頂部驅動鉆井系統背鉗設計計算

王士斌

（中石化江蘇石油工程有限公司安徽分公司，合肥230022）①

頂部驅動鉆井系統背鉗設計計算

王士斌

（中石化江蘇石油工程有限公司安徽分公司，合肥230022）①

介紹了頂部驅動鉆井系統背鉗的結構及工作原理，確定了背鉗牙板夾持鉆桿時的摩擦因數，進行了夾緊液缸參數設計、背鉗牙板設計。將這些方法應用到YDQ90型頂驅背鉗的設計中，成功地試制出產品，經過現場應用，效果良好。

頂部驅動鉆井系統；背鉗；液缸；牙板

頂部驅動鉆井系統（以下簡稱頂驅）具有較高的承載能力、良好的密封性能及足夠的轉矩，與傳統的具有相同功能的石油鉆機鉆井系統相比，可節省鉆井時間20%～30%，尤其在鉆高難度的定向井、水平井時經濟效果更加顯著，并可預防卡鉆事故［1］，現在已成為石油鉆井行業的標準產品［2］。頂部驅動鉆井系統的適用性廣，2 000～9 000 m的井深都可以使用，并可拓展到煤氣層鉆井系統中。

背鉗（如圖1）為頂驅管子處理裝置的核心部件之一，由夾緊系統、懸掛系統和扶正部分組成。夾緊系統是由液壓缸、前后端蓋、活塞、鉗牙座和鉗體［3］等零部件組成。夾緊時，液壓缸進油，推動活塞向前移動，當牙板接觸到鉆桿［4］后，活塞停止運動，液壓力推動液壓缸向后移動，帶動前側牙板夾住鉆桿，主軸旋轉完成上、卸扣的動作。懸掛系統由掛架、托座和彈簧等構成。背鉗的重力通過彈簧作用在拖座上，可以減少鉆井時的振動沖擊，還可以實現浮動功能。扶正系統由扶正環和彈簧等構成。背鉗不工作時，前后扶正環抱緊保護接頭，使背鉗牙板和鉆桿保持一定間隙；當背鉗夾緊時，右扶正環由于頂在鉆桿上，不能隨鉗體一起后移，所以壓縮彈簧，待背鉗松開后，在彈簧作用力下推動背鉗使液壓缸前移復位，繼續保持牙板和鉆桿的間隙。

背鉗設計的核心技術為牙板［3］夾持鉆桿時摩擦因數的確定、夾緊液缸參數設計和計算、扶正部分結構和相關參數設計。

圖1 背鉗結構

1 背鉗牙板夾持鉆桿時的摩擦因數確定及相關參數計算

1.1 摩擦因數的確定

2個金屬表面在法向載荷作用下的接觸面積，并非2個金屬表面互相覆蓋的公稱接觸面積A0，而是由一些表面輪廓峰相接觸所形成的接觸斑點微面積的綜合，稱為真實接觸面積Ar。由于真實接觸面積很小，因此可以認為輪廓峰接觸區所受的壓力很高。當接觸區受到高壓而產生塑性變形后，這些微小接觸面便發生粘附現象，形成冷焊點。當接觸面相對滑動時，這些冷焊結點就被斷開。此時摩擦力Ff≈Ar·τb（τb為結點材料的剪切強度極限）。對于理想的彈塑性材料，當法向載荷增大時，真實接觸面積Ar也隨之增大，應力并不升高，而停留在材料的壓縮屈服極限σsy，此時Ar＝Fn／σsy。則：Ff＝Ar·τb＝Fn·τb／σsy，那么摩擦因數為f＝τb／σsy。對于鋼材，工程上常?。郐樱荩剑?.75～0.80）［σ］，在剪切及拉伸壓縮計算時，安全系數［5］取相同值時，上式為［τ］·n＝（0.75～0.80）［σ］·n，即摩擦因數f＝τb／σsy＝0.75～0.80。其中：Fn為法向載荷；τb、σsy為2種金屬中較軟者的剪切強度極限［5］與壓縮屈服極限；［τ］、［σ］為2種金屬中較軟者的許用剪應力和許用拉應力。塑性材料的抗拉與抗壓是等強度的，所以塑性材料的拉伸與壓縮的許用應力是相同的。

