絞車滾筒對纏繩的影響分析及技術研究

王福貴，張鵬，樊高泉，張虎山，春晨，王安義

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

在石油鉆井作業中，石油鉆井絞車是鉆機的核心部件，它主要是通過滾筒的正、反轉進行收、放鋼絲繩動作來實現上提、下放、處理井下事故等作業[1-2]。在油田現場鉆井作業過程中，絞車滾筒纏繩過程中亂繩、夾繩現象時有發生，直接影響著鉆井鋼絲繩的壽命和鉆井效率。影響鋼絲繩纏繩效果的因素很多，主要有鋼絲繩自身的設計制造缺陷、排繩器的安裝位置不合適、絞車快繩進出天車快繩輪偏角過大和絞車滾筒開檔不當等原因，油田現場出現的絞車滾筒亂繩現象多以絞車滾筒原因居多。鉆井鋼絲繩通過多層纏繞直接纏繞在絞車滾筒上，通過絞車滾筒的正、反轉實現收、放繩動作，絞車在進行上提、下放動作時，快繩速度較快，鋼絲繩與滾筒槽體、滾筒體輪轂均會產生摩擦，底層纏繞的鋼絲繩與外層的鋼絲繩也會產生摩擦，這樣會導致滾筒開檔加大，鋼絲繩變細，從而使排繩不規則。

隨著近幾十年石油鉆井絞車的發展，絞車出現了多種傳動形式和結構形式，但是絞車滾筒的纏繩規則并未改變，目前絞車滾筒以LEBUS繩槽應用較多。LEBUS繩槽采用雙折線形式，適合多層纏繞，可有效減少或避免鋼絲繩亂繩現象。在絞車滾筒的設計過程中，絞車滾筒開檔大小、底徑選取、導向塊的位置、繩窩結構、繩槽間距、繩槽平行段和爬坡段螺旋角大小均會影響滾筒纏繩效果，因此，研究絞車滾筒的結構及其特點，將有助于減少或避免油田現場絞車滾筒亂繩現象，延長鋼絲繩和滾筒的使用壽命。

1 滾筒對纏繩的影響

絞車滾筒是石油鉆機絞車的重要部件，絞車滾筒上纏繞的鋼絲繩一端通過繩卡固定在滾筒繩窩處，另一端通過天車上的導向輪引入游車滑輪組，游車滑輪組下安裝有大鉤、水龍頭和鉆桿柱等工具。絞車工作時，纏繞在滾筒上的鋼絲繩通過滾筒正反轉實現纏繩、放繩動作，滾筒承受鋼絲繩的快繩拉力，滾筒結構除了要滿足強度要求外，還要保證鋼絲繩的纏繞整齊。

1.1 滾筒特點分析

絞車滾筒上加工有LEBUS繩槽，帶LEBUS繩槽的絞車滾筒主要有整體式滾筒和兩瓣槽體式滾筒。整體式滾筒和兩瓣槽體式滾筒均在滾筒上開有LEBUS繩槽，但是兩種形式的絞車滾筒結構和加工制造工藝不完全相同，由于結構和加工制造工藝的差異導致對滾筒纏繩的影響也有所不同。

整體式滾筒主要由左連接轂、右連接轂和筒體組成，相對于整體式滾筒，兩瓣槽體式滾筒增加了兩瓣式槽體和側板，槽體單獨加工好后切割為兩瓣，再通過塞焊孔或螺栓連接的形式與筒體相連。整體式滾筒在滾筒組焊后整體在滾筒上加工LEBUS繩槽，兩瓣槽體式滾筒的槽體在加工完LEBUS繩槽并切割為兩瓣后，易沿軸向扭曲變形，在槽體邊緣也容易產生咬邊卷曲現象（見圖1槽體邊緣），在和滾筒筒體配焊時為保證滾筒開檔尺寸，往往需要對兩瓣式槽體進行調變形，此時LEBUS繩槽特有的螺旋軌跡和槽間距易產生偏差，將會影響滾筒纏繩，甚至出現亂繩現象。圖1、圖2為兩瓣式槽體產品圖和槽體加工圖。

