二层台钻杆自动排放装置运动控制建模与仿真

钻井的八大件：天车，大钩、游车、井架、泥浆泵、水龙头、绞车、转盘钻井作业的八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机等。

钻井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。

降，水动力设备。

钻机的动力设备有柴油机、交流电机、直流电机，我们在钻井现场观察到的是柴油机动力。

起升系统、循环系统和旋转系统是钻机的三大工作机组，用来提供动力，它们协调工作即可完成钻井作业，为了向这些工作机组提供动力，钻机需要配备动力设备。

柴油机适应于在没有电网的偏远地区打井，交流电机依赖于工业电网或者是需要柴油机发出交流电，直流电机需要柴油机带动直流发电机发出直流电，目前更常用的情况是柴油机带动交流发电机发出交流电，再经可控硅整流，将交流电变成直流电。

传动系统。

传动系统将动力设备提供的力和运动进行变换，然后传递和分配给各工作机组，以满足各工作机组对动力的不同需求。

传动系统一般包括减速机构、变速机构、正倒车机构等。

由柴油机直接驱动的钻井多采用统一驱动的形式，传动系统相对复杂，由交直流电动机驱动的钻机多采用各机组单独或分组驱动的形式，传动系统得到了很大的简化。

控制系统。

为了保证钻机的三大工作机组协调的工作，以满足钻井工艺的要求，钻机配备有控制系统。

控制方式有机械控制、气控制、电控制和液压控制等。

钻井现场钻机上用的控制方式是集中气控制。

司钻通过钻机上司钻控制台可以完成几乎所有的钻机控制：如总离合器的离合；各动力机的并车；绞车、转盘和钻井泵的起、停；绞车的高低速控制等。

第51卷 第03期 机械 Vol.51 No.03 2024年3月 MACHINERY March 2024钻井自动化设备大型二层台性能评估许爱荣，何攀攀，王超（西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065）摘要：二层台系统是钻机自动化设备不可或缺的一部分，其实际工作状态和使用寿命受风向、风速、机械手位置等因素的影响。

为了保证二层台系统运行的安全稳定，通过API标准确定设计载荷，使用ANSYS Workbench对二层台不同工况下的力学与工作性能进行研究。

研究结果表明：在考虑的所有工况中，二层台最大位移均发生在猴道前端面，应力较大的位置主要出现在二层台连接耳及猴道附近二层台框架竖杆上。

其中，在风速16.5 m/s环境作用下，二层台最大应力工况为BW1aX，其值238.91 MPa是NYX工况的1.4倍。

因此，在进行二层台系统设计时应加固连接耳和框架竖杆，使其安全平稳运行，为二层台系统研制提供理论指导。

关键词：二层台；载荷工况；有限元分析；性能评估中图分类号：TE923 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.03.006 文章编号：1006-0316 (2024) 03-0038-07Performance Evaluation of the Large Monkey Board Drilling Automation EquipmentXU Airong，HE Panpan，WANG Chao( Mechanical Engineering College, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China )Abstract：The monkey board system is an indispensable part of the automation equipment of drilling rig. Its actual working status and service life are affected by wind direction, wind speed, manipulator position and other factors. In order to ensure the safe and stable operation of the monkey board system, the design load is determined according to API standards, and ANSYS Workbench is used to study the mechanics and performance of the monkey board system under different working conditions. The results show that under all the conditions considered, the maximum displacement of the monkey board system occurs on the front end of the monkey path, and the position with greater stress mainly occurs at the connecting ear of the two-storey platform and the vertical bar of the two-storey platform frame near the monkey path. Among them, under the wind speed of 16.5 m/s, the maximum stress condition of the two-storey platform is BW1aX, and its value is 238.91 MPa, which is 1.4 times that of NYX. Therefore, it is necessary to strengthen the connecting lug and the frame vertical rod in the design of the monkey board system to ensure its safe and stable operation, and provide theoretical guidance for the development of the monkey board system.Key words：the monkey board；load condition；finite element analysis；performance evaluation高效开发深层超深层油气资源是当前的热点问题。

