石油鉆機立根自動連接系統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

頂部驅動鉆井是20世紀80年代發展起來的一項新技術，頂驅鉆井系統以立根（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，然后才能利用頂驅進行鉆進[1,2]。本課題組設計了一套適用于頂驅鉆機的立根自動連接系統，該系統利用行程開關定位，通過一系列的液壓動作，可實現鉆桿上下鉆井平臺、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，提高了生產效率。使用該鉆桿自動移運系統，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中鉆桿從堆場移近鉆井平臺是后續鉆桿運移的基礎。

1 立根自動連接系統

立根自動連接系統主要包括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，結構簡圖如圖1所示。

單根鉆桿在撥管機構的作用下由鉆桿堆場排放架進入立根自動連接系統，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，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 立根自動連接系統簡圖

2 水平運移裝置

地面水平運移系統主要完成鉆桿上、下鉆桿排放架，以及實現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）行程定位機構等組成，結構和安裝示意圖如圖2所示。

圖2 水平運移裝置結構和安裝示意圖

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。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）翻轉部件；3）扭簧；4）扭簧軸；5）小車軸；6）小車輪子等組成，具體結構如圖3所示。

圖3 鉆桿運移小車結構圖

圖4 小車軸結構受力圖

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）以及軸承產生的扭矩（可以忽略不計）。小車軸具體結構和受力如圖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。

依據圖4小車軸結構受力圖可知，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鋼調質處理，σB=650MPa，σS=360MPa。

彎曲應力等效系數：

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

切應力等效系數：

式中：τ-1、τ0分別為對稱循環和脈動循環應力狀態下的切應力（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，mm3。

扭轉切應力幅：

式中： WT為小車軸的抗扭截面系數，mm3。

彎曲安全系數：

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：kσ=1.74，kτ=1.74；表面狀態系數：β=0.92；尺寸系數：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，而到達目的地后在卸桿機構的推動下扭轉。扭簧工作時所受的扭轉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力為：

運行時需要扭簧扭矩為：

扭簧設計扭矩為（安全系數3）：

設計扭簧結構性能尺寸如表1所示。

表1 設計扭簧結構尺寸表

2.2 行程限位機構

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復合限位機構，彈簧可起緩沖作用，行程開關起程序控制觸發作用（控制液壓絞車起動、停止）。

行程限位機構主要由：1）壓縮彈簧；2）彈簧導軸；3）導軸套筒；4）行程開關滑桿；5）限位機構保持架；6）行程開關擋塊等組成，結構如圖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 鉆桿行程限位機構結構圖

3 結論

石油鉆機立根自動連接系統實現了立根連接和頂部驅動同步進行，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，介紹了關鍵部件鉆桿運移小車和鉆桿定位機構，并對小車關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：化學工業出版社,2008.