圖1 兩瓣式槽體

圖2 槽體加工圖

圖3 絞車滾筒排繩示意圖

圖3為絞車滾筒排繩示意圖，圖中：D為絞車滾筒底徑；L為絞車滾筒開檔；d為鉆井鋼絲繩直徑；a為絞車快繩進出天車快繩輪偏角；F為鋼絲繩沿出繩方向快繩拉力；Fx為快繩拉力沿滾筒軸徑方向產生的分力；Fy為快繩拉力沿豎直方向產生的分力。滾筒底徑D、滾筒開檔L、絞車快繩進出天車快繩輪偏角a都是影響滾筒排繩的因素，該3個因素之間互相影響。對于輕型、中型鉆機，選用滾筒底徑D=（17～23）d[2]。圖4所示為JC15至JC120系列絞車滾筒底徑D與鋼絲繩直徑d關系，圖中曲線1為滾筒底徑D的選用下限，曲線2為滾筒底徑D的選用上限，曲線3為目前多數井隊在用的絞車滾筒底徑D與鋼絲繩直徑d的關系，由圖4可看出，目前常用絞車的滾筒底徑D在滾筒底徑上限曲線和下限曲線之間。

圖4 滾筒底徑與鋼絲繩直徑關系圖

根據相關標準要求，絞車滾筒底徑D要求不小于20倍鋼絲繩直徑[3]，另外根據國內絞車現場使用情況及調研國外絞車結構參數發現，在深井和超深井鉆井作業中，絞車的滾筒底徑D有時會大于23倍的鋼絲繩直徑，甚至接近于40倍的鋼絲繩直徑。

為保證鋼絲繩沿滾筒纏繞規則整齊，需合理選擇絞車滾筒的底徑，若滾筒底徑過小，受鋼絲繩折彎特性限制，鋼絲繩折彎將受限，滾筒底層的鋼絲繩纏繩不實，會導致二層或三層纏繩時出現亂繩或夾繩現象，同時會降低鋼絲繩的壽命；若滾筒底徑過大，受絞車外形及質量等限制，不便于推廣。

絞車滾筒開檔L過小和過大將影響絞車快繩進出天車快繩輪偏角[4]，根據LEBUS繩槽廠家推薦，絞車快繩進出天車快繩輪偏角a建議取1°15′～1°30′之間。滾筒正常纏繩過程中，鋼絲繩受快繩拉力F，沿滾筒軸徑方向產生分力Fx，當a過大時，Fx將偏大，同層相鄰的繩子之間產生過大間隙，導致上面的一圈鋼絲繩擠入該層過大間隙，產生夾繩現象；當a過小時，Fx將偏小，難以將鋼絲繩從前一繩槽中拉至下一繩槽內，容易產生紊亂甚至騎繩現象。

1.2 LEBUS繩槽特點分析

LEBUS繩槽的結構為雙折線型，它的特點是螺旋線繩槽一周分為4段，兩段為互相平行的直槽，另兩段為螺旋的斜槽，鋼絲繩沿滾筒螺旋纏繞一周，繩槽移動一個繩槽節距[5-7]。如圖5所示，鋼絲繩在繩槽的斜槽段末端引入繩槽，分別經過直槽段、爬坡段、直槽段和斜槽段，完成鋼絲繩的一個周圈纏繩，底層鋼絲繩纏繞至滾筒內檔端頭時，通過其中一段爬坡段引導繩槽纏繞至第二層，通過螺旋導向與第一層鋼絲繩形成交叉。

圖5 LEBUS繩槽展開示意圖

通過圖5和圖6可看出，斜槽段、爬坡段和兩段直槽段沿繩槽圓周方向占據了整個圓的周圈，其中斜槽段和爬坡段的圓周角度α、斜槽段和爬坡段與直槽段的夾角β，以及槽間距等參數是影響LEBUS繩槽纏繩的重要參數。不同滾筒底徑的LEBUS繩槽的斜槽段和爬坡段圓周角α也不同，以常用的JC70絞車滾筒為例，該角度α為45°，隨著滾筒底徑的增大，該角度α相對減小。

圖6 LEBUS繩槽截面示意圖

繩槽兩槽中心線之間的距離應當等于鋼絲繩的公稱直徑加上超出尺寸公差的1/2[3]，鋼絲繩的允許誤差一般為5%左右，參考國外同類產品及國內現場使用情況，繩槽槽間距L′一般取（1+2%）d。JC50以下規格的絞車滾筒繩槽的β角度約為3°，JC50至JC120系列絞車滾筒繩槽的β角度約為3.0°～3.8°之間。

