基于虚拟样机技术的海洋修井动力猫道结构优化

为解决海洋修井动力猫道设备整体工作效率低、自重过大等问题,结合虚拟样机技术,进行海洋修井动力猫道机械结构运动学动力学仿真分析,在仿真基础上利用遗传优化算法,选取各不同组件可进行优化的结构尺寸作为优化变量,分别以最大处理载荷和最快处理速度为目标对海洋修井动力猫道实现结构优化。结果表明:在以最大处理载荷为目标的结构优化中,安全因数均大于1.5的情况下各组件减重12.5%~33.0%;在以最快处理速度为目标的结构优化中,安全因数均大于1.5的情况下各组件减重16.4%~38.0%。虚拟样机技术分析方法可为海洋平台其他设备结构轻量化设计提供参考。

DM3/3.3-J液缸举升式动力猫道设计与试验

为满足小型陆地钻机地面管子堆场与钻台面之间管柱的机械化输送要求,设计了DM3 /3.3-J液缸举升式动力猫道.该猫道采用模块化结构形式,输送臂为细长箱型梁结构,采用高强度钢板组焊;其控制系统采用“远程控制＋本地应急控制” 2 种控制模式,充分考虑了远程控制出现故障后的应急操作.现场试验结果表明：输送臂推移机构、踢出机构、安全防坠落机构及扶正缓冲臂运动合理,满足各种规格管柱的输送要求,猫道带载运行平稳,输送单根总运行用时 50-70s ,在举升过程中按下急停按钮和切断电源,猫道立即停止工作,并保持在当前状态,安全性高,可在ZJ30DB钻机上使用.所得结论可为动力猫道的结构优化提供参考.

含缺陷动力猫道翻板液压缸杆稳定性

针对动力猫道翻板液压缸杆出现失稳的现象,以现场较常见的圆柱缺陷为研究对象,推导了不同截面所对应惯性矩的计算公式;并根据Euler临界力计算公式,得出了含缺陷液压缸杆的临界力计算公式,对影响临界力大小的缺陷参数进行了说明。在上述基础上,建立了含缺陷动力猫道翻板液压缸杆的简化模型。应用有限元法研究了不同圆柱缺陷半径、深度以及缺陷位置对屈曲载荷的影响。相关结果说明:随着缺陷半径、深度的增加,液压缸杆的屈曲载荷显著降低;缺陷位置也是影响液压缸杆屈曲载荷的重要因素,缺陷位置距离液压缸杆底端越近,液压缸杆的屈曲载荷越小。相关结果可为动力猫道上液压缸杆的安全检查、安全维护提供参考,为进一步研究液压缸杆失稳提供一种新的认识。

动力猫道提升过程动力学建模与分析

举升式动力猫道在提升过程中,拉力的变化较大,设计时需要确定提升过程中拉力的变化规律以及所需的最大拉力值.基于此,结合动力猫道提升过程的边界条件,推导了动力猫道提升各阶段的几何方程,应用达朗贝尔原理建立了4个阶段的动力学方程.通过建立的4个阶段的动力学模型,采用C#软件调用Matlab程序求解方程,编写了动力猫道提升动力学的软件.应用该软件分析了所设计动力猫道提升过程中拉力的变化规律,并对其规律进行了分析,相关计算结果表明所设计的动力猫道满足现场使用的要求,为动力猫道的现场使用提供了重要的参考,为动力猫道进一步的优化、性能提升奠定了基础.

适用于中低高度钻台的液压动力猫道系统设计

液压动力猫道一般适用于较高的钻台,而且适用钻台高度固定,调节范围有限;起升方式多为钢丝绳牵引式,稳定性差;需要人力辅助,未实现完全意义上的自动化。鉴于此,设计了一种适用于中低高度钻台的液压动力猫道系统。该系统采用刚性机械结构进行举升,对应不同举升高度,满足中低高度钻台举升要求;对旋转臂结构进行优化,使得系统更加稳定可靠;通过钻具架翻出机构,实现全自动化机械操作运移钻具。试验中,系统的举升液压缸运行平稳,举升高度误差在0.1 m范围内,这表明系统满足KY720钻机钻台高度举升要求,具有较好的应用前景。

自动化钻机管柱输送控制系统的研制

为确保自动化钻机管柱输送系统的稳定性与安全性,提高管柱输送的效率与定位精度,达到管柱无人自动化高效输送的目的,研制了自动化钻机管柱输送控制系统。该系统通过DP数据交互实现动力猫道控制主站与输送机械手控制从站的融合;软件程序采用模块化的设计方法,各模块相互独立;输送机械手主臂采用主臂粗调与主臂精调联动互补方法进行速度控制,实现二者输出特性的互补。现场应用结果表明:自动化钻机管柱输送控制系统硬件运行稳定,有效避免了外部电气故障对控制部分的干扰与破坏;软件各模块间的抗干扰能力强、程序运行良好;管柱输送用时45 s,定位精度高于0.2°,一次输送交接成功率大于95%,实现了管柱无人化高效自动输送。该控制系统各项技术指标均满足现场作业要求,具有广阔的应用前景。

