顶部驱动钻井系统背钳设计计算

王士斌

（中石化江苏石油工程有限公司安徽分公司，合肥230022）①

顶部驱动钻井系统背钳设计计算

王士斌

（中石化江苏石油工程有限公司安徽分公司，合肥230022）①

介绍了顶部驱动钻井系统背钳的结构及工作原理，确定了背钳牙板夹持钻杆时的摩擦因数，进行了夹紧液缸参数设计、背钳牙板设计。将这些方法应用到YDQ90型顶驱背钳的设计中，成功地试制出产品，经过现场应用，效果良好。

顶部驱动钻井系统；背钳；液缸；牙板

顶部驱动钻井系统（以下简称顶驱）具有较高的承载能力、良好的密封性能及足够的转矩，与传统的具有相同功能的石油钻机钻井系统相比，可节省钻井时间20%～30%，尤其在钻高难度的定向井、水平井时经济效果更加显著，并可预防卡钻事故［1］，现在已成为石油钻井行业的标准产品［2］。顶部驱动钻井系统的适用性广，2 000～9 000 m的井深都可以使用，并可拓展到煤气层钻井系统中。

背钳（如图1）为顶驱管子处理装置的核心部件之一，由夹紧系统、悬挂系统和扶正部分组成。夹紧系统是由液压缸、前后端盖、活塞、钳牙座和钳体［3］等零部件组成。夹紧时，液压缸进油，推动活塞向前移动，当牙板接触到钻杆［4］后，活塞停止运动，液压力推动液压缸向后移动，带动前侧牙板夹住钻杆，主轴旋转完成上、卸扣的动作。悬挂系统由挂架、托座和弹簧等构成。背钳的重力通过弹簧作用在拖座上，可以减少钻井时的振动冲击，还可以实现浮动功能。扶正系统由扶正环和弹簧等构成。背钳不工作时，前后扶正环抱紧保护接头，使背钳牙板和钻杆保持一定间隙；当背钳夹紧时，右扶正环由于顶在钻杆上，不能随钳体一起后移，所以压缩弹簧，待背钳松开后，在弹簧作用力下推动背钳使液压缸前移复位，继续保持牙板和钻杆的间隙。

背钳设计的核心技术为牙板［3］夹持钻杆时摩擦因数的确定、夹紧液缸参数设计和计算、扶正部分结构和相关参数设计。

图1 背钳结构

1 背钳牙板夹持钻杆时的摩擦因数确定及相关参数计算

1.1 摩擦因数的确定

2个金属表面在法向载荷作用下的接触面积，并非2个金属表面互相覆盖的公称接触面积A0，而是由一些表面轮廓峰相接触所形成的接触斑点微面积的综合，称为真实接触面积Ar。由于真实接触面积很小，因此可以认为轮廓峰接触区所受的压力很高。当接触区受到高压而产生塑性变形后，这些微小接触面便发生粘附现象，形成冷焊点。当接触面相对滑动时，这些冷焊结点就被断开。此时摩擦力Ff≈Ar·τb（τb为结点材料的剪切强度极限）。对于理想的弹塑性材料，当法向载荷增大时，真实接触面积Ar也随之增大，应力并不升高，而停留在材料的压缩屈服极限σsy，此时Ar＝Fn／σsy。则：Ff＝Ar·τb＝Fn·τb／σsy，那么摩擦因数为f＝τb／σsy。对于钢材，工程上常取［τ］＝（0.75～0.80）［σ］，在剪切及拉伸压缩计算时，安全系数［5］取相同值时，上式为［τ］·n＝（0.75～0.80）［σ］·n，即摩擦因数f＝τb／σsy＝0.75～0.80。其中：Fn为法向载荷；τb、σsy为2种金属中较软者的剪切强度极限［5］与压缩屈服极限；［τ］、［σ］为2种金属中较软者的许用剪应力和许用拉应力。塑性材料的抗拉与抗压是等强度的，所以塑性材料的拉伸与压缩的许用应力是相同的。

综上所述，结合摩擦学原理及国内外顶驱设计的经验，在设计背钳时的相关计算中，取摩擦因数f＝0.75。

1.2 背钳牙板受力计算

背钳牙板受力如图2。已知：钻杆接头［4］最大外径为D，mm；工作转矩为T1，N·m；最大转矩T（取工作转矩的2倍来设计缸径）；夹持液缸油的压力p，MPa；摩擦因数f＝0.75；两牙板夹角为60°。

根据图2c得

式中：d为夹持液缸活塞直径，mm。

将N1、N2、N3、N4记作N。牙板压应力σ＝N／As，据此得出牙板与钻杆最小接触面积As。

图2 背钳牙板受力分析

2 背钳夹紧液缸参数设计

夹紧液缸活塞直径d根据第1.2节已经计算出夹，并取整为5的倍数即可。

根据背钳自由状态下牙板与钻杆接头外径间隙L及背钳工作原理（如图3），来确定夹紧液缸行程：活塞前移L到达钻杆接头外径，液缸带动背钳摆动使前侧牙板到达钻杆接头外径，需行程L，液缸前进及缩回各预留行程S（mm），共计总行程为2（L＋S）。

图3 背钳夹紧及自由状态原理

3 背钳扶正结构及尺寸设计［7］

分析国内外顶驱背钳扶正结构，一般有2种安装位置：①连接到液缸上方；②安装到悬挂系统的立柱上。根据常用顶驱背钳结构（如图1）及背钳夹紧和自由状态原理（如图3），采用第2种安装位置。在对该结构设计时，悬挂系统尺寸（S2、S4、S5）、扶正结构的尺寸位置（S1、S2、S4）、液缸行程（L、S）、自由状态下牙板与钻杆接头外径的距离（L）之间具有严格位置尺寸关系。