《起下钻作业井架工二层台操作规程》1、操作前检查与准备1）佩戴好安全带，将登梯助力器绳钩、安全带尾钩与井架防坠落绳抓缆器(止跌扣)连接好后再上井架。

2）高空作业必须系保险带，保险带尾绳要固定牢靠。

保险带应定期进行拉力试验，不准戴安全帽上井架操作。

3）上井架检查保养期间所用工具必须系尾绳并拴梆牢靠，严禁检查时下部站人。

工具用完后，严禁存放在井架上。

4）检查井架梯子、栏杆、指梁、操作台和二层平台的固定牢靠，登梯助力器固定连接安全可靠。

5）检查井架防坠落绳，钢丝绳直径10--13毫米无锈蚀、不打结、无断丝，不锈钢抓缆器(止跌扣)完好无损、灵活好用。

6）检查天车固定牢靠、挡绳器齐全、润滑良好，天车台上起重架固定牢靠；游动系统部件应齐全牢固、灵活可靠，游车钢丝绳死绳端与天车底梁无接触、钢丝绳完好无损。

7）检查二层台立柱排放架、钻铤卡板不变形，固定牢靠；风动绞车固定牢靠，护罩齐全完好，钢丝绳直径7.5毫米无锈蚀、不打结、无断丝、排列整齐、保养润滑良好、刹车可靠、气路畅通。

8）检查二层台逃生装置安全可靠，逃生钢丝绳直径12.7毫米无锈蚀、不打结、无断丝，两端栓挂牢固，下端有缓冲垫。

9）二层台工具一律用保险尾绳在井架上固定牢固。

各种绳索是齐全完好，固定牢靠，10）夜间操作时，照明设备符合要求。

11）配备有两个不同高度的二层平台的井架，若需同时使用，则必须按上述同时检查合格后方可操作。

2、下钻操作1）所有下井钻具一定按技术员要求的顺序入井，不得随意更换立柱下入顺序。

游车到达指梁前，应先把下井的立柱用钻杆钩拉出靠在指梁上，绕好小兜绳固定。

兜绳留出适当的长度，将活绳端固定在U型卡上卡好（留适当长度是便于扣吊卡）。

2）看游车上升，防止大绳进指梁、游车撞指梁和碰操作台。

严禁用手扶钢丝绳，吊卡过指梁，及时发出停车信号，提醒刹把操作者，防止碰天车。

吊卡过指梁到位停止后松开小兜绳，拉立柱出指梁；。

3）停车后吊卡至合适位置，利用游车摆动惯性迅速使立柱进入吊卡内，右手握吊卡活门手柄猛扣吊卡活门。

其他岗位课堂作业题 2钻井作业题一、选择题1、关井操作由（ D ）统一指挥，防止误操作。

A、队长B、工程师C、值班干部D、司钻2、关井后需要放喷泄压时，要通过（ A ）放喷降压A、节流管汇、放喷管线B、压井管汇C、打开防喷器D、打开钻具内空间3、对于（ A ）溢流来说，更要强调及时发现溢流并迅速关井的重要性。

A、气体B、液体C、液气混合D、油水4、在常温下水的密度是天然气密度的（ D ）倍以上。

A、100B、500C、800D、10005、天然气与空气混合浓度达到（ D ）（体积比）时，遇到火源会发生爆炸。

A、0.5%～1.7%B、1%～8%C、3%～11.8%D、5%～15%6、关井情况下，套管压力上升的快慢反映了__B___的快慢。

A、地层压力增大B、环空中气柱上升C、环空中油上升D、环空中水上升7、井口返出的钻井液量大于泵入量，停泵后井口钻井液自动外溢，这种现象称为__B___。

A、井侵B、溢流C、井喷D、井漏8、钻井液下限压力要保持与__A___相平衡，既不污染油气层，又能提高钻速，实现压力控制。

A、地层压力B、地层破裂压力C、地层漏失压力D、地层坍塌压力9、防喷演习遵循“以司钻为中心，班自为战，从实战出发”的原则，泥浆工发现溢流后立即向__D___报告。

A、队长B、书记C、监理D当班司钻10、在钻井现场，一般情况下是以__D___确定关井极限套压为最多。

A、井口装置额定工作压力B、套管最小抗内压强度80%C、套管抗外挤强度80%D、地层破裂压力11、地层压力是指__B___。

A、基体岩石的重力B、作用于地层流体上的的压力C、上覆岩层压力D、单位面积所受到的压力12、溢流关井后，钻具内液柱压力与地层压力之差值是__A___。

A、关井立压B、关井套压C、溢流量D、初始立压13、井内钻井液被气侵后，井内钻井液密度__C___。

A、全井均相等B、自下而上逐渐增大C、自下而上逐渐降低D、自上而下逐渐降低14、按照《塔里木油田钻井井控实施细则》规定，从安装防喷器开钻之日起钻井队泥浆工开始坐岗，录井队联机员从录井施工之日起开始坐岗；钻进中每___B__分钟监测一次钻井液液面，发现异常情况加密监测。

