深井钻机钻杆自动传送装置载重臂的机械结构设计

李宁，李林，李千山

(1. 新疆昌吉职业技术学院 能源动力工程分院 新疆 昌吉 831100；2. 东瑞石油钻具有限公司 新疆 昌吉 841000)

0 引言

新疆石油储量超200多亿吨，占全国陆地30%资源量; 天然气预测资源量10余万亿立方米，占全国陆上天然气资源量的34%。新疆的油田主要有克拉玛依油田、塔里木油田和吐哈油田等，开采的成品油气通过西气东输管道供全国许多城市使用。这些油田钻机配套的钻杆、套管、井下工具的输送机械多采用传统机械输送方式，输送机械主要由气动绞车、坡道和底座等三部分组成。钻杆或石油套管先人工推到底座上，再用人工系上钢丝绳，由气动绞车输送到钻机平台。目前，新疆塔里木油田普遍使用的深井钻机钻杆传送工作需2台气动绞车和3名操作人员配合完成，输送速度缓慢，效率低，劳动强度大，运送过程危险，容易发生钻杆甩动伤亡事故。为解决甩钻杆作业的安全问题，设计了适用于新疆油田使用的新型深井钻机钻杆自动传送装置，能够在不增加操作工人数量的情况下降低劳动强度，提高输送效率，保障安全运行，并取得了成效。

1 深井钻机钻杆自动传送装置的总体设计

钻杆自动传送系统是自动化钻井的重要组成部分，早在20世纪40年代国外就开展了自动传送系统机械化研究[1]。Humble oil 和 Byron Jackson公司联合研制了半自动化钻杆处理系统, 是由司钻和井架工共同操作[2]。1981年,挪威石油局的标准规定:作业于挪威领海内的钻机必须配备自动钻杆排放系统[3]。国内外几种成熟的7 000 m钻机使用的深井钻机钻杆自动传送装置的外观原理结构和技术参数对比数据如表1所示。从设备的结构原理和技术参数两方面看，国内的设备虽然能耗最低，但是只能下放钻杆，而且运送过程容易碰伤钻具的螺纹，而国外的设备虽然能够满足使用要求，但使用与维护成本高。本文对塔里木油田普遍使用的深井钻机钻杆自动传送装置进行了结构优化设计。

表1 典型深井钻机钻杆自动传送装置的技术参数对比

深井钻机钻杆自动传送装置主要用于钻井作业过程中钻杆、钻铤、石油套管等细长杆件在井区前场和钻台面间自动输送钻具，只能在钻井平台现有的空间内工作，尺寸不能太大，且须方便运输，可用一辆不超过17m长的平板运输车内进行设备输送。新疆塔里木油田深井钻机钻杆自动传送装置的动力源采用钻井平台能够提供的气源(压力<1.0MPa)或者电力驱动(电压为380V，功率<100kW)；运输效率须达标(传输速度>40根钻杆/h)，且连续70h不能停机工作；环境工作温度要求须达标，在-20℃～70℃都能正常工作，耐风沙、雨雪和冰冻；使用寿命不少于10年。

1.1 深井钻机钻杆自动传送装置的总体结构

深井钻机钻杆自动传送装置分为机械结构系统、液压系统、电气系统三大部分。机械结构系统主要由底座、旋转臂、载重臂、坡道等组成。各个组成部分可以滑动旋转，在运输时折叠起来，使用时展开，如图1所示。液压系统由液压站、主绞车、小绞车、支腿油缸、整料油缸、推料油缸、多路阀以及连接管线组成。电气系统由控制箱、动力柜、限位传感器以及远传监控系统组成。本文主要讨论深井钻机钻杆自动传送装置的核心部件载重臂的机械结构设计。

1.2 深井钻机钻杆自动传送装置的工作过程

深井钻机钻杆自动传送装置传送的石油套管与钻杆通常是圆柱体，很容易滚动。采用可调整角度的斜坡，以钻具自身重力滚动的方式把它送上底座，再由底座内部载重臂的槽状载具限制其位置。然后用类似电梯的原理，起升载重臂槽状载具到达钻井平台高度，再由类似注射器的原理推送钻杆或套管，靠近井口。

图1 深井钻机钻杆自动传送装置的机械结构视图

从井口下放钻具的工作流程是吊卡钻杆，吊出钻具，把钻杆的自由端放入槽状载具内。下放载具至底座，底座内置推出钻具机构，推出钻具，再由送钻具的斜坡调整角度，利用钻具自身重力滚动到钻杆架上。钻杆自动传送装置展开安装就位后，从地面向井口上送钻具的工作流程如图2所示。