綜上所述，結合摩擦學原理及國內外頂驅設計的經驗，在設計背鉗時的相關計算中，取摩擦因數f＝0.75。

1.2 背鉗牙板受力計算

背鉗牙板受力如圖2。已知：鉆桿接頭［4］最大外徑為D，mm；工作轉矩為T1，N·m；最大轉矩T（取工作轉矩的2倍來設計缸徑）；夾持液缸油的壓力p，MPa；摩擦因數f＝0.75；兩牙板夾角為60°。

根據圖2c得

式中：d為夾持液缸活塞直徑，mm。

將N1、N2、N3、N4記作N。牙板壓應力σ＝N／As，據此得出牙板與鉆桿最小接觸面積As。

圖2 背鉗牙板受力分析

2 背鉗夾緊液缸參數設計

夾緊液缸活塞直徑d根據第1.2節已經計算出夾，并取整為5的倍數即可。

根據背鉗自由狀態下牙板與鉆桿接頭外徑間隙L及背鉗工作原理（如圖3），來確定夾緊液缸行程：活塞前移L到達鉆桿接頭外徑，液缸帶動背鉗擺動使前側牙板到達鉆桿接頭外徑，需行程L，液缸前進及縮回各預留行程S（mm），共計總行程為2（L＋S）。

圖3 背鉗夾緊及自由狀態原理

3 背鉗扶正結構及尺寸設計［7］

分析國內外頂驅背鉗扶正結構，一般有2種安裝位置：①連接到液缸上方；②安裝到懸掛系統的立柱上。根據常用頂驅背鉗結構（如圖1）及背鉗夾緊和自由狀態原理（如圖3），采用第2種安裝位置。在對該結構設計時，懸掛系統尺寸（S2、S4、S5）、扶正結構的尺寸位置（S1、S2、S4）、液缸行程（L、S）、自由狀態下牙板與鉆桿接頭外徑的距離（L）之間具有嚴格位置尺寸關系。

根據頂驅整體結構、夾緊液缸結構尺寸來設計S1、S2、S3、S4、S5。根據以下原則來確定相關參數，之間的關系并進行扶正環及扶正套相關零件的尺寸設計。

3.1 背鉗自由狀態

1） 左右鉗牙距離鉆桿接頭外徑均為L（一般取10～20 mm）。

2） 右扶正環距離鉆桿接頭外徑0 mm，左扶正環距離鉆桿接頭外徑L／2，扶正環彈簧自由狀態。

3） 扶正套右邊內孔距離鉆桿接頭外徑1.5 L，左邊內孔與鉆桿接頭外徑距離＝扶正套內孔直徑－鉆桿接頭外徑－1.5 L。

3.2 背鉗夾緊狀態

1） 左右鉗牙距離鉆桿接頭外徑均為0。

2） 右扶正環距離鉆桿接頭外圓為0，彈簧受壓；根據圖3確定左扶正環距離鉆桿外徑距離及彈簧受壓縮量。

3） 整個背鉗立柱豎直中心線傾斜一定角度α，鉗牙有最大傾斜距離，均根據圖3得到具體數值。

4） 夾緊液缸行程為2（L＋S）。

4 設計應用

以YDQ90型頂驅的輸入參數為例。

4.1 背鉗牙板參數確定

已知：鉆桿接頭最大外徑D＝127 mm；工作轉矩T1＝15 k N·m；最大轉矩T＝30 k N·m；壓力p＝16 MPa；摩擦因數f＝0.75；兩牙板夾角為60°；牙板材料38Cr Mo Al，調質處理，表面氮化，σb＝980 MPa，σs＝835 MPa。

根據式（7）得d＝147.3 mm；根據式（8）得N1＝N2＝157 418 N；牙板壓應力σ＝N／S＝157418／As＜σs＝835 MPa；As＞157 418／835＝188.5 mm2。

