算法依次将立根存入。

4） 立根盒排满后，提示操作者已经排满，不能继续添加。

如图8所示，从上述试验验证可以看出，故障位置及故障阻挡的排放位置在排放中被自动剔出，其余位置按照优化算法的顺序依次存放，验证表明该算法合理有效。

3　结语

目前，该立根自动排放系统正在现场进行试验，立根排放优化算法得到了初步验证。正对该系统进行跟踪监测，将根据返回数据对立根排放优化算法进行完善。

［1］ 何鸿．钻井平台钻杆自动化排放系统方案设计［J］．石油矿场机械，2012，41（9）：82-84．

［2］ 张敬．钻杆自动排放转运和移运系统分析及结构设计［J］．石油矿场机械，2013，42（9）：44-47．

［3］ 刘文庆，崔学政，张富强．钻杆自动排放系统的发展及典型结构［J］．石油矿场机械，2007，36（11）：74-77．

［4］ 杨柏光．钻杆立根排放装置机构设计及结构优化［D］．长春：吉林大学，2012．

Trajectory Analysis and Optimization AlgorithmDesign for Automatic Discharge System of Standpipe

FU Guangmeng
（Shengli Drilling Technology Research Institute of Sinopec，Dongying257917，China）

Standpipe access needs interoperation am ong everymechanical arm andmotor of equipment on drill floor andmonkey board．And fromthe perspective of trajectory，w hether some setback area can be stored depends on the other setback area access situation．In this paper，the spatial trajectory of automatic discharge system of standpipe is analyzed．An algorithmof optimizing standpipe access with the shortest routes as a target were researched and designed to realize automatic optimization of discharge．And itmakes a preliminary validation．

standpipe；automatic discharge；trajectory analysis；optimization algorithm

TE928

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．007

10013482（2015）03003104

①2014-09-01

国家高技术研究发展计划（863计划）“钻柱自动化处理关键技术研究与装备试制”（2012-AA09-A203）

付广萌（1986-），男，山东聊城人，硕士研究生，2011年毕业于陕西科技大学，主要从事石油机械的研发工作。