井控模拟装置中自动送钻的仿真设计的开题报告一、选题背景井控模拟装置是油气钻探行业中一种重要的实验设备，该设备用于模拟井下钻井作业流程，验证各项钻探技术和装备的可行性。

其中，自动送钻技术是钻井作业中较为重要的一项技术，它可以减轻操作员的工作负担、提高钻井效率，因此在井控模拟装置中的应用也越来越广泛。

针对当前市场上存在的一些手动操作送钻的设备存在着一定的安全隐患和效率不高的问题，本文将针对井控模拟装置中的自动送钻技术进行仿真设计，提高设备的操作效率和安全性。

二、选题意义随着油气行业的不断发展，一些新型技术和设备不断涌现。

自动送钻技术作为油气行业的一种新型技术，可以极大地提高井下作业的安全性和效率。

通过仿真模拟井下钻井作业流程，验证自动送钻技术的可靠性和稳定性，对设备的优化升级具有很高的实用价值和推广意义。

三、研究内容1. 对井控模拟装置中自动送钻技术的基本原理进行研究，并掌握其工作流程；2. 借助Matlab等仿真软件，对自动送钻的控制策略进行建模；3. 通过仿真实验，验证自动送钻策略的可行性和优化效果；4. 通过对比手动操作送钻和自动送钻两种技术的优缺点，评价自动送钻技术的应用价值和推广前景。

四、预期成果1. 控制策略的仿真模型和控制原理图；2. 针对自动送钻技术的实验验证结果；3. 对比手动操作送钻和自动送钻的效率和安全性；4. 论文报告，以及相关技术手册和操作说明书。

五、研究方法本研究主要采用理论研究和仿真模拟结合的方式进行。

其中，针对自动送钻技术的工作原理，从理论上进行分析研究，并结合井控模拟装置的实际情况进行仿真模拟实验，验证其可行性和优化效果。

研究过程中，还将对手动操作送钻技术的优缺点进行分析，对比两种技术的效率和安全性，并得出相关结论。

六、进度安排第一阶段：研究井控模拟装置中自动送钻技术的基本原理，以及理论模型的建立和控制策略的模拟实验设计。

预计1个月时间。

第二阶段：通过仿真实验，验证自动送钻策略的可行性和优化效果，并对比手动操作送钻和自动送钻的效率和安全性。

钻井的八大件：天车，大钩、游车、井架、泥浆泵、水龙头、绞车、转盘钻井作业的八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。

在正常钻进时，通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升，下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。

在正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。

旋转系统是转盘钻机的典型系统，其作用是驱动钻具旋转以破碎岩层，旋转系统包括转盘、水龙头、钻具。

在钻井现场我们观察到的钻具包括：方钻杆、钻杆、钻铤和钻头，此外还有扶正器以及配合接头等。

其中钻头是直接破碎岩石的工具，有刮刀钻头，牙轮钻头、金刚石钻头等类型。

钻铤的重量和壁厚都很大，用来向钻头施加钻压，的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。

动力设备。

钻机的动力设备有柴油机、交流电机、直流电机，我们在钻井现场观察到的是柴油机动力。

起升系统、循环系统和旋转系统是钻机的三大工作机组，用来提供动力，它们协调工作即可完成钻井作业，为了向这些工作机组提供动力，钻机需要配备动力设备。

柴油机适应于在没有电网的偏远地区打井，交流电机依赖于工业电网或者是需要柴油机发出交流电，直流电机需要柴油机带动直流发电机发出直流电，目前更常用的情况是柴油机带动交流发电机发出交流电，再经可控硅整流，将交流电变成直流电。

传动系统。

传动系统将动力设备提供的力和运动进行变换，然后供钻井操作场所。

井架用来安装天车、悬挂游车、大钩、水龙头和钻具，承受钻井工作载荷，排放立根；底座用来安装动力机组、绞车、转盘、支撑井架，借助转盘悬持钻具，提供转盘和地面之间的高度空间，以安装必要的防喷器和便于泥浆循环。

辅助设备。

为了保证钻井的安全和正常进行，钻机还包括其他的辅助设备，如防止井喷的防喷器组，为钻井提供照明和辅助用电的发电机组，提供压缩空气的空气压缩设备以及供水、供油设备等。

二层台安全自动取排管系统优化升级技术研究是国外在21世纪发展起来的一项前沿钻井技术，是21世纪钻井技术的主要发展方向。

二层台安全自动取排管系统优化升级技术研究就是指通过自动化装备，对二层台管柱进行取、排作业，使用计算机获取数据并进行解释和发出指令，最后由自动化设备去执行，实现二层台无人操作的自动化控制系统。

