石油鉆機排繩裝置的應用研究

陸俊康， 陳思祥， 黎善猛， 劉志桐， 陳元欣， 趙吉雨

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002）

0 引言

鉆井過程中鉆井鋼絲繩不可避免地受到循環載荷和沖擊載荷，容易使鋼絲繩偏離預定軌跡，引起亂繩，造成鋼絲繩過早失效[1-2]。一般而言，正確使用排繩器能夠有效導向及緩沖鉆井鋼絲繩，使鋼絲繩排列整齊有序，減輕鋼絲繩的磨損，提高鉆井效率；反之，若排繩器使用不當，會對鉆機排繩效果造成負面影響，加快鋼絲繩的磨損，甚至引起安全事故，嚴重地影響鉆井作業[3]。

目前石油鉆機用排繩器樣式繁多，使用效果卻不盡相同。本文通過對不同排繩器的對比分析，結合大量的現場調查，得出排繩器的應用現狀及效果，提出有針對性的使用方法、改進建議。

1 鉆機常用排繩裝置簡析[4-7]

按驅動形式分，排繩器可分為主動式（強制排繩，如在平臺錨機、風動絞車等方面應用的絲桿式排繩器）和被動式排繩器（靠鋼絲繩的纏放力帶動排繩器工作）。目前鉆機最常用的是被動式排繩器。被動式排繩器又可分為懸掛式排繩器和固定式排繩器。懸掛式包括倒三角、梯形、矩形等類型；固定式包括滑桿式、搖臂式等類型。

1.1 懸掛式排繩器

懸掛式排繩器一般通過懸掛鋼絲繩、滑輪及安全繩懸掛在井架或底座的固定支架上。鉆井鋼絲繩穿過排繩器滑輪組，在滾筒纏繩、放繩時依靠鋼絲繩帶動排繩器運動，達到緩沖、穩繩的效果。

1）倒三角下置排繩器通過懸掛鋼絲繩、安全繩等將滑輪懸掛在支架上，滑輪位于倒三角的下角點，如圖1所示。在左右方向其主要運動軌跡以2個懸掛點為焦點，懸掛繩長為定長的橢圓。這種排繩器對快繩的作用力不斷變化，其懸臂長，擺幅大，在鉤載小、快繩速度高時其穩繩效果比較差。若懸掛繩長度過小又會減小排繩器左右有效行程，使其運動到滾筒兩邊時受阻而引起鋼絲繩亂繩。

2）倒三角上置排繩器安裝在倒三角的上邊線，如圖2所示。工作時排繩器幾乎沿著直線左右移動。通過調節連接在絞車頂部的花籃螺栓來調節排繩器的松緊度。排繩器基于直線移動，有足夠的行程。前后方向的擺幅很小，可以對快繩波動產生很好的緩沖和穩繩效果。但也由于排繩器懸臂短，擺動余量小，當遇到巨大沖擊時容易給排繩器及懸吊繩很大的破壞。同時由于快繩的前后波動造成排繩器在左右移動過程中與滑輪三點不共線，運動中懸繩對支架上的單滑輪造成偏磨，如圖3所示。

圖1 倒三角下置排繩器

圖2 倒三角上置排繩器

圖3 排繩器不共線導致偏磨

圖4 梯形排繩器

3）梯形排繩器是在倒三角排繩器的基礎上進行的一個優化，如圖4所示。它將底部的一個單頭滑輪增加為2個，增大鋼絲繩的夾角，減少鋼絲繩左右滑動受到滑輪組的阻力，有效減輕懸吊繩和滑輪的磨損。

圖5 矩形排繩器

圖6 搖臂式排繩器

4）矩形排繩器的滑輪組通過懸掛鋼絲繩掛在導輪組上，通過彈簧、花籃螺栓調節鋼絲繩的松緊，如圖5所示。其顯著的特點是懸掛鋼絲繩通過導輪組行成的矩形面與鉆井鋼絲繩垂直，避免了懸掛鋼絲繩與鉆井鋼絲繩摩擦干涉。因其具有無需高位懸掛、結構簡單、質量輕、安裝空間小等特點，廣泛應用于車載鉆機。還可通過改變排繩器支架結構，安裝于底座后臺，應用于絞車低位的鉆機。矩形排繩器的缺點是鋼絲繩及滑輪的磨損越快，鉆井鋼絲繩的前后、左右運動的阻力越大，故其在常規鉆機上應用較少。

1.2 固定式排繩器

固定式排繩器是將排繩滑輪組通過安裝支架直接固定在絞車頂部。同樣是由鉆井鋼絲繩穿過滑輪組來達到緩沖、穩繩的作用。比較常見的有兩種：搖臂式排繩器和滑桿式排繩器。

1）搖臂式排繩器由可繞固定軸旋轉的搖桿及可沿搖桿伸縮的滑輪組構成，運動軌跡滿足沿滾筒軸向和徑向伸展，如圖6所示。因其體積小巧、結構簡單，一般用于ZJ15、ZJ30等小型鉆機或者車裝鉆機。但存在懸臂過長、轉動不靈活等缺點，尤其時間使用稍長，在各轉軸處易出現銹蝕等現象，導致排繩器轉動不靈活引起亂繩。

2）滑桿式排繩器是伴隨著石油技術的發展而出現的新式排繩器[8]。主要由滑桿、滑輪組、安裝支架構成，具有結構簡單、易損件少、安裝維護方便、抗沖擊性強、壽命長等優點，根據滑輪組的結構分成型式Ⅰ和型式Ⅱ兩種，如圖7所示。排繩器的自重靠排繩器支架承擔，其對快繩的反作用力基本恒定，且往往比懸掛式排繩器小，穩定性好，在克服鋼絲繩沖擊波動上比懸掛鋼絲繩效果更好。