DM4.5/10.5-L1动力猫道的研制

DM 4.5/10.5-L1动力猫道是结合国内外油田钻机实际钻井工况而研制的管柱输送设备。介绍了该动力猫道的主要技术参数、主要部件、关键技术及试验情况等。结合试验情况阐明了该动力猫道结构参数合理、性能先进、布局紧凑、安装、拆卸、维护方便等特点,完全能够满足钻机管柱输送作业的需要,具有广阔的市场应用前景。

全液压自动猫道举升系统控制策略研究

举升系统是动力猫道的核心部分,其连续性和平稳性是影响动力猫道性能的关键因素。液压马达和双作用液压缸共同作用的举升系统是一个双输入单输出耦合非线性系统。钻杆上钻台面时与地面夹角为控制变量,为实现举升过程的连续性,要求其角度稳定在设定角度上钻台面。对举升系统进行速度分析,得到两个输入变量和输出变量的关系式;对速度关系式进行线性化处理,就控制效果和可行性,对控制策略进行比较,并确定马达变速—双作用液压缸变速的控制方式;通过LMS Virtual.Lab Motion和AMESim的联合仿真,分析举升过程的平稳性和受力情况。结果表明:该控制方式是可行的,满足实际要求。

一种拉升式动力猫道控制系统的研制

目前常用的拉升式动力猫道在安全保护和防碰方面还存在问题。为此,根据猫道的运行工况,结合其机械结构和液压系统特性,设计了一种拉升式动力猫道控制系统。该控制系统在硬件上采用对射式安全光栅提高了系统的安全性,使用防"倒绳"装置解决了在手动操作时容易出现"倒绳"和乱绳的问题;软件上通过优化和完善猫道手动、自动控制程序,并开发防碰功能块,有效避免了猫道与其他钻台设备发生碰撞的危险;另外通过设计开发设备操作记录功能块,为操作人员进行故障排查提供了数据支撑。为了验证系统的稳定性和可靠性,利用ф73. 0 mm钻杆、ф127. 0 mm钻杆、ф203. 2 mm钻铤和ф508. 0 mm套管等4种规格管柱进行了多次厂内试验。试验结果表明:猫道运行稳定、可靠,显著提升了作业效率,降低了工人的劳动强度,提高了作业的安全性。该类动力猫道现已广泛应用于国内各大钻探公司,应用效果良好。

动力猫道技术国内外现状和发展趋势

随着机械化自动化技术在石油钻机行业的应用,我国石油钻机制造技术得到了较快的发展,但对钻机外围配套设备的自动化问题研究和投入明显不足。目前我国钻机的钻具排放和上、下钻台的操作还停留在20世纪60~70年代的水平,这与钻机整体技术的发展水平不相适应。介绍了国内外各种动力猫道技术水平和未来的发展趋势,并对我国进行相关研究提出了建议。

基于响应面方法的海洋修井猫道结构优化分析

海洋平台空间及额定承载能力受限,在用动力猫道存在整机质量及体积过大的问题。为此,以某全液压驱动的举升式海洋修井动力猫道为研究对象,借助虚拟样机技术和响应面优化设计方法,根据动力猫道管柱输送的作业特点,进行动力猫道关键结构的尺寸优化设计与分析。分析结果表明:基于动力学仿真获取动力猫道待优化结构的载荷数据,借助AWE模块建立结构响应面模型,并通过优化算法求解,找到该结构尺寸设计变量的最优组合,完成了结构轻量化改进设计的目标;响应面法得到的海洋修井动力猫道结构尺寸优化设计方案与原始方案相比,各优化结构质量减轻了12.5%33.0%,同时安全系数大于2.5。所得结论可为海洋平台动力猫道的结构优化和性能提升提供理论依据。

动力猫道推送机构同步技术研究

钻柱自动化处理系统是提高钻机自动化水平和钻井作业效率的重要装备。以钻柱自动化处理系统中动力猫道在现场试验过程中出现的推送机构不同步问题进行研究,分析了推送机构的液压系统及不同步的原因,并建立了4种工况的仿真模型。得出了液压管路布置和载荷偏载是影响2只液压缸不同步的主要因素。以同步效果较差的工况进行分析,运用批处理分析,选出了对于现场应用比较合理的参数。为动力猫道的现场应用、技术优化、性能提升提供参考。

动力猫道装置的研制与应用

根据石油钻井行业对于工人劳动强度安全性、自动化等方面的实际需求,胜利石油工程公司钻井工艺研究院研制了系列化动力猫道装置。该装置采用钢丝绳提升式的驱动方案,主要由底座、输送架、坡道、支撑臂四部分组成,实现管柱在地面排管架与钻台面之间的自动化往返输送。通过2年的现场配套及应用表明,动力猫道的各项性能指标达到了设计要求,现场应用状况良好,市场前景广阔。

