石油钻机立根自动连接系统中钻杆水平运移装置的设计

余焱群 ，牛文杰 ，闫成新，尹晓丽，张庆庆

YU Yan-qun,NIU Wen-jie,YAN Cheng-xin,YIN Xiao-li,ZHANG Qing-qing

（中国石油大学(华东) 机电工程学院，东营 257061）

0 引言

顶部驱动钻井是20世纪80年代发展起来的一项新技术，顶驱钻井系统以立根（3根）为单元进行钻进，极大地提高了钻井效率。但钻井开始之前，必须先将单根接成立根，然后才能利用顶驱进行钻进[1,2]。本课题组设计了一套适用于顶驱钻机的立根自动连接系统，该系统利用行程开关定位，通过一系列的液压动作，可实现钻杆上下钻井平台、接成立根和拆成单根、运移钻杆堆场过程自动化，极大地减轻了井场工人劳动强度，提高了生产效率。使用该钻杆自动移运系统，可以使总钻井时间减少25%，钻井成本减少30%[3]。在立根自动连接系统中钻杆从堆场移近钻井平台是后续钻杆运移的基础。

1 立根自动连接系统

立根自动连接系统主要包括4个部分：1）单根钻杆水平移运装置；2）单根钻杆垂直提升装置；3）单根-立根接卸装置；4）立根垂直提升装置等组成，结构简图如图1所示。

单根钻杆在拨管机构的作用下由钻杆堆场排放架进入立根自动连接系统，单根在地面水平运移装置中移近钻井平台进入垂直提升系统，交给单根垂直提升夹具手，夹具手上提钻杆至单根-立根接卸装置接成立根，由立根提升装置交给钻台二层台井加工。

图1 立根自动连接系统简图

2 水平运移装置

地面水平运移系统主要完成钻杆上、下钻杆排放架，以及实现在水平导轨中钻杆移近钻台和远离钻台行程10 m的往复运动。水平运移系统分成上钻杆和卸钻杆两种工序和工位，上钻杆时首先从排放架上取下钻杆，然后在钻杆移运小车地推动下向钻台移近10 m，进入垂直提升架，交给钻杆垂直提升夹具手；卸钻杆时垂直提升夹具手将钻杆端部放置在钻杆移运小车上，然后在液压绞车的带动下牵引钻杆远离钻台10 m，再上钻杆排放架。

水平运移装置主要由：1）钻杆移运小车；2）液压绞车；3）水平导轨；4）行程定位机构等组成，结构和安装示意图如图2所示。

图2 水平运移装置结构和安装示意图

2.1 钻杆移运小车

钻杆堆场距离钻井平台约20m，上钻杆时首先需要将钻杆移近钻井平台，卸钻杆时需要将钻杆移离钻井平台，此过程由钻杆运移小车来实现。钻杆运移小车在水平架轨道上往复运行，小车动力由液压绞车提供，换向由行程开关控制，整个过程自动化。

钻杆运移小车主要由：1）小车主体部件；2）翻转部件；3）扭簧；4）扭簧轴；5）小车轴；6）小车轮子等组成，具体结构如图3所示。

图3 钻杆运移小车结构图

图4 小车轴结构受力图

2.1.1 小车轴设计计算

小车轴由轴颈压盖安装在小车主体部件上，通过轴承与小车轮子相连。小车轴受力主要有钻杆移运小车自身重力，卸钻杆时单根钻杆重力（最大受力工况）以及轴承产生的扭矩（可以忽略不计）。小车轴具体结构和受力如图4所示。

其中：

式中：F1、F2分别为小车和单根钻杆对小车轴的作用力，N；G车、G钻杆分别为小车和单根钻杆的重力，N。

依据图4小车轴结构受力图可知，小车轴为弯扭组合梁，受力危险截面为直径Φ30段轴颈处。轴材料选用45钢调质处理，σB=650MPa，σS=360MPa。

弯曲应力等效系数：

式中：σ-1b、σ0b分别为对称循环和脉动循环应力状态下的弯曲应力（疲劳极限），MPa。

切应力等效系数：

式中：τ-1、τ0分别为对称循环和脉动循环应力状态下的切应力（疲劳极限），MPa。

弯矩（危险截面处）：

弯曲应力幅：

式中：Wm为小车轴的抗弯截面系数，mm3。

扭转切应力幅：

式中： WT为小车轴的抗扭截面系数，mm3。

弯曲安全系数：

式中：查表可得[4]，设计按无限寿命计，kN=1；有效应力集中系数：kσ=1.74，kτ=1.74；表面状态系数：β=0.92；尺寸系数：εσ=0.88

通过上述强度校核，可见钻杆运移小车的小车轴安全系数高，有较大的强度余量，完全满足石油机械零部件高强度的设计要求。

2.1.2 扭簧设计计算

小车上扭簧需要保证钻杆在V型槽中移运时不扭转，而到达目的地后在卸杆机构的推动下扭转。扭簧工作时所受的扭转力由钻杆的重力和钻杆所受的摩擦力两部分组成，如图5所示。

图5 单根钻杆受力图

作用在接箍卡板上的扭转力为：

运行时需要扭簧扭矩为：

扭簧设计扭矩为（安全系数3）：

设计扭簧结构性能尺寸如表1所示。

表1 设计扭簧结构尺寸表

2.2 行程限位机构

钻杆进入垂直提升架后，必须准确限位，以便垂直提升装置中的夹具手能够抓住钻杆接箍头脖颈部位。采用弹簧与行程开关复合限位机构，弹簧可起缓冲作用，行程开关起程序控制触发作用（控制液压绞车起动、停止）。

行程限位机构主要由：1）压缩弹簧；2）弹簧导轴；3）导轴套筒；4）行程开关滑杆；5）限位机构保持架；6）行程开关挡块等组成，结构如图6所示。

弹簧导轴2的主要功能：1）作为弹簧伸缩运动的导轴；2）行程定位时的机械限位。弹簧导轴左段直径大，右段直径小，当弹簧压缩到一定位置时，导轴大径右端面将靠上定位机构保持架套筒的左端面，可以达到上钻杆时接箍头机械限位，和卸钻杆时钻杆移运小车机械限位。

图6 钻杆行程限位机构结构图

3 结论

石油钻机立根自动连接系统实现了立根连接和顶部驱动同步进行，极大地缩短了钻井周期，提高了钻井效率，降低了工人的劳动强度。针对石油钻杆移运的工作状况，设计了钻杆水平运移装置，介绍了关键部件钻杆运移小车和钻杆定位机构，并对小车关键零部件进行了静力学分析和计算。

[1] Boyadjieff George I.An overview of top-drive drilling system applications and experiences[C].IADC/SPE 14716,1996：435-442.

[2] 尹晓丽,牛文杰,张中慧.钻杆自动传送系统及设计方案[J].石油矿场机械,2009,(7)：42-46.

[3] 闫成新.石油钻杆提升装置承重轮总成设计[J].润滑与密封,2010,35(5)：74-77.

[4] 成大先.机械设计手册：第二卷[M].5版.北京：化学工业出版社,2008.