石油鉆機立根自動連接系統(tǒng)中鉆桿水平運移裝置的設計

余焱群 ，牛文杰 ，閆成新，尹曉麗，張慶慶

YU Yan-qun,NIU Wen-jie,YAN Cheng-xin,YIN Xiao-li,ZHANG Qing-qing

（中國石油大學(華東) 機電工程學院，東營 257061）

0 引言

頂部驅(qū)動鉆井是20世紀80年代發(fā)展起來的一項新技術(shù)，頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)以立根（3根）為單元進行鉆進，極大地提高了鉆井效率。但鉆井開始之前，必須先將單根接成立根，然后才能利用頂驅(qū)進行鉆進[1,2]。本課題組設計了一套適用于頂驅(qū)鉆機的立根自動連接系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用行程開關(guān)定位，通過一系列的液壓動作，可實現(xiàn)鉆桿上下鉆井平臺、接成立根和拆成單根、運移鉆桿堆場過程自動化，極大地減輕了井場工人勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。使用該鉆桿自動移運系統(tǒng)，可以使總鉆井時間減少25%，鉆井成本減少30%[3]。在立根自動連接系統(tǒng)中鉆桿從堆場移近鉆井平臺是后續(xù)鉆桿運移的基礎。

1 立根自動連接系統(tǒng)

立根自動連接系統(tǒng)主要包括4個部分：1）單根鉆桿水平移運裝置；2）單根鉆桿垂直提升裝置；3）單根-立根接卸裝置；4）立根垂直提升裝置等組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

單根鉆桿在撥管機構(gòu)的作用下由鉆桿堆場排放架進入立根自動連接系統(tǒng)，單根在地面水平運移裝置中移近鉆井平臺進入垂直提升系統(tǒng)，交給單根垂直提升夾具手，夾具手上提鉆桿至單根-立根接卸裝置接成立根，由立根提升裝置交給鉆臺二層臺井加工。

圖1 立根自動連接系統(tǒng)簡圖

2 水平運移裝置

地面水平運移系統(tǒng)主要完成鉆桿上、下鉆桿排放架，以及實現(xiàn)在水平導軌中鉆桿移近鉆臺和遠離鉆臺行程10 m的往復運動。水平運移系統(tǒng)分成上鉆桿和卸鉆桿兩種工序和工位，上鉆桿時首先從排放架上取下鉆桿，然后在鉆桿移運小車地推動下向鉆臺移近10 m，進入垂直提升架，交給鉆桿垂直提升夾具手；卸鉆桿時垂直提升夾具手將鉆桿端部放置在鉆桿移運小車上，然后在液壓絞車的帶動下牽引鉆桿遠離鉆臺10 m，再上鉆桿排放架。

水平運移裝置主要由：1）鉆桿移運小車；2）液壓絞車；3）水平導軌；4）行程定位機構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)和安裝示意圖如圖2所示。

圖2 水平運移裝置結(jié)構(gòu)和安裝示意圖

2.1 鉆桿移運小車

鉆桿堆場距離鉆井平臺約20m，上鉆桿時首先需要將鉆桿移近鉆井平臺，卸鉆桿時需要將鉆桿移離鉆井平臺，此過程由鉆桿運移小車來實現(xiàn)。鉆桿運移小車在水平架軌道上往復運行，小車動力由液壓絞車提供，換向由行程開關(guān)控制，整個過程自動化。

鉆桿運移小車主要由：1）小車主體部件；2）翻轉(zhuǎn)部件；3）扭簧；4）扭簧軸；5）小車軸；6）小車輪子等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆桿運移小車結(jié)構(gòu)圖

圖4 小車軸結(jié)構(gòu)受力圖

2.1.1 小車軸設計計算

小車軸由軸頸壓蓋安裝在小車主體部件上，通過軸承與小車輪子相連。小車軸受力主要有鉆桿移運小車自身重力，卸鉆桿時單根鉆桿重力（最大受力工況）以及軸承產(chǎn)生的扭矩（可以忽略不計）。小車軸具體結(jié)構(gòu)和受力如圖4所示。

