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(chǔ)藏的44%位于淺海，中國(guó)近海油氣資源近90%都分布在淺海地區(qū)[1-6]。所以，淺海對(duì)于人類油氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要的實(shí)際意義，更是全球未來(lái)油氣勘探開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略重點(diǎn)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(shí)，各模塊無(wú)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(chǎng)，縮短了搬遷時(shí)間，提高了鉆機(jī)作業(yè)效率，降低了鉆井成本。

筆者通過(guò)對(duì)人工島鉆機(jī)移運(yùn)軌跡進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬計(jì)算分析，優(yōu)化鉆機(jī)移運(yùn)各個(gè)支點(diǎn)的角度及位移，得到最優(yōu)解。

1 鉆機(jī)簡(jiǎn)介

人工島鉆機(jī)主要由主機(jī)模塊、泥漿模塊、動(dòng)力控制模塊、固定模塊組成。除固定模塊外其他三個(gè)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(gè)支撐架和8個(gè)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(shí)需要液壓站提供動(dòng)力，舉升液壓和步進(jìn)液缸動(dòng)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(gè)模塊為平面剛體(如圖4所示)，旋轉(zhuǎn)中心為O點(diǎn)，現(xiàn)在A點(diǎn)給以垂直于OA方向的驅(qū)動(dòng)。

圖4 剛體旋轉(zhuǎn)示意圖

設(shè)OA長(zhǎng)度為R，驅(qū)動(dòng)步長(zhǎng)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(diǎn)在O點(diǎn)(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(dòng)后，A點(diǎn)由A0移動(dòng)到A1，此時(shí)：

xA0=R,yA0=0

xA1=xA0,yA1=yA0+s

轉(zhuǎn)動(dòng)角度為：tanα=s/R[7-9]

移動(dòng)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(diǎn)改變到O1點(diǎn)，以保證結(jié)構(gòu)尺寸不變，此時(shí):

LO1A1=R

O1點(diǎn)坐標(biāo)為：

x01=x0+LOcosα

y01=y0+LOsinα

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

x02=x01+LOcos 2α

y02=y01+LOsin 2α

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

中心點(diǎn)On坐標(biāo)為：

x0n=x0n-1+LOcosnα

y0n=y0n-1+LOsinα

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

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(shí)際結(jié)構(gòu)與單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的情況有所不同，移運(yùn)系統(tǒng)一般布置8個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，先假定兩點(diǎn)對(duì)稱布置于中心點(diǎn)，沿切向驅(qū)動(dòng)。

設(shè)有A、B兩點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，對(duì)稱布置于中心O點(diǎn)，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(diǎn)軌跡圖

移動(dòng)過(guò)程中，A點(diǎn)由A0運(yùn)動(dòng)至A1，B點(diǎn)由B0運(yùn)動(dòng)至B1，此時(shí)LA1B1>2R，但由于A、B點(diǎn)均固定在結(jié)構(gòu)上，旋轉(zhuǎn)中心不會(huì)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(dòng)都要產(chǎn)生伸長(zhǎng)，圖9顯示了旋轉(zhuǎn)180°的情況，當(dāng)s=200，R=1 000 mm時(shí)，總會(huì)長(zhǎng)量為326.6 mm，這將導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

當(dāng)移動(dòng)步長(zhǎng)變小時(shí)，伸長(zhǎng)量變小，圖10、圖11給出了不同步長(zhǎng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。

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

當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)由8個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，這8個(gè)點(diǎn)可以構(gòu)成一平面幾何圖形，為保證結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)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(dòng)前后不發(fā)生變化。

如圖12所示，一個(gè)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(diǎn)必然要在同一個(gè)圓周上，且各點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度相同。

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

對(duì)于各點(diǎn)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(dòng)的進(jìn)行，可以有各種實(shí)施方案，采用比較簡(jiǎn)單的一種，即再加上旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)不運(yùn)動(dòng)的限制。由上節(jié)所述由于限定了中心點(diǎn)不運(yùn)動(dòng)，各驅(qū)動(dòng)點(diǎn)必然要圍繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。

如圖14所示，A1點(diǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)是固連在結(jié)構(gòu)上的，所以結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)的軌跡不是沿直線運(yùn)動(dòng)，而是沿圓弧運(yùn)動(dòng)。例當(dāng)A點(diǎn)由A0到A1時(shí)，不是沿直線，而是沿圓弧。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程，勢(shì)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(lái)補(bǔ)償，否則會(huì)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(jì)算公式為：

圖15 設(shè)備旋轉(zhuǎn)180°A、B、C四點(diǎn)軌跡圖

各驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程與該機(jī)構(gòu)到中心點(diǎn)的距離成正比，當(dāng)行程不與理論值相等時(shí)，只要行程的角度正確，不會(huì)產(chǎn)生橫向偏移(見(jiàn)圖14中C1C1′線段)但若驅(qū)動(dòng)機(jī)械還在工作，會(huì)產(chǎn)生軸向推力，設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)程中不會(huì)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(guò)對(duì)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?qǐng)A弧切線旋轉(zhuǎn)時(shí)中心會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。

(3)移運(yùn)系統(tǒng)按圓弧切線旋轉(zhuǎn)時(shí)，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?qǐng)A弧內(nèi)切線旋轉(zhuǎn)時(shí)，行走機(jī)構(gòu)和支撐架基本無(wú)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(duì)大型裝備移運(yùn)和轉(zhuǎn)場(chǎng)具有一定的參考價(jià)值。