让滑动小车在载重臂上移动，同时推送工件到井口机械手工作范围内，之后静止不动，机械手抓紧并起竖工件，完成输送过程，如图3所示。深井钻机钻杆自动传送装置按与上述过程相反的顺序复位，离开钻台面回到地面，等待下一次传输任务。

图2 向井场料架输送的工作流程

图3 工件从井场上的料架运送到钻台面的工作流程

1.3 深井钻机钻杆自动传送装置运送钻具的指标参数

塔里木油田使用的钻具大都是圆柱体的管状物，口径尺寸和质量是从小到大逐级递增的。按照最新钻杆标准API(美国石油协会总称)5DP规范，我国多使用R2组(8.84～9.75 m)。深井钻机钻杆自动传送装置传送常用最小的钻杆外径60.2 mm，长度9.15～9.45 m，质量99.6 kg，壁厚为7.1 mm；而井队常用最大的钻铤外径279.4 mm，壁厚76.2 mm，质量4 205.2 kg，长度范围9.15～945 m； 常用最大的套管外径508 mm，壁厚12.7 mm，质量1 880 kg，单根长度12 m。适合塔里木油田的深井钻机钻杆自动传送装置需要能运送钻杆、钻挺和套管的机械效率不低于每次接单根操作的总时间60 s，并尽可能地提高这个指标。钻具在下放过程中应可以依靠自身的重力和下放载具的角度，依靠下滑力进入载重臂，故此，设计取钻具长度可能的极限整数，并适当盈余，如表2所示。

表2 深井钻机钻杆自动传送装置的设计指标

塔里木油田油气埋藏深，多数使用50、70型钻机。钻机的钻台高度分别为9m和10.5m。钻具必须运送到这个高度，但不能超过钻台高度1m，如果超过会造成人员操作不便。深井钻机钻杆自动传送装置必须有坡道用于下放小型设备和工具。钻机安装地面和坡道夹角为50°±2°。此角度利于下放小型设备和工具，表面为瓦楞钢板，厚度不小于16mm。在运送钻具的过程中，不能对钻具两端有磕碰等容易伤及钻具螺纹的隐患。地面钻具架的高度为900mm，设计的深井钻机钻杆自动传送装置的底座尽可能与这个高度接近，方便把钻具从钻具架输送到设备。设备尽可能地使用通用标准件和符合要求的成品零部件，以降低制造成本和制造周期，后期维护方便。

2 深井钻机钻杆自动传送装置的载重臂机械结构的设计

根据GB/T 3811-2008《起重机设计规范》，安监局标准《机电类特种设备制造许可规则(试行)》和油田设备标准GB/T 3811-2008《起重机设计规范》来确定载重臂基本几何框架尺寸。

2.1 载重臂大结构几何设计

首先载重臂长度必须≥13m，根据井队现场使用条件，确定载重臂长度和外形。如图4所示。

图4 载重臂水平布置尺寸图

在计算载重臂工作角度时，考虑到钻具自重下滑力必须大于摩擦阻力，摩擦系数u取最大0.32。通过力学分析计算，设计取∠AOC为 19°(∠AOC实际就是上送和下放钻具时载重臂和地面所成的夹角)。如图5所示。

图5 载重臂工作角度示意图

考虑到钻具放置在载重臂上运送到钻台面，必须要有动力推动。所以要有个推动力，设计一个滑动小车对钻具进行推动，在下放钻具时还可以起阻滞的作用，以免钻具在重力和角度的作用下失速下滑。

滑动小车要能够在载重臂内大范围的来回移动，目的是有一些短的钻具例如扶正器和中间接头等常用圆柱状打捞工具都可以上送至钻台面利于人员接送的位置，所以滑动小车的设计行程应在符合整体尺寸范围内尽量大。滑动小车必须能够推动钻具载重臂内移动而结构不变形，并且尺寸越小越好，减少载重臂的长度，降低整体质量，节约材料和节约能源。

确定基本结构为L型，形状如钩，厚度取28mm，不能太薄。受纵向力变形<0.2mm，否则会导致不能在载重臂内滑行。长度方向上，靠近液压绞车一端在满足强度要求下尽量短，可使载重臂也短；面对钻具方向上，只要能利于导向的长度就可以，初步设计尺寸图如图6所示。

