軌道式移運鉆機軌道損傷的解決方案

郭軍光, 蔣合艷, 趙博, 覃建, 劉竟犖

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

0 引 言

近年來，隨著油田對鉆機批量、高效鉆井作業的要求不斷提高，針對叢式井及解決鉆機建井周期短、搬家頻繁、搬安耗時等問題，需要鉆機具有良好的移運性能，軌道式移運鉆機是現有移運鉆機中使用最多的一種形式[1-2]。前期軌道式移運鉆機配套的均為鋼制滑板，在鉆機移運過程中，造成的軌道損傷均需在油田現場進行修復，造成維護成本的大量增加。

1 軌道式移運鉆機軌道及滑板的損傷情況分析

從軌道式移運鉆機使用后的情況分析，軌道及滑板面的損傷主要為劃傷、拉傷（如圖1、圖2）。劃傷主要由軌道結構件噴丸處理后殘留的鋼珠、使用過程中軌道面沾染的硬沙石等雜物造成。滑板的拉傷現象則是因為滑板與軌道面接觸比壓過大，表面磨損后，造成滑板的拉傷，嚴重的拉傷會造成金屬脫落部分的堆積和燒結，導致鉆機移運卡阻。

圖1 移運后的軌道表面

圖2 移運后的滑板接觸面

1.1 原軌道與滑板的接觸比壓分析

以ZJ70DB鉆機[3]為分析對象。針對原有滑動軌道，建立滑動軌道的有限元模型（如圖3）。

ZJ70DB鉆機基座在前斜立柱位置處受力最大[4]，靠近斜撐處的基座受力為940 kN，另一側受力為335 kN，方向均豎直向下[5]。軌道安裝在基礎面上，約束設置只承受壓縮約束（如圖4）。滑板和軌道之間建立摩擦模型，摩擦因數為0.15[6]。

通過ANSYS計算得到原有移運軌道的接觸壓力云圖（如圖5）[7]。

通過計算分析，在鉆機移運的最大載荷情況下，接觸高壓力區主要位于軌道中部腹板區域，此區域的平均接觸比壓約為6 MPa。根據機械設計手冊[6]，當鋼與鋼之間接觸比壓大于4 MPa時，如果發生相對滑動，則會引起表面損傷。因此，軌道的結構需要進行改進，以降低比壓。

圖3 軌道實體有限元模型

圖4 載荷及約束示意圖

1.2 原軌道面排屑槽分析

原軌道滑動面的排屑槽為沿軌道兩側縱向布置（圖1），不能將軌道面殘留的雜物清理出軌道面，同時軌道中部無儲存潤滑脂的槽溝，在底座移動時易出現滑板推凈軌道光面上的潤滑脂，使滑板與軌道在比壓最大區域無潤滑摩擦，進而造成軌道與滑板表面損傷。

2 移運軌道的改進措施

2.1 軌道的改進措施

通過ANSYS計算，軌道的最大接觸比壓區域發生在軌道中部腹板區域（如圖5），通過在靠近軌道腹板區域兩側增加貫通整個軌道的加強筋（如圖6），增大軌道腹板區域的受壓面面積，達到降低接觸比壓的目的[8]。

圖5 原移運軌道壓力云圖

圖6 軌道改進結構圖

同時，在沿軌道橫向方向，分段設置排屑槽（如圖6），在鉆機移運過程中，滑板能將軌道面殘留的雜物推至排屑槽，盡可能地減少軌道面的雜物進入滑板與軌道的接觸面。同時，排屑槽內存儲的潤滑脂，在滑板經過排屑槽時，對滑板進行潤滑，使滑板與軌道接觸的區域達到全潤滑。

2.2 改進后的軌道與滑板間的接觸比壓分析

通過ANSYS計算得到改進后移運軌道的接觸壓力云圖（如圖7）[7]。通過對結構改進后的軌道計算分析，在鉆機移運的最大載荷情況下，接觸高壓力區主要位于軌道腹板及軌道的加強筋位置，此區域的平均接觸比壓約為4.6 MPa。

3 滑板的改進措施

原軌道與滑板均采用低碳合金鋼，兩種材質相似、互溶性好的彈塑性材料構成的摩擦副容易發生黏著損傷，且改進后的軌道接觸比壓仍然大于4 MPa[6]。因此，滑板采用具有出色的低摩擦因數、自潤滑免維護的工程塑料合金材料較合適。

圖7 改進后移運軌道壓力云圖

工程塑料合金需具有很高的耐磨性、耐腐蝕性、高承載力、阻燃性等特性，滿足石油鉆機重載移運及石油鉆機惡劣工況。因此，采用工程塑料合金制作滑板還需針對以上特性做試驗確認。

3.1 耐腐蝕性試驗

測試工程塑料合金在不同pH值和溫度的環境下的腐蝕狀況[9]（如圖8），經測試，工程塑料合金在實驗室的環境下基本不腐蝕，具有一定的抗酸堿腐蝕能力，且酸性溶液中的試片質量變化小于堿性溶液。油田鉆井現場的泥漿pH值在8～13范圍內，且酸性氣體較少，工程塑料合金能抵抗周圍環境的酸堿腐蝕。

3.2 力學性能試驗

測試工程塑料合金在不同溫度條件下材料的力學性能[10]，測 定 不同溫度對工程塑料合金力學性能的影響及其變化趨勢（如圖9）。經測試，其在80℃時，屈服極限 最 低[11]，約為10 MPa，滿足油田現場的使用。

3.3 燃燒性試驗

測試工程塑料合金遇明火灼燒時，其自燃或閃燃需要的時間及表面出現的最高溫度[12]（如圖10）。

經試驗，工程塑料合金在溫度達到400 ℃時，也不易自燃。在實際工作中，因安裝在鉆機底座與軌道之間會導致供氧不足，這將增加材料的著火難度，除非發生井噴等極端情況外，該種材料不會在正常工作環境中被引燃。

圖8 耐腐蝕性試驗

圖9 力學性能試驗

3.4 摩擦磨損試驗

測試工程塑料合金在不同表面粗糙度下的磨損量（如圖11）。通過試驗對比，工程塑料合金厚度磨損1 mm，鉆機可移動1000 m以上，其耐磨性良好。

4 軌道與滑板改進后的現場試驗

通過現場試驗，對改進后的軌道與滑板的滑移性及移運效果是否滿足現場實際工作情況進行驗證（如圖12）。試驗前，在鉆機主機上增加配重，到達鉆機移運設計要求的最大載荷。

圖10 燃燒性試驗

圖11 摩擦磨損試驗

圖12 軌道與滑板的現場試驗

經過100 m的帶載試驗，軌道表面無劃痕、拉傷及燒結現象，滑板在移運過程中最大溫升為3 ℃。

5 結 論

1）對軌道結構的改進，增大了高壓力區的接觸面積，降低了軌道與滑板間的接觸比壓。

2）采用工程塑料合金材料制造滑板，解決了原鋼制滑板與鋼制軌道作為摩擦副在鉆機移運過程中容易發生黏著損傷現象。

3）對軌道結構的改進和采用工程塑料合金材料制造滑板，有效地解決了原軌道及滑板的損傷現象，且模塊化的工程塑料合金滑板作為易損件定期更換，進一步減少了現場維護成本。