圖7 滑桿式排繩器

2 排繩裝置現場應用效果

鉆機配套時往往根據鉆機結構、用戶習慣等選擇不同類型的排繩器。通過配套數據統計、實地考察、用戶反饋等方式對排繩器的現狀及應用效果做了一個廣泛的調查，結果如下：

1）搖臂式排繩器早期主要應用于ZJ10～ZJ30鉆機以及車裝鉆機等輕型鉆機上，曾在大慶油田普遍使用。但隨著現代鉆機鉆井速度的提高，該排繩器使用效果越來越不理想，使用逐漸減少。另外通過對大慶地區20多套輕型鉆機的實地考察及用戶反潰的信息，這些輕型鉆機在沒有排繩器的情況下其排繩效果也基本能滿足鉆井需要。主要原因是小型鉆機的鋼絲繩直徑小，柔性好，運動比較平穩，不易亂繩。

2）在國內懸掛式排繩器仍廣泛配套于石油鉆機，基本占到50%以上，見表1。主要以倒三角形式居多，下置式和上置式都有應用。矩形排繩器普遍應用于車裝鉆機,在其它鉆機鮮有應用。

表1 寶石機械公司近4年排繩器配套統計表（僅限ZJ50/ZJ70鉆機） %

3）懸掛式排繩器擺幅大，在鋼絲繩沖擊波動較大或者鉤載較輕時穩繩效果不佳，懸掛鋼絲繩容易磨損，需頻繁拆裝，安裝維護困難。經統計，在廠內試驗多套鉆機出現因排繩器而導致滾筒亂繩，其在油田應用效果也不理想。在新疆地區井隊進行考察期間，有16個井隊反映原始配套懸掛式排繩器絞車纏繩效果不明顯，其中有5個井隊曾出現排繩器掉落事故。

4）滑桿式排繩器具有簡單可靠、安全方便、穩繩效果好、不需二次拆裝等優點，越來越受用戶的歡迎，比懸掛式排繩器有更大的優勢，滑桿式排繩器的應用逐年增多，見表1。多年來寶石機械配套滑桿式排繩器的鉆機，其排繩器廠內試驗及油田應用效果均良好。

圖8 排繩器安裝圖

圖10 倒三角上置排繩器懸掛高度

3 排繩裝置的問題及建議

3.1 對懸掛式排繩器的設計改進及使用建議

目前懸掛式排繩器應用效果并不理想，但受鉆機結構、使用習慣、產品更新等因素的影響，滑桿式排繩器短期內又無法完全替代懸掛式排繩器，以下就典型的倒三角下置排繩器從設計和使用上提出幾點建議：

1）加長排繩器支架，確保排繩器掛點與排繩器在快繩內圈位置在同一個豎直面上，如圖8中L1的位置。若掛點在L2的位置，懸掛力將與排繩器自重產生一個F方向的合力，不利于有序纏繩，尤其是鉤載輕的工況容易引起亂繩。

2）排繩器懸掛高度的選定[9]。下置式懸掛排繩器運動軌跡橢圓軌跡，如圖9所示。排繩器懸掛高度H1越小，其擺幅愈小，但同時其運動到滾筒邊緣時的阻力會越大。實際安裝時懸掛高度H1為2000 mm左右，考慮支架的安裝高度，H2一般1500 mm左右。對于上置式排繩器，H1越小則懸吊繩的拉力越大，與滑輪之間的磨損越嚴重。通過花籃螺栓調節，使排繩器自然下垂H1=200～300 mm效果最好，如圖10所示。

3）目前ZJ70鉆機的排繩器自重達130 kg,排繩器減重可有效減輕其對懸掛繩及滑輪的磨損速度，同時可以減輕排繩器擺幅大時對快繩的沖擊。

4）鉆井過程中鉤速一般可達1.5 m/s以上，轉換成快繩繩速非常高，排繩器的運動其對鋼絲繩和滑輪的磨損很嚴重。應定期檢查滑輪的繩槽，同時每3個月或者每打1口井更換新的懸掛鋼絲繩。

3.2 滑桿式排繩器改進建議

1）一般而言，型式Ⅱ對鋼絲繩在滾筒軸向的阻力僅為型式Ⅰ的1/3，并且鉆井過程中快繩抖動主要在鉆機前后方向，在左右方向相對平穩，型式Ⅱ在前后方向上的移動件比型式Ⅰ的重，穩繩更好。另外由于快繩與豎直方向一般有約4°的夾角，型式Ⅰ易造成滑輪偏磨，而型式Ⅱ的滑輪繩槽與快繩傾斜方向一致，偏磨小。2）目前滑桿式排繩器的滑輪組基本上是鋼質的，對快繩的磨損比較嚴重，可更換成橡膠滑輪組以減輕其對快繩的磨損。

3）定期對滑輪進行潤滑和檢查，檢查滑輪是否損壞或是否轉動靈活。建議滑輪組中的軸承可選用自潤滑或者免潤滑軸承，減少維護保養。

4 結 論

1）懸掛式排繩器廣泛應用于國內石油鉆機，主要以倒三角式為主，矩形式和搖臂式主要應用于車裝鉆機且數量逐漸減少。但同時由于懸掛式排繩器安裝維護不便、擺幅大，存在安全隱患等降低了用戶的使用體驗。2）滑桿式排繩器具有結構簡單、安全、壽命長、無需頻繁拆裝等特點，油田應用排繩效果好，比懸掛式排繩器有更多的優勢，在出口鉆機上有著廣泛應用，將是國內鉆機用排繩器的主要發展方向。3）除了根據鉆機類型選擇合適的排繩器，現場使用時對排繩器正確的安裝、調試和保養才能保證良好的使用效果。