1 技术目标针对现有二层台取排管技术存在的问题，研制一套稳定、可靠的钻机二层台管柱安全自动取排管系统，最大限度地保障现场二层台管柱取排管作业的安全、可靠，减轻井架工的劳动强度，实现最终的本质安全。

基本参数二层台工作高度（二层台面至钻台面） 24.5m、25.5m、26.5m；二层台容量：5 1/2 钻杆：408 柱，11628（28.5m/柱）9 1/2 钻铤：14 柱，399m（28.5m/柱）PRS工作角度： ±90°；PRS最大处理半径：3100mm；PRS处理管具规格： 钻杆：31/2’-51/2’ 钻铤：≤9 1/2'额定系统压力：18MPa；额定流量：30L/min气控系统压力： 0.7MPa 总重：11.5t2 技术内容（1）全自动钻机二层台管柱安全取排管系统设计与研究；全自动排管系统主要配备在较新含有顶驱的钻机上，可实现二层台无人工取排管作业，设备单元涉及顶驱、液压吊卡、二层台管柱自动取排管装置及钻台机械手等单元组件。

司钻在司钻房内通过远程控制系统即可完成取排管作业。

二层台管具排放系统，替代原有二层台装置，对二层台作业进行自动化控制和处理。

（2）半自动钻机二层台管柱安全取排管系统设计与研究；半自动排管系统主要配备在未有顶驱的钻机上，涉及常规吊卡、二层台管柱自动取排管装置及钻台机械手等单元组件，在作业施工时需由井架工开启吊卡，再通过安全取排管装置进行排管作业。

井架工开启吊卡后，司钻通过远程操作系统完成作业，无需人工排放管柱。

本地与远程控制与全自动排管系统相同。

操作程序钻井施工工序多、现场条件复杂，实际作业中涉及的 HSE 风险各有不同。

为使岗位操作标准化、规范化，实现 HSE 管理目标，规定一般性操作程序和工作指南。

本操作程序规定了钻井主要作业岗位的操作及岗位之间配合的安全要求。

1 钻台操作1.1 起空游车操作控制系统手柄，挂低速档，目视井口，间歇进气，待空吊卡起过井口钻具接头，绞车滚筒钢丝绳排列整齐后，换为高速档。

监视游车上行，近二层台时，放气一次，视滚筒上大绳的排列位置，摘掉高速档。

当井架工发出信号时，刹车。

1.2 放空游车操作控制系统手柄，目视监视器下行，距井口 3~4m 时减速，慢放吊卡至转盘，刹车。

1.3 起钻具立柱及其它管柱操作控制系统手柄挂低速档，目视井口，挂好吊卡，缓慢上提游车。

待大钩弹簧拉紧，上提钻具，目视指重表，余光看井口。

待立柱下单根接头出转盘面，降油门，摘离合器，刹车。

扣好井口吊卡或卡瓦，缓慢下放钻具坐于吊卡或卡瓦上。

1.4 下放钻具立柱操作控制系统手柄，挂低速档，上提钻具 0.20m，摘低速挡，刹车。

井口人员将吊卡 ( 卡瓦 ) 移开后，目视指重表，余光看井口，下放钻具，吊卡距转盘面约 5m 处减速，平稳坐吊卡 (卡瓦) 于转盘面上。

1.5 提立柱出钻杆盒井架工扣好吊卡，发出起车信号后，操作控制系统手柄挂低速档，间歇进气，提立柱至井口钻具上端面 0.20m ，刹车。

1.6 提立柱入钻杆盒将立柱提离钻具内螺纹接头约 0.20m，在内、外钳工配合下，缓慢下放立柱入钻杆盒，排列整齐，井架工开吊卡后，慢放游车过指梁。

1.7 挂水龙头操作控制系统手柄，目视大钩。

在内、外钳工配合下，上提大钩挂水龙头。

1.8 卸方钻杆入鼠洞卸扣完，将方钻杆提离井口，在内、外钳工配合下，放入鼠洞，打开大钩后，慢放吊环至井口。

1.9 钻进操作控制系统手柄，目视钻井仪表及滚筒、井口，按规定参数均匀送钻。

1.10 接单根钻进全方入划眼后，上提钻具，发出停泵信号，内、外钳工配合坐好井口吊卡，内钳工操作液气大钳卸扣，提方钻杆至鼠洞单根，自动上扣后提出至井口，对正上紧扣后，提起 0.20m ，移开井口吊卡。