360°鉆機(jī)移運(yùn)軌跡模擬計算分析*

成 斌，王炳宇，孫 軍，王麗君，齊明俠

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)

0 引 言

目前全球發(fā)現(xiàn)的海洋巨型油田儲藏的44%位于淺海，中國近海油氣資源近90%都分布在淺海地區(qū)[1-6]。所以，淺海對于人類油氣勘探開發(fā)具有重要的實際意義，更是全球未來油氣勘探開發(fā)的戰(zhàn)略重點之一。人工島鉆機(jī)是在淺海油藏區(qū)建立的人工島上進(jìn)行油氣鉆采作業(yè)的大型鉆采設(shè)備。人工島鉆機(jī)配備360°鉆機(jī)移運(yùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有任意方向移運(yùn)和360°旋轉(zhuǎn)功能，該系統(tǒng)在人工島鉆機(jī)搬家時，各模塊無需拆卸即可在叢式井井間快速移運(yùn)及兩排井之間的轉(zhuǎn)場，縮短了搬遷時間，提高了鉆機(jī)作業(yè)效率，降低了鉆井成本。

筆者通過對人工島鉆機(jī)移運(yùn)軌跡進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬計算分析，優(yōu)化鉆機(jī)移運(yùn)各個支點的角度及位移，得到最優(yōu)解。

1 鉆機(jī)簡介

人工島鉆機(jī)主要由主機(jī)模塊、泥漿模塊、動力控制模塊、固定模塊組成。除固定模塊外其他三個模塊都帶有360°移運(yùn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 人工島鉆機(jī)總體布局圖

其中鉆機(jī)主機(jī)模塊由2個支撐架和8個行走機(jī)構(gòu)組成，支撐架和行走機(jī)構(gòu)按照上裝設(shè)備的尺寸和載荷分布進(jìn)行布置，人工島鉆機(jī)移運(yùn)行走機(jī)構(gòu)布置行走機(jī)構(gòu)如圖2、3所示。

圖2 主機(jī)模塊行走機(jī)構(gòu)布置圖

圖3 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

360°鉆機(jī)移運(yùn)系統(tǒng)在進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)時需要液壓站提供動力，舉升液壓和步進(jìn)液缸動作，刻度盤調(diào)整精確角度，完成鉆機(jī)的360°旋轉(zhuǎn)。

2 模擬分析

假定人工島鉆機(jī)各個模塊為平面剛體(如圖4所示)，旋轉(zhuǎn)中心為O點，現(xiàn)在A點給以垂直于OA方向的驅(qū)動。

圖4 剛體旋轉(zhuǎn)示意圖

設(shè)OA長度為R，驅(qū)動步長為s。為討論方便，建立坐標(biāo)系oxy，使OA平行于x軸，坐標(biāo)原點在O點(如圖5所示)。

圖5 剛體旋轉(zhuǎn)偏差示意圖

第一次旋轉(zhuǎn)移動后，A點由A0移動到A1，此時：

xA0=R,yA0=0

xA1=xA0,yA1=yA0+s

轉(zhuǎn)動角度為：tanα=s/R[7-9]

移動結(jié)束后，LOA1=L1發(fā)生了變化，變化量為：

因此，需要將旋轉(zhuǎn)中心由O點改變到O1點，以保證結(jié)構(gòu)尺寸不變，此時:

LO1A1=R

O1點坐標(biāo)為：

x01=x0+LOcosα

y01=y0+LOsinα

此后，進(jìn)行第二次移動，A1點將沿O1A1的垂直方向移動s距離至A2點。

x02=x01+LOcos 2α

y02=y01+LOsin 2α

據(jù)以上討論，旋轉(zhuǎn)中心將移動到O2點。重復(fù)以上過程至旋轉(zhuǎn)結(jié)束。

中心點On坐標(biāo)為：

x0n=x0n-1+LOcosnα

y0n=y0n-1+LOsinα

圖6為設(shè)備轉(zhuǎn)動180°的運(yùn)動軌跡，此時中心點有一定量的偏移。圖7給出了旋轉(zhuǎn)360°的運(yùn)動軌跡，此時中心點又回到了原點。

圖6 設(shè)備旋轉(zhuǎn)180°中心軌跡示意圖 圖7 設(shè)備旋轉(zhuǎn)360°中心軌跡示意圖

移運(yùn)系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)與單點驅(qū)動的情況有所不同，移運(yùn)系統(tǒng)一般布置8個驅(qū)動裝置，先假定兩點對稱布置于中心點，沿切向驅(qū)動。

設(shè)有A、B兩點驅(qū)動，對稱布置于中心O點，建立坐標(biāo)系如圖8所示。

圖8 設(shè)備旋轉(zhuǎn)360°中心軌跡示意圖 圖9 設(shè)備旋轉(zhuǎn)180°A、B兩點軌跡圖

移動過程中，A點由A0運(yùn)動至A1，B點由B0運(yùn)動至B1，此時LA1B1>2R，但由于A、B點均固定在結(jié)構(gòu)上，旋轉(zhuǎn)中心不會發(fā)生變化，所產(chǎn)生的位移只能軸間隙補(bǔ)償機(jī)構(gòu)消化。

