新型钻杆自动起升装置的研制

摘 要：目前国内陆地钻机主要是利用钻台气动绞车和吊车实现钻杆上下钻台的起升任务，不仅稳定性底、设备及人身风险大、效率底，而且占用场地大、费用高。为此设计了一套用于陆地钻机的钻杆自动起升装置，该系统可以实现钻杆在井场排放架和钻台之间自动传送，用较少的钻井工人即可完成传统的钻杆起升工作，这极大地缩短了钻井周期，提高了钻井效率。利用ANSYS有限元软件对关键部件进行了有限元分析和结构优化，优化后的系统具有具有足够的强度、刚度和稳定性，满足长期使用的需要。

关键词：陆地钻机；钻杆起升；自动传送 1 国内外发展现状

目前国外在钻杆自动起升装置方面技术比较先进的公司是挪威Aker Kvaerner MH公司。该公司的管子传送系统和处理装置主要由龙门起重机、折臂起重机、管子输送机、桥式起重系统和钻台操纵臂等装置[1-2]。其主要缺点是系统结构庞大，占用较多的井场空间。国内在钻杆自送提升技术尚处于研究阶段，目前采用的钻杆起升手段主要由两种方式，一是利用钻台气动绞车，二是利用吊车[3-5]。气动绞车输送管柱时作业稳定性低、设备及人身风险大、效率不高，而利用吊车输送管柱占用场地大、费用高、稳定性亦差。

2 钻杆自动起升装置的结构

钻杆自动起升装置主要由旋转臂、起升架和竖直桁架组成，其结构如图1所示。旋转臂臂是钻杆自动起升装置的末端执行器，是实现钻杆上下钻台和钻杆由水平位置到垂直位置转换的核心部件。旋转臂由钻杆夹具手、旋转手臂、L型臂等零部件组成；起升架由起升架本体、导向机构和液压缸等零部件组成。旋转臂的前部有两个铰支点，上部的铰支点与液压缸活塞铰接，下部的铰支点与起升架的铰支点铰接。旋转臂在液压缸的作用下沿着铰接点旋转，旋转角度范围是0°～90°；同时在起升架的提升下沿着竖直桁架上下移动，实现钻杆的上下钻台的输送工作。

3 有限元分析

3.1 静力学计算

当钻杆位于水平位置时，旋转臂装配體的中心位于铰接点的左端，因此整个旋转臂装配体逆时针方向的转动趋势，这些力最终通过滚轮系统作用在竖直桁架上。因此当钻杆水平时，滚轮组中左下方滚轮和右上方滚轮和竖直桁架之间的作用力较左上方和右下方的滚轮和竖直桁架之间的作用力大，故取左下方和右上方滚轮和竖直桁架之间的作用力进行受力计算。把钻杆、旋转臂、起升架看作一个整体进行力学分析，由力的平衡：

3.2 结构分析

对为了保证钻杆自动起升装置安全可靠工作，对利用ANSYS有限元分析软件将3.1静力学计算的结果分别施加在旋转臂、起升架、竖直桁架上进行结构分析。旋转臂的材料选用16Mn，材料的屈服极限为240MPa，许用应力为180MPa。分析结果显示在旋转臂和起升架的铰接部分发生了应力集中，最大应力为160MPa，小于许用应力，满足强度要求。

桁架选用的A3钢焊接而成，材料的屈服极限为力235MPa，许用应力为157MPa，分析结构显示，整体结构的最大应力为40.1MPa，发生在桁架底部的固定端，安全系数是3.9，因此整个结构是安全的。

3.2 模态分析

对旋转臂结构进行模态分析，主要是得到结构的频率与振型，提取结构前三阶固有频率分别为：8.5682、10.822、27.716 Hz。结果显示，旋转臂整体机构在低阶频率范围内做平面的摆动，整体变形较小，刚度储备能量较大，满足安全使用的要求。

4 结束语

传统的钻杆上下钻台是利用钻台气动绞车和利用吊车提升和摔下，对钻杆本体和丝扣造成了极大的破坏，同时威胁到钻井工人的人身安全。钻杆自动起升装置实现了钻杆上下钻台的自动化操作，保护了钻杆本体和丝扣，降低了工人的劳动强度，提高了工作环境的安全系数，节约了钻井成本；此外该系统结构紧凑，安全可靠，占据较小的井场空间，对钻机井架入口高度要求低，可在各种钻机中配套使用。

参考文献

[1]Tyson R W Helmerich.Why Use a top drive on a land，or when？[C].Varco Int1.SPE/IADC Drilling Conference，1995：529-544.

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

[3]尹晓丽，张中慧，牛文杰，等.海洋钻井平台立根自动连接系统的设计与优化[J].石油机械，2011（2）：27-30.

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

[5]闫成新，贺庆强，尹晓丽.石油钻杆运移装置起升臂设计及优化[J]重型机械，2009（5）：55-57

作者简介：尹晓丽（1985-），女，山东临沂人，硕士，助教，主要从事工程图学和机械教学与科研。