根据顶驱整体结构、夹紧液缸结构尺寸来设计S1、S2、S3、S4、S5。根据以下原则来确定相关参数，之间的关系并进行扶正环及扶正套相关零件的尺寸设计。

3.1 背钳自由状态

1） 左右钳牙距离钻杆接头外径均为L（一般取10～20 mm）。

2） 右扶正环距离钻杆接头外径0 mm，左扶正环距离钻杆接头外径L／2，扶正环弹簧自由状态。

3） 扶正套右边内孔距离钻杆接头外径1.5 L，左边内孔与钻杆接头外径距离＝扶正套内孔直径－钻杆接头外径－1.5 L。

3.2 背钳夹紧状态

1） 左右钳牙距离钻杆接头外径均为0。

2） 右扶正环距离钻杆接头外圆为0，弹簧受压；根据图3确定左扶正环距离钻杆外径距离及弹簧受压缩量。

3） 整个背钳立柱竖直中心线倾斜一定角度α，钳牙有最大倾斜距离，均根据图3得到具体数值。

4） 夹紧液缸行程为2（L＋S）。

4 设计应用

以YDQ90型顶驱的输入参数为例。

4.1 背钳牙板参数确定

已知：钻杆接头最大外径D＝127 mm；工作转矩T1＝15 k N·m；最大转矩T＝30 k N·m；压力p＝16 MPa；摩擦因数f＝0.75；两牙板夹角为60°；牙板材料38Cr Mo Al，调质处理，表面氮化，σb＝980 MPa，σs＝835 MPa。

根据式（7）得d＝147.3 mm；根据式（8）得N1＝N2＝157 418 N；牙板压应力σ＝N／S＝157418／As＜σs＝835 MPa；As＞157 418／835＝188.5 mm2。

根据以上计算，结合钻井和修井动力钳、吊钳标准，对牙板的结构尺寸进行设计。

4.2 背钳夹紧液缸参数确定

背钳自由状态下牙板与钻杆接头外径间隙L取为14 mm。

根据第1.2节中的计算，设计出夹紧液缸的内径为147.3mm，圆整为150 mm。

根据已知要求（背钳自由状态下牙板与钻杆接头外径间隙14 mm）及背钳工作原理，确定夹紧液缸行程：2（L＋S）＝40 mm（根据经验预留行程S取6 mm）。

4.3 背钳扶正结构及尺寸设计（如图1）

根据顶驱整体结构、夹紧液缸结构尺寸确定S1＝141.5 mm、S2＝317 mm、S3＝331 mm、S4＝420 mm、S5＝356.5 mm。相关参数之间的关系、扶正环及扶正套相关零件的尺寸设计如下：

1） 左右钳牙距离钻杆接头外圆均为14 mm。

2） 右扶正环距离钻杆接头外圆为0，左扶正环距离钻杆接头外圆7 mm，弹簧自由状态。

3） 扶正套右边距离钻杆接头外圆21 mm，左边距离钻杆外圆（159－127）－21＝11 mm（注：可根据该关系式，确定扶正套内孔尺寸159 mm）。

4） 右扶正环距离钻杆接头外圆为0，受压，弹簧最大压缩13.37－7＝6.37 mm，最大拉伸应小于6.37 mm；左扶正环距离钻杆外圆13.37 mm。

5） 整个背钳竖直中心线倾斜91°2′，钳牙最大倾斜1.07 mm。

6） 夹紧液缸行程2×（14＋6）＝40 mm。

7） 扶正套右边距离钻杆接头外圆8 mm，球头受压；左边距离钻杆接头外圆（159－127）－8＝24 mm。

5 结论

经过对顶部驱动钻井系统背钳的原理分析及结构设计应用，达到了顶驱在钻井过程中的接单根、上卸扣和倒划眼等多种操作的目的。同时使顶驱实现了浮动功能，减少了打钻时的振动冲击。正常钻进时，保持牙板和钻杆的间隙，防止碰撞和摩擦的产生。顶部驱动钻井系统背钳的研究设计原理和方法，最初被应用在YDQ90型顶驱背钳的设计上，通过功能试验和现场使用，达到了预期效果。之后该技术又被应用在YDQ135型等顶驱上，均取得了良好的效果。经过几年来的现场应用，证明该技术可以广泛应用于各类顶驱背钳的设计。

［1］ 陈朝达.顶部驱动钻井系统［M］.北京：石油工业出版社，2000.

［2］ SY／T 6726—2008，石油钻机顶部驱动装置［S］.

［3］ SY／T 5074—2012，钻井和修井动力钳、吊钳［S］.

［4］ API Spec 5DP—2009，钻杆规范［S］.

［5］ 濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，1996：40-43.

［6］ 苏翼林.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1987：35-51.

［7］ 冯琦，郭永岐，桑峰军.典型顶部驱动钻井装置结构与功能分析［J］.石油矿场机械，2013，42（9）：90-93.

Design Calculation of Backup Tong in Top Drive Drilling System

WANG Shi-bin
（Anhui Branch Company，Sinopec Jiangsu Petroleum Engineering Company，Hefei 230022，China）

The structure commonly used and working principle of the backup tong in the top drive drilling system are described in detail，and some core issues in the design of backup tong are proposed.The coefficient of friction is determined，the selection of the clamping hydraulic cylinders parameters are made to design the dental lamina.These methods have been applied to the design of the backup tong in the YDQ90 top drive drilling system，and a successful product has been manufactured.The onsite operation succeeded with ideal result.

top drive drilling system；backup tong；hydraulic cylinder；dental lamina

TE922

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.009

1001-3482（2014）07-0033-04

2013-10-21

王士斌（1962-），男，安徽枞阳人，高级工程师，主要从事钻井企业管理工作。