套管钻井中机械传动两档绞车设计方案研究

2014-06-27屈晓妮中石化石油工程机械有限公司研究院湖北武汉430233

长江大学学报(自科版) 2014年19期

屈晓妮 (中石化石油工程机械有限公司研究院,湖北武汉 430233)

套管钻井中机械传动两档绞车设计方案研究

屈晓妮 (中石化石油工程机械有限公司研究院,湖北武汉 430233)

为了适应套管钻井施工的要求,结合套管钻井工艺的特点,对机械传动两档绞车结构进行设计,其主要由绞车架、主滚筒、高低速气控离合器、输入轴、中间轴、液压盘式刹车机构、应急装置和电磁涡流刹车等组成,并详尽分析了其工作状况。在油田套管钻井中采用机械传动两档绞车能够提高施工效率,可以在各油田推广使用。

套管钻井;机械传动;两档绞车

在常规钻杆钻井中,当更换钻头或改变井下钻具组合时需将钻杆提出井眼。随着井中取出钻杆数量的增加,钻机大钩上的负荷逐渐减小,起升速度也相应增加。为提高发动机工作效率率,需要采用多档绞车进行施工[1]。在套管钻井时,用套管代替钻杆对钻头施加扭矩和钻压,由此实现旋转钻进,且更换钻头或改换井下钻具组合时,不再频繁起下套管或钻杆[2]。为了适应上述情况,必须对多档绞车机构进行简化。为此,笔者对套管钻井中机械传动两档绞车设计方案进行了研究。

1 机械传动两档绞车结构设计

机械传动两档绞车采用链条传动,通过输入轴、中间轴、主滚筒轴3组平行的轴系(见图1),将输入动力分别按2个路径传递到输出轴即主滚筒上(见图2),从而形成机械传动两档绞车结构。

1.1 主滚筒

主滚筒是绞车重要部件,用来缠绕起吊负荷的起重大绳,其两端带有径向气控摩擦离合器(包括低速离合器和高速离合器)。通过控制径向气控摩擦离合器,可使主滚筒得到不同的转速和扭矩[3-4]。同时,主滚筒上配有液压盘式刹车机构来其控制运动。此外,主滚筒上还配有电磁涡流刹车装置作为辅助刹车机构。

1.2 中间轴

中间轴分为左、右2部分,分别标记为中间轴Ⅰ、中间轴Ⅱ,2个中间轴相对独立,其中中间轴Ⅱ上带有中间轴离合器,并带有与输入轴相啮合的传动齿轮。

图1 机械传动两档绞车结构图

1.3 输入轴

输入轴在绞车内部与中间轴相连,在绞车架外部与并车传动箱输出动力相连接,其作用是将并车传动箱输出的动力转换为绞车的动力,并按不同的传动比传递到中间轴上。输入轴上另一端带有应急装置。

1.4 绞车架

绞车架是整个装置的的机架,将其他功能的零部件固定和联系在一起,起承载和固定作用。

1.5 液压盘式刹车机构

液压盘式刹车机构是主要刹车机构,能控制主滚筒的旋转运动,从而保证大钩按要求正常工作。

1.6 电磁涡流刹车

电磁涡流刹车是辅助刹车机构,在大钩上悬挂较重负荷加速自由下落时,通过电磁涡流产生与主滚筒旋向相反的扭矩,阻碍主滚筒快速旋转,使大钩匀速下降,确保刹车安全和可靠。

1.7 应急装置

应急装置与输入轴相连,由电动机、减速器及齿式离合器等组成。当主动力出现故障时,通过齿式离合器驱动减速器带动输入轴旋转,由此提供应急动力,因而属于安全保护装置。

图2 主滚筒轴端结构示意图

2 机械传动两档绞车工作状况分析

2.1 高、低速档

1)低速档当低速离合器挂合、高速离合器断开时,输入轴上的动力经链传动传递到中间轴Ⅰ上,并通过另一组链传动传递到主滚筒上,由此驱动主滚筒低速旋转(此时高速离合器处于断开状况)。

2)高速档当低速离合器断开、高速离合器挂合时,中间轴离合器处于挂合状况且换向机构断开(此时齿轮传动不传递扭矩),动力经输入轴传递到中间轴Ⅱ上,并通过另一组链传动传递到主滚筒上,由此驱动主滚筒高速旋转(此时低速离合器处于断开状况)。

2.2 倒档

根据套管钻井工艺的要求,两档绞车保留倒档功能。在输入轴和中间轴Ⅱ之间设置一对齿轮传动,由此改变传动方向,使主滚筒得到一个反向扭矩。挂合倒档时,中间轴离合器断开,此时输入轴到中间轴Ⅱ上的链传动处于空转工况,不能传递动力。当挂合换向机构时(换向机构只在主滚筒倒档时挂合,中间轴离合器在倒档时必须断开),输入轴和中间轴Ⅱ之间的传动变成齿轮啮合,然后挂合高速离合器,此时动力传递到主滚筒,从而实现主滚筒反转。换向机构只在主滚筒倒档时挂合,中间轴离合器在倒档时必须断开。