根據以上計算，結合鉆井和修井動力鉗、吊鉗標準，對牙板的結構尺寸進行設計。

4.2 背鉗夾緊液缸參數確定

背鉗自由狀態下牙板與鉆桿接頭外徑間隙L取為14 mm。

根據第1.2節中的計算，設計出夾緊液缸的內徑為147.3mm，圓整為150 mm。

根據已知要求（背鉗自由狀態下牙板與鉆桿接頭外徑間隙14 mm）及背鉗工作原理，確定夾緊液缸行程：2（L＋S）＝40 mm（根據經驗預留行程S取6 mm）。

4.3 背鉗扶正結構及尺寸設計（如圖1）

根據頂驅整體結構、夾緊液缸結構尺寸確定S1＝141.5 mm、S2＝317 mm、S3＝331 mm、S4＝420 mm、S5＝356.5 mm。相關參數之間的關系、扶正環及扶正套相關零件的尺寸設計如下：

1） 左右鉗牙距離鉆桿接頭外圓均為14 mm。

2） 右扶正環距離鉆桿接頭外圓為0，左扶正環距離鉆桿接頭外圓7 mm，彈簧自由狀態。

3） 扶正套右邊距離鉆桿接頭外圓21 mm，左邊距離鉆桿外圓（159－127）－21＝11 mm（注：可根據該關系式，確定扶正套內孔尺寸159 mm）。

4） 右扶正環距離鉆桿接頭外圓為0，受壓，彈簧最大壓縮13.37－7＝6.37 mm，最大拉伸應小于6.37 mm；左扶正環距離鉆桿外圓13.37 mm。

5） 整個背鉗豎直中心線傾斜91°2′，鉗牙最大傾斜1.07 mm。

6） 夾緊液缸行程2×（14＋6）＝40 mm。

7） 扶正套右邊距離鉆桿接頭外圓8 mm，球頭受壓；左邊距離鉆桿接頭外圓（159－127）－8＝24 mm。

5 結論

經過對頂部驅動鉆井系統背鉗的原理分析及結構設計應用，達到了頂驅在鉆井過程中的接單根、上卸扣和倒劃眼等多種操作的目的。同時使頂驅實現了浮動功能，減少了打鉆時的振動沖擊。正常鉆進時，保持牙板和鉆桿的間隙，防止碰撞和摩擦的產生。頂部驅動鉆井系統背鉗的研究設計原理和方法，最初被應用在YDQ90型頂驅背鉗的設計上，通過功能試驗和現場使用，達到了預期效果。之后該技術又被應用在YDQ135型等頂驅上，均取得了良好的效果。經過幾年來的現場應用，證明該技術可以廣泛應用于各類頂驅背鉗的設計。

［1］ 陳朝達.頂部驅動鉆井系統［M］.北京：石油工業出版社，2000.

［2］ SY／T 6726—2008，石油鉆機頂部驅動裝置［S］.

［3］ SY／T 5074—2012，鉆井和修井動力鉗、吊鉗［S］.

［4］ API Spec 5DP—2009，鉆桿規范［S］.

［5］ 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，1996：40-43.

［6］ 蘇翼林.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1987：35-51.

［7］ 馮琦，郭永岐，桑峰軍.典型頂部驅動鉆井裝置結構與功能分析［J］.石油礦場機械，2013，42（9）：90-93.

Design Calculation of Backup Tong in Top Drive Drilling System

WANG Shi-bin
（Anhui Branch Company，Sinopec Jiangsu Petroleum Engineering Company，Hefei 230022，China）

The structure commonly used and working principle of the backup tong in the top drive drilling system are described in detail，and some core issues in the design of backup tong are proposed.The coefficient of friction is determined，the selection of the clamping hydraulic cylinders parameters are made to design the dental lamina.These methods have been applied to the design of the backup tong in the YDQ90 top drive drilling system，and a successful product has been manufactured.The onsite operation succeeded with ideal result.

top drive drilling system；backup tong；hydraulic cylinder；dental lamina

TE922

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.009

1001-3482（2014）07-0033-04

2013-10-21

王士斌（1962-），男，安徽樅陽人，高級工程師，主要從事鉆井企業管理工作。