由sin β=0.5L′/[(0.5L′）2+Lα2]1/2=0.51d/{(0.51d）2+[α/（360πD）]2}1/2可得出，α=[360/(πD)]·[(0.51d）2/(sin β)2-(0.51d）2]1/2。其中：α為LEBUS繩槽斜槽段和爬坡段的圓周角度；β為LEBUS繩槽展開視圖中斜槽段和爬坡段與直槽段的夾角，一般取3°；L′為LEBUS繩槽槽間距，L′=（1+2%）d；Lα為繩槽斜槽段和爬坡段沿圓周α角的弧長。

由圖7可得出常用的JC15～JC120系列絞車滾筒繩槽斜槽段偏角α，便于LEBUS繩槽的設計選型，滾筒繩槽斜槽段偏角α過大和過小均會影響纏繩效果，因此，LEBUS繩槽的設計過程中選擇合適的斜槽段偏角α至關重要。

圖7 JC15～JC120系列絞車鋼絲繩直徑與滾筒繩槽斜槽段偏角α的關系

1.3 滾筒導向塊位置分析

絞車滾筒上纏繞的鋼絲繩為多層纏繞，為保證鉆井時絞車滾筒具有足夠的纏繩量和纏繩效果，帶LEBUS繩槽的絞車滾筒一般設計的纏繩量為4層，滾筒的初始纏繩推薦為10～14圈[7]。鋼絲繩在第一層纏滿后通過爬坡段引導槽纏繞至第二層時，需要在爬坡段繩槽處進行導向，纏繞在直槽段和底層最后一圈鋼絲繩之間，如圖8所示。鋼絲繩在二層初始導向的過程中，一般需要設置導向塊，導向塊配焊在滾筒輪沿內壁上，在爬坡段中間處進行導向。

圖8 滾筒導向塊位置圖

導向塊位置合適與否也是影響纏繩的一個重要因素，若導向塊靠近爬坡段首端，導向塊難以起到導向作用，鋼絲繩在導向塊處提前導向，此時鋼絲繩還沒有通過爬坡段升至第二層預定的高度，在爬坡段處將會產生一端間隙和空檔，導致下一層該處纏繩出現亂繩；若導向塊靠近爬坡段末端，導向塊導向推遲，此時鋼絲繩將被導向塊推向相鄰的底層末圈鋼絲繩上，產生騎繩現象。

2 繩窩對纏繩的影響

絞車滾筒上纏繞的鋼絲繩通過繩窩處進入滾筒，并通過繩卡在繩窩處對鋼絲繩的一端進行固定，目前常見的繩窩主要有內嵌繩卡式結構和外置U形繩卡式結構。

2.1 內嵌繩卡式結構

采用帶式剎車的絞車滾筒一般采用內嵌繩卡式結構，由于帶式剎車裝置剎車轂的結構限制，滾筒輪沿外側操作空間狹小，不便于從滾筒輪沿外側抽繩和安裝繩卡，繩窩設在滾筒輪沿內側，通過三瓣式繩卡抱緊鋼絲繩在滾筒內側卡入繩窩。

內嵌繩卡式絞車滾筒的繩窩在滾筒內側開孔，為保證繩卡從內側順利卡入繩窩，繩窩處的斜段末端大部分需要加工掉，該處的斜槽段是第二層纏繩的尾圈的引導槽，這將導致鋼絲繩第二層纏至此處時，容易產生下沉現象，在第三層纏繩時該處同樣產生下沉現象，從而導致排繩不規則。

2.2 外置U形繩卡式結構

外置U形繩卡式絞車滾筒應用較廣泛，可適用于雙剎車盤或單剎車盤式剎車，繩卡采用U形繩卡，可從絞車滾筒右側輪沿繩窩外側進行抽繩及固定繩卡。鋼絲繩的出繩點一般設在繩槽斜槽段末端與直槽段相連處，鋼絲繩折彎及過渡平緩。

目前井隊在用絞車的滾筒繩槽多數為右旋繩槽，繩窩一般設在絞車滾筒右輪轂處，為整體鑄造結構，繩窩處結構特殊，為保證鋼絲繩穿繩順暢無阻礙，除了要保證繩窩處的弧度半徑盡可能大外，還要保證繩窩內表面光滑。由于滾筒繩窩處在滾筒繩槽斜槽段末端，繩窩處斜槽段的凸沿往往會進行一定程度的打磨，該處的斜槽段是第二層鋼絲繩末圈的引導繩槽，若繩窩處斜槽段的凸沿打磨過渡，如圖11（a）所示，第二層鋼絲繩將會在此處產生沉陷，導致下一層鋼絲繩纏繩時不規則，產生亂繩現象，如圖11（b）所示，繩窩處斜槽段凸沿打磨合理，能夠順利地引導下一層鋼絲繩纏繞。

