新型鉆桿自動起升裝置的研制

摘 要：目前國內陸地鉆機主要是利用鉆臺氣動絞車和吊車實現鉆桿上下鉆臺的起升任務，不僅穩定性底、設備及人身風險大、效率底，而且占用場地大、費用高。為此設計了一套用于陸地鉆機的鉆桿自動起升裝置，該系統可以實現鉆桿在井場排放架和鉆臺之間自動傳送，用較少的鉆井工人即可完成傳統的鉆桿起升工作，這極大地縮短了鉆井周期，提高了鉆井效率。利用ANSYS有限元軟件對關鍵部件進行了有限元分析和結構優化，優化后的系統具有具有足夠的強度、剛度和穩定性，滿足長期使用的需要。

關鍵詞：陸地鉆機；鉆桿起升；自動傳送 1 國內外發展現狀

目前國外在鉆桿自動起升裝置方面技術比較先進的公司是挪威Aker Kvaerner MH公司。該公司的管子傳送系統和處理裝置主要由龍門起重機、折臂起重機、管子輸送機、橋式起重系統和鉆臺操縱臂等裝置[1-2]。其主要缺點是系統結構龐大，占用較多的井場空間。國內在鉆桿自送提升技術尚處于研究階段，目前采用的鉆桿起升手段主要由兩種方式，一是利用鉆臺氣動絞車，二是利用吊車[3-5]。氣動絞車輸送管柱時作業穩定性低、設備及人身風險大、效率不高，而利用吊車輸送管柱占用場地大、費用高、穩定性亦差。

2 鉆桿自動起升裝置的結構

鉆桿自動起升裝置主要由旋轉臂、起升架和豎直桁架組成，其結構如圖1所示。旋轉臂臂是鉆桿自動起升裝置的末端執行器，是實現鉆桿上下鉆臺和鉆桿由水平位置到垂直位置轉換的核心部件。旋轉臂由鉆桿夾具手、旋轉手臂、L型臂等零部件組成；起升架由起升架本體、導向機構和液壓缸等零部件組成。旋轉臂的前部有兩個鉸支點，上部的鉸支點與液壓缸活塞鉸接，下部的鉸支點與起升架的鉸支點鉸接。旋轉臂在液壓缸的作用下沿著鉸接點旋轉，旋轉角度范圍是0°～90°；同時在起升架的提升下沿著豎直桁架上下移動，實現鉆桿的上下鉆臺的輸送工作。

3 有限元分析

3.1 靜力學計算

當鉆桿位于水平位置時，旋轉臂裝配體的中心位于鉸接點的左端，因此整個旋轉臂裝配體逆時針方向的轉動趨勢，這些力最終通過滾輪系統作用在豎直桁架上。因此當鉆桿水平時，滾輪組中左下方滾輪和右上方滾輪和豎直桁架之間的作用力較左上方和右下方的滾輪和豎直桁架之間的作用力大，故取左下方和右上方滾輪和豎直桁架之間的作用力進行受力計算。把鉆桿、旋轉臂、起升架看作一個整體進行力學分析，由力的平衡：

3.2 結構分析

對為了保證鉆桿自動起升裝置安全可靠工作，對利用ANSYS有限元分析軟件將3.1靜力學計算的結果分別施加在旋轉臂、起升架、豎直桁架上進行結構分析。旋轉臂的材料選用16Mn，材料的屈服極限為240MPa，許用應力為180MPa。分析結果顯示在旋轉臂和起升架的鉸接部分發生了應力集中，最大應力為160MPa，小于許用應力，滿足強度要求。

桁架選用的A3鋼焊接而成，材料的屈服極限為力235MPa，許用應力為157MPa，分析結構顯示，整體結構的最大應力為40.1MPa，發生在桁架底部的固定端，安全系數是3.9，因此整個結構是安全的。

3.2 模態分析

對旋轉臂結構進行模態分析，主要是得到結構的頻率與振型，提取結構前三階固有頻率分別為：8.5682、10.822、27.716 Hz。結果顯示，旋轉臂整體機構在低階頻率范圍內做平面的擺動，整體變形較小，剛度儲備能量較大，滿足安全使用的要求。

4 結束語

傳統的鉆桿上下鉆臺是利用鉆臺氣動絞車和利用吊車提升和摔下，對鉆桿本體和絲扣造成了極大的破壞，同時威脅到鉆井工人的人身安全。鉆桿自動起升裝置實現了鉆桿上下鉆臺的自動化操作，保護了鉆桿本體和絲扣，降低了工人的勞動強度，提高了工作環境的安全系數，節約了鉆井成本；此外該系統結構緊湊，安全可靠，占據較小的井場空間，對鉆機井架入口高度要求低，可在各種鉆機中配套使用。

參考文獻

[1]Tyson R W Helmerich.Why Use a top drive on a land，or when？[C].Varco Int1.SPE/IADC Drilling Conference，1995：529-544.

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[3]尹曉麗，張中慧，牛文杰，等.海洋鉆井平臺立根自動連接系統的設計與優化[J].石油機械，2011（2）：27-30.

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

[5]閆成新，賀慶強，尹曉麗.石油鉆桿運移裝置起升臂設計及優化[J]重型機械，2009（5）：55-57

作者簡介：尹曉麗（1985-），女，山東臨沂人，碩士，助教，主要從事工程圖學和機械教學與科研。