其中：

式中：F1、F2分別為小車和單根鉆桿對小車軸的作用力，N；G車、G鉆桿分別為小車和單根鉆桿的重力，N。

依據(jù)圖4小車軸結(jié)構(gòu)受力圖可知，小車軸為彎扭組合梁，受力危險截面為直徑Φ30段軸頸處。軸材料選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，σB=650MPa，σS=360MPa。

彎曲應力等效系數(shù)：

式中：σ-1b、σ0b分別為對稱循環(huán)和脈動循環(huán)應力狀態(tài)下的彎曲應力（疲勞極限），MPa。

切應力等效系數(shù)：

式中：τ-1、τ0分別為對稱循環(huán)和脈動循環(huán)應力狀態(tài)下的切應力（疲勞極限），MPa。

彎矩（危險截面處）：

彎曲應力幅：

式中：Wm為小車軸的抗彎截面系數(shù)，mm3。

扭轉(zhuǎn)切應力幅：

式中： WT為小車軸的抗扭截面系數(shù)，mm3。

彎曲安全系數(shù)：

式中：查表可得[4]，設計按無限壽命計，kN=1；有效應力集中系數(shù)：kσ=1.74，kτ=1.74；表面狀態(tài)系數(shù)：β=0.92；尺寸系數(shù)：εσ=0.88

通過上述強度校核，可見鉆桿運移小車的小車軸安全系數(shù)高，有較大的強度余量，完全滿足石油機械零部件高強度的設計要求。

2.1.2 扭簧設計計算

小車上扭簧需要保證鉆桿在V型槽中移運時不扭轉(zhuǎn)，而到達目的地后在卸桿機構(gòu)的推動下扭轉(zhuǎn)。扭簧工作時所受的扭轉(zhuǎn)力由鉆桿的重力和鉆桿所受的摩擦力兩部分組成，如圖5所示。

圖5 單根鉆桿受力圖

作用在接箍卡板上的扭轉(zhuǎn)力為：

運行時需要扭簧扭矩為：

扭簧設計扭矩為（安全系數(shù)3）：

設計扭簧結(jié)構(gòu)性能尺寸如表1所示。

表1 設計扭簧結(jié)構(gòu)尺寸表

2.2 行程限位機構(gòu)

鉆桿進入垂直提升架后，必須準確限位，以便垂直提升裝置中的夾具手能夠抓住鉆桿接箍頭脖頸部位。采用彈簧與行程開關(guān)復合限位機構(gòu)，彈簧可起緩沖作用，行程開關(guān)起程序控制觸發(fā)作用（控制液壓絞車起動、停止）。

行程限位機構(gòu)主要由：1）壓縮彈簧；2）彈簧導軸；3）導軸套筒；4）行程開關(guān)滑桿；5）限位機構(gòu)保持架；6）行程開關(guān)擋塊等組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

彈簧導軸2的主要功能：1）作為彈簧伸縮運動的導軸；2）行程定位時的機械限位。彈簧導軸左段直徑大，右段直徑小，當彈簧壓縮到一定位置時，導軸大徑右端面將靠上定位機構(gòu)保持架套筒的左端面，可以達到上鉆桿時接箍頭機械限位，和卸鉆桿時鉆桿移運小車機械限位。

圖6 鉆桿行程限位機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

石油鉆機立根自動連接系統(tǒng)實現(xiàn)了立根連接和頂部驅(qū)動同步進行，極大地縮短了鉆井周期，提高了鉆井效率，降低了工人的勞動強度。針對石油鉆桿移運的工作狀況，設計了鉆桿水平運移裝置，介紹了關(guān)鍵部件鉆桿運移小車和鉆桿定位機構(gòu)，并對小車關(guān)鍵零部件進行了靜力學分析和計算。

[1] Boyadjieff George I.An overview of top-drive drilling system applications and experiences[C].IADC/SPE 14716,1996：435-442.

[2] 尹曉麗,牛文杰,張中慧.鉆桿自動傳送系統(tǒng)及設計方案[J].石油礦場機械,2009,(7)：42-46.

[3] 閆成新.石油鉆桿提升裝置承重輪總成設計[J].潤滑與密封,2010,35(5)：74-77.

[4] 成大先.機械設計手冊：第二卷[M].5版.北京：化學工業(yè)出版社,2008.