自动管具举升系统的研制及应用

为有效解决钻井现场管具上钻台和甩钻作业中存在的工人劳动强度大、危险系数高以及作业效率低等问题,研发了自动管具举升系统。该系统通过采用调节式钻井管具排放架、倾斜机构、管具推出机构、四连杆滑块机构和推送小车等,实现了钻井管具在地面与钻台面之间的自动、安全、高效举升与甩钻自动化智能操作。采用遥控技术及PLC逻辑控制技术,以PLC为核心,主控制器辅以软件程序的数字控制系统,操作模式分为无线遥控和有线控制2种,作业时,操作人员在离猫道有一定安全距离的地方操控整个系统,避免了管具举升过程中由于管具意外滑落伤人事故的发生,满足钻井设备HSE的要求。现场应用结果表明,该系统技术先进、结构合理、自动化程度及工作效率高;可显著减轻现场工人的劳动强度,实现管具处理的无人化作业,安全性好。该系统的研制为钻井现场提供了一种自动化程度高且安全高效的作业设备。

猫道机踢出装置同步问题的探讨

针对调试试验出现的踢出装置不同步问题,从原理和工况两个方面分析原因,建立压力损失数学模型并进行计算,通过对比评估影响因素的影响程度;分析并提出管路等长、增大管径、加装分流集流阀等三种解决方案;运用AMESim软件仿真与数值分析两种方法对比分析不同方案的同步效果并进行了实验验证。结果表明加装分流阀是解决踢出装置同步问题有效途径之一,AMESim能用于液压系统性能分析,且方便快捷、可靠性高。

DM13.7/4.5型动力猫道研制与应用

在整个钻井过程中,管柱输送效率严重制约石油钻井效率及成本,尤其在超深井更为明显。依据陆地石油钻机向超深井、自动化、智能化发展实际需求,研制了9 000m超深井石油钻机用DM13.7/4.5型动力猫道。该装置采用电控液技术方案,主要由基座、支撑臂、运移臂、坡道等组成,通过检测系统、速度控制系统、安全保护系统实现了管柱从井场的管子堆场与钻台之间一键式自动输送作业。通过现场试验,该装置输送139.7mm(5(1/2)英寸)管柱循环周期为80~100s,可承运4.5t的钻铤及609.6mm(24英寸)套管,运行平稳,降低了人工作业强度,提高了管柱输送效率,提高了作业安全性,有效提升了钻井作业的自动化、智能化水平。

动力猫道装置的研制

结合页岩气地理环境和钻井的特点,文中研制了动力猫道装置。基于电液控制技术,该装置利用液压绞车、液压油缸等部件实现模块钻机管材的上下钻台的机械化、自动化的操作。现场应用表明,使用动力猫道装置降低了钻井作业人员的劳动强度,提高了钻井管材上下钻台的效率,提高了钻井作业的自动化、机械化水平。

基于PLC的动力猫道控制系统设计

为了解决动力猫道存在的安全防护和控制系统运行不稳定等问题,研发了一种以西门子S7-200 SMART PLC作为主控制器的控制系统。在硬件上使用接近式传感器和安全栅提高控制系统的安全性,使用滤波器提高信号的强度。采用Modbus-RTU协议实现PLC模块与便携式控制器之间的通信,CPU作为主站,无线接收器作为从站。为了验证控制系统的性能,使用不同型号的钻杆、钻铤和套管进行反复测试。试验结果表明:动力猫道运行稳定,安全可靠,且单程运行时间小于60 s,工作效率显著提高。

陆地钻机电控动力猫道的液压系统设计

目前的动力猫道设计以全液压驱动为主,现场实践中存在较多问题。提出一种电控动力猫道的设计方案,其将主要动力系统交给电气驱动系统完成,以液压系统辅助动力猫道实现上下钻。完成了对该液压系统控制回路的设计、执行元件的设计计算、液压站元件的选型计算。该设计简化了动力猫道的液压系统,缩小了液压站体积,降低了液压油用量,使动力猫道更便于拆装、运输;运行更加灵活、可靠,能够在夏季高温、冬季低温的环境下稳定运行。

基于PLC的高效动力猫道控制系统研制

介绍了钢丝绳牵引式动力猫道目前发展状况及需求,提出了基于PLC的高效动力猫道控制系统设计方案。基于西门子S7-1500PLC的控制系统,分别分析了整个系统的系统框图、电气元器件的硬件选型、硬件结构的组成部分,以及每部分在控制中的功能作用。并着重分析了动力猫道的软件设计、组成,在程序中对上钻具、下钻具的过程中运移臂速度进行处理,使之能进行线性调节,以减少运移臂在运行过程中对坡道及基座的冲击。经现场验证,此控制系统各项指标均满足油田现场作业要求,具有广阔的市场应用前景。