陸地鉆機鉆桿自動起升系統的設計與優化

許長生

摘 要：隨著陸地鉆機在石油開采等行業中的普遍應用，讓企業工作效率得到了很大的提高。不過隨著鉆孔深度的增加，鉆機鉆桿起升成為了一個技術性較強的工作環節，從目前來看，我國部分企業仍舊采用氣動絞車或吊車來實現鉆桿的起升，這樣不僅存在一定的不穩定性，同時工作效率也較低。本文從陸地鉆機的角度出發，在傳統鉆桿起升基礎上，對陸地鉆機鉆桿自動起升系統的設計與優化進行探討與思考。

關鍵詞：陸地鉆機；自動起升；設計與優化

中圖分類號：TE922 文獻標識碼：A

一、鉆桿自動起升系統結構概述

陸地鉆機鉆桿自動起升系統的組成元素有旋轉臂總成、豎直桁架。總體來看，可以將旋轉臂總成當作是一種特殊的指令執行元件，主要是在自動起升系統的最后節上執行其相對應的程序命令，當這種程序命令通過系統發出的時候，旋轉臂總成就會按照提前設定的程序指令及指令內容執行其指令動作，進而將鉆桿由一種狀態轉換到另一種狀態，從而形成自動起升系統的核心組件。從內部結構來看，旋轉臂以及起升架共同在起升系統中組成了旋轉臂總成，而旋轉臂由鉆桿夾具手、旋轉手臂等零部件組成；起升架由起升架本體、導向機構和液壓缸等零部件組成。旋轉臂前段上部端點與液壓缸活塞鉸接，下部與起升架裝置進行支點鉸接，在液壓缸的作用下發生0°～90°的旋轉，并且旋轉臂在起升架的限制與輔助作用下發生上下的位移移動，從而通過旋轉臂的作用實現了鉆機鉆桿鉆臺的輸送工作。

在陸地鉆井的具體過程中，通過旋轉臂的作用將鉆桿輸送至鉆臺，當旋轉臂在其自身與起升架間發生支點鉸接旋轉的時候，鉆桿即發生由水平到垂直的位置改變，相反當鉆井結束時，旋轉臂在液壓作用下進行收縮，又由垂直轉換到水平位置，從而實現了旋轉臂輸送鉆桿從水平到垂直的變換。

在實際工作中，起升架的主要構成元素有：起升裝置本身、導向輪子以及利用液壓原理進行工作的液壓缸三部分。對于起升架的上部而言，它主要是通過上部的鋼絲繩實現其驅動；另外考慮到起升架的工作原理及在實際工作中的重要特性，針對其上部與下部及不同位置的頂點位置，及各自的特性分布進行了導輪與滾輪的合理設計，從而實現起升架的良性工作；當起升架處于提升狀態下的時候，導輪會依附于豎直桁架，并呈現出豎直上升的運動狀態，這種狀況下，滾輪就會在內壁上表現出較強的導向效果，不僅如此，滾輪還及時對起升架左右自由度進行了限制，讓起升架能夠保持正常運作狀態。

二、陸地鉆機鉆桿自動起升系統工作原理

概括而言，陸地鉆機鉆桿自動起升系統主要是借助自動起升控制系統，將鉆桿從放置位置輸送到鉆臺，然后在鉆井工作結束的時候，又將鉆桿從鉆臺位置轉移到儲存位置。陸地鉆機鉆桿自動起升系統首先實現了鉆桿輸送的自動化操作，不僅能夠有效進行遠程控制監控，同時與傳統的啟動絞車或吊車相比，鉆桿自動起升系統充分消除了鉆桿墜落、鋼絲繩斷裂等物體碰撞傷害，使得鉆桿起升過程中安全風險大大降低，并通過自動化操作提升了工作效率，在一定程度上降低了成本費用。

在陸地鉆機鉆桿自動起升系統中，起到關鍵性作用的部件主要是旋轉臂，具體流程是旋轉臂上的夾具抓手握住鉆桿，然后在液壓作用下提升至相應高度，而后通過鉸接旋轉變換，最終將鉆桿輸送到相應的位置。旋轉臂的工作流程如下：

1 鉆井過程中旋轉臂工作流程：抓取鉆桿——提升鉆桿——旋轉鉆桿——鉆桿垂直——傳遞鉆桿——旋轉臂旋轉下降，最后復位。

2 鉆井結束后旋轉臂工作流程：抓取鉆桿——旋轉鉆桿——鉆桿水平——鉆桿下降——排放鉆桿——旋轉臂旋轉上升，最后復位。

三、有限元分析優化

1 靜力學計算

當鉆桿處于水平狀態的時候，假設其旋轉臂裝配體自重為G1=4.42kN，副旋轉臂、連接臂、拉桿、夾具及夾具安裝制作的重量之和為G2=1.68kN，起升架總裝配體、液壓缸及銷軸的重量和G3=5.18kN，單針鉆桿的自重G4=3.4kN，提升力為F0，導向輪與桁架法向作用力為F1，則由此可得出左下側導向輪與桁架之間的摩擦力f1=λF1，λ=0.15，則右上側導向輪與桁架間的摩擦力f2=λF2

2 結構分析

為了進一步從安全可靠方面，對鉆桿起升系統進行相應的理論與實踐測試，我們借助ANSYS有限元分析軟件對豎直桁架、起升架及旋轉臂進行結構分析。具體來說，假定旋轉臂材質型號為16的錳鋼，其屈服極限為210MPa，設定1.20為其旋轉臂的安全系數，從而利用有關的計算公式得出許用應力為168.22MPa，另外由結構分析原理得出旋轉臂和起升架的鉸接部分的最大應力為150MPa，最大變形位移為2.54mm，小于許用應力，滿足強度要求。

3 模擬分析

為了進一步通過試驗模擬分析得到起升系統的振型及相對應的頻率，本文對旋轉臂進行模擬分析。我們從結構本身的前三個階段提取出8.768Hz、11.422Hz、26.425Hz這三個固有頻率，然后對旋轉臂在X-Y平面內發生擺動的狀況進行模擬分析，對第三固有頻率整體旋轉臂機構繞Y軸發生擺動進行相應的模擬分析。通過相應的模擬分析得出其結論：旋轉臂整體機構在低階頻率范圍內做平面擺動，整體變形較小，剛度儲備能量較大，滿足安全使用的要求。

結語

陸地鉆機鉆桿自動起升系統的設計，與傳統的鉆桿起升系統相比，顯然具有一些不可比擬的優點，它不僅為石油企業最大程度上節省了鉆桿起升成本的投入，同時也在很大程度上確保了施工安全，大大降低了其風險系數。

參考文獻

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