此后，每次轉(zhuǎn)動都要產(chǎn)生伸長，圖9顯示了旋轉(zhuǎn)180°的情況，當(dāng)s=200，R=1 000 mm時，總會長量為326.6 mm，這將導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)運(yùn)動無法繼續(xù)進(jìn)行。

當(dāng)移動步長變小時，伸長量變小，圖10、圖11給出了不同步長時的運(yùn)動情況。

圖10 設(shè)備旋轉(zhuǎn)180°A、B兩點軌跡圖 圖11 設(shè)備旋轉(zhuǎn)180°A、B兩點軌跡圖

當(dāng)一個結(jié)構(gòu)由8個驅(qū)動裝置時，這8個點可以構(gòu)成一平面幾何圖形，為保證結(jié)構(gòu)在運(yùn)動前后不發(fā)生內(nèi)部變形，需要提出該平面幾何圖形在運(yùn)動前后不發(fā)生變化。

如圖12所示，一個矩形ACBD，旋轉(zhuǎn)角度α后，其形狀不能發(fā)生任何變化。如提出旋轉(zhuǎn)中心也不變化的要求，則各點必然要在同一個圓周上，且各點旋轉(zhuǎn)角度相同。

圖12 設(shè)備旋轉(zhuǎn)180°A、B、C、D四點軌跡圖 圖13 設(shè)備旋轉(zhuǎn)180°A、B、C三點軌跡圖

對于各點距旋轉(zhuǎn)中心距離不等情況，該條件仍然有效。圖13為三角形情況。

為保證步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的進(jìn)行，可以有各種實施方案，采用比較簡單的一種，即再加上旋轉(zhuǎn)中心點不運(yùn)動的限制。由上節(jié)所述由于限定了中心點不運(yùn)動，各驅(qū)動點必然要圍繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。

如圖14所示，A1點必須在圓周上，因此A0A1不再與OA0垂直。其旋轉(zhuǎn)半角為：

圖14 A0-A1軌跡圖

由于各驅(qū)動機(jī)構(gòu)是固連在結(jié)構(gòu)上的，所以結(jié)構(gòu)在實際運(yùn)動時，各點的軌跡不是沿直線運(yùn)動，而是沿圓弧運(yùn)動。例當(dāng)A點由A0到A1時，不是沿直線，而是沿圓弧。在運(yùn)動過程，勢必要產(chǎn)生橫向偏移，該偏移要靠機(jī)械間隙補(bǔ)償機(jī)構(gòu)來補(bǔ)償，否則會產(chǎn)生額外的內(nèi)力，造成設(shè)備的損壞。其橫向偏移與結(jié)構(gòu)尺寸和步進(jìn)行程有關(guān)。計算公式為：

圖15 設(shè)備旋轉(zhuǎn)180°A、B、C四點軌跡圖

各驅(qū)動機(jī)構(gòu)的行程與該機(jī)構(gòu)到中心點的距離成正比，當(dāng)行程不與理論值相等時，只要行程的角度正確，不會產(chǎn)生橫向偏移(見圖14中C1C1′線段)但若驅(qū)動機(jī)械還在工作，會產(chǎn)生軸向推力，設(shè)計時也必須考慮。

圖16、17分別是兩種參數(shù)的模擬軌跡圖，供參考。合理調(diào)整行走機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度，如表1所列。

表1 行走機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度

圖16 設(shè)備旋轉(zhuǎn)軌跡圖 圖17 設(shè)備旋轉(zhuǎn)軌跡圖

根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度模擬的設(shè)備軌跡偏移如圖18所示，設(shè)備旋轉(zhuǎn)過程中不會產(chǎn)生較大橫向偏移，產(chǎn)生的橫向偏移能夠由行走機(jī)構(gòu)內(nèi)部間隙補(bǔ)償。

圖18 設(shè)備旋轉(zhuǎn)偏移軌跡圖

主機(jī)模塊各行走機(jī)構(gòu)偏移如表2所列。

表2 行走機(jī)構(gòu)旋偏移量 /mm

3 結(jié) 論

通過對鉆機(jī)主機(jī)移運(yùn)軌跡分析得出以下結(jié)論：

(1)人工島360°鉆機(jī)移運(yùn)系統(tǒng)具有快速移運(yùn)旋轉(zhuǎn)功能，滿足叢式井鉆井要求。

(2)移運(yùn)系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)按照圓弧切線旋轉(zhuǎn)時中心會產(chǎn)生一定的偏差。

(3)移運(yùn)系統(tǒng)按圓弧切線旋轉(zhuǎn)時，行走機(jī)構(gòu)與支撐架產(chǎn)生偏移，偏移量與行走補(bǔ)償成正比。

(4)行走機(jī)構(gòu)按照圓弧內(nèi)切線旋轉(zhuǎn)時，行走機(jī)構(gòu)和支撐架基本無偏移。

(5)人工島360°鉆機(jī)移運(yùn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)應(yīng)按圓弧內(nèi)切線旋轉(zhuǎn)。

(6)該研究成果對大型裝備移運(yùn)和轉(zhuǎn)場具有一定的參考價值。