3 滾筒纏繩技術研究

在鉆井作業中，絞車滾筒是承受快繩拉力的直接部件，滾筒除了要滿足結構強度要求外，還要滿足鉆井所需的纏繩容量要求，而滾筒纏繩規則與否又直接影響著滾筒和鋼絲繩的磨損和壽命。合理分析影響絞車滾筒纏繩的因素，將有利于提高絞車滾筒和鋼絲繩的壽命，減少井隊鋼絲繩的更換次數，從而節約成本。

圖9 內嵌繩卡式絞車滾筒圖

圖10 內嵌三瓣式繩卡安裝示意圖

圖11 外置U形繩卡式絞車滾筒繩窩

影響絞車滾筒纏繩的因素主要有以下幾個方面：

1）滾筒底徑。若滾筒底徑過小，鋼絲繩沿滾筒纏繞折彎時，鋼絲繩折彎應力過大，排繩時會產生咬繩現象；若滾筒底徑過大，將增大絞車的整體外形尺寸和質量。

2）滾筒開檔。開檔過小，末圈鋼絲繩難以纏入預定繩槽，產生凸起現象；開檔過大，整層鋼絲繩纏滿后與滾筒輪沿內壁產生間隙，下一層鋼絲繩將擠入該間隙，產生亂繩現象。

3）絞車快繩進出天車快繩輪偏角。建議將該偏角設計為1°15′～1°30′，偏角過小，容易產生騎繩現象，偏角過大，則容易產生夾繩現象。

4）滾筒初始纏繩。在游吊系統放至最低位時，為保證滾筒纏繩具備足夠大的摩擦力，絞車滾筒的初始纏繩推薦為10～14圈，若初始纏繩過大，游吊系統在最高位時，滾筒纏繩將超過4層，甚至可能達到6層，易產生亂繩現象。

5）滾筒初始纏繩時鋼絲繩的張緊力。初始纏繩時，要保證鋼絲繩初始纏繩纏緊滾筒，鋼絲繩必須具有足夠的張緊力。

6）LEBUS繩槽的斜槽段和爬坡段的圓周角。若該圓周角過小，鋼絲繩沿滾筒纏繞時，在繩槽的第一個直槽段向第二個直槽段過渡時不平滑，纏繩時易滑槽；若該圓周角過大，第二層纏繩在該處換向的跨度區域過大，易亂繩。

圖12 外置U形繩卡現場安裝圖

7）LEBUS繩槽的槽間距。根據相關標準要求，槽間距應等于鋼絲繩的公稱直徑加上超出尺寸公差的1/2。

8）滾筒導向塊的位置。絞車滾筒上纏繞的鋼絲繩由第一層纏繞至第二層時，在繩槽爬坡段通過導向塊進行導向，若導向塊位置靠前，提前導向，第二層初始纏繩無法達到預定軌跡，會產生亂繩現象；若導向塊位置靠后，導向推遲，第二層初始纏繩會產生騎繩現象。

9）絞車滾筒繩窩的形式。內嵌繩卡式滾筒的繩窩處的斜槽段加工掉較多，易導致第二層纏繩下沉，產生亂繩現象；外置U形繩卡式絞車滾筒的繩窩處的斜槽段凸沿打磨程度直接影響第二層纏繩效果。

4 結論

通過分析絞車滾筒和LEBUS繩槽的特點，對影響絞車滾筒纏繩的因素分別從滾筒底徑、滾筒開檔、絞車快繩進出天車快繩輪偏角、滾筒初始纏繩、滾筒初始纏繩時鋼絲繩的張緊力、LEBUS繩槽的斜槽段和爬坡段的圓周角、LEBUS繩槽的槽間距、滾筒導向塊的位置和絞車滾筒繩窩的形式幾個方面進行了分析，對絞車滾筒和LEBUS繩槽的設計及關鍵參數的確定將起到指導作用，從而可減少滾筒纏繩亂繩的風險。