图6 滑动小车基本结构尺寸

根据深井钻机钻杆自动传送装置整体几何尺寸的数据，在上推和下放钻具时，载重臂与地面角度为19°时滑动小车所受的力是最大。通过力学结构有限元分析计算，设A-B固定，主要分析是否有超过材料屈服极限的位置。图7、图8为滑动小车应力图与变形量图。

通过图7和图8分析结果可知，最大应力处84 MPa，远小于屈服极限220 MPa。最大变形量2.6 mm，应在钻具挡板背后布置加强筋，减小变形量至0.5 mm内。

要使滑动小车在长条型的钢结构上来回自由可控的移动，选择钢丝绳两端拉动滑动小车，这种结构符合耐用抗冲击、好维修的要求，滑动小车的动力选择液压绞车。

图7 滑动小车应力图

图8 滑动小车变形量图

2.2 载重臂横截面V槽的结构设计

载重臂内需要有个V槽的结构限定钻具的移动方向，起导向作用。滑动小车推动钻具向上滑移；钻具下放时阻挡钻具，使其慢慢滑入V槽内。

按照GB/T 3811-2008《起重机设计规范》设计计算载重臂横截面V型槽尺寸，对于露天使用的设备应考虑风载荷的作用。假定风载荷是沿最不利的水平方向而来，风压对钻具造成的横向推力(风载荷)，20"套管迎风面积和其自重比最大，故风载荷对其影响最大，只计算20"套管的极限数据就可以涵盖所有钻具。计算风压造成的横向推力，设计取V槽成型角度α=146°，根据要求V槽板最小厚度16 mm，同时切点对称延长V槽宽度使钻具更稳定的位于槽内。如图9所示。

图9 V槽板设计示意图

2.3 载重臂的阻挡防掉落机构与V槽推出机构的设计

载重臂的阻挡防掉落机构的作用是防止钻具滚入槽的运动惯性太大，会过冲而滚出V槽。设计一个阻挡机构使钻具滚回槽内。此机构必须左右两边都有数个可阻挡钻具，而且可分别控制左右两侧起落。在载重臂起升时两侧同时升起，起到一个防护栏的作用；在遇到意外的载重臂失速下落和钻具受到侧向的剧烈冲击时，保证钻具不会掉出载重臂而意外伤人。其结构设计如图10所示，阻挡防掉落机构设计为液压控制可伸缩的圆柱体，直径为45 mm，高150 mm。

载重臂落入底座后，从底座内部侧向伸出的液压缸能够将钻具推出V槽，完成卸载钻具的工作。由于钻具直径大小各不相同，要做到全部规格适用，必须让推出机构的运动路线沿着V槽的面平行运动，才能把各个规格的钻具推出V槽。如图10所示，此方案简单有效，为液压斜推方式。

图10 载重臂的阻挡防掉落机构和V槽推出机构设计图

2.4 载重臂的纵向截面结构力学分析

通过对载重臂的受力分析可知，载重臂水平时所受力最大，11"钻挺质量最大，若载重臂能承载则它其他钻具都可以适用。由图11所示，可把载重臂的受力状态简化为简支梁的受力分析。

图11 载重臂的纵向截面的受力图

最重的11"钻挺质量4 500kg，按长度9.45m计算，线性均布载荷为W1=4 500×9.8÷9.45=4.66kN/m。各个截面的受力图及弯矩图如图12-图14所示。

图12 载重臂的纵向截面载荷受力图

图13 载重臂的纵向截面剪力图(剪力最大处在两端为22.04 kN)

图14 载重臂的纵向截面弯矩图(弯矩最大处在载重臂的中间7 m处，为102.24 kN/m)

对载重臂纵向截面进行有限元分析，截面惯性矩必须≥载重梁才不会被破坏，而且挠度须符合标准GB/T 3811-2008《起重机设计规范》对载重梁要求。由图15载重臂静应力分析图可知，最大等效应力129 MPa远小于屈服力极限220 MPa，安全系数为1.7。

图15 载重臂静应力分析图(屈服力)

由图16载重臂静应力分析图可知，变形最大在中间为9.233mm(9.233÷14 000=0.000 664)小于1/1 800(0.000 555)，符合重载梁对挠度的要求。

载重臂纵向截面腹板的圆形空洞为维修和安装内部零件和减重而设计，同时分散受力，有利于结构稳定且制造速度快，维修快，变形小。综合以上计算结果，载重臂设计的材料和尺寸，能够实现上述功能和达到强度及挠度要求。

图16 载重臂静应力分析图(变形量)

3 结语

通过对深井钻机钻杆自动传送装置载重臂机械结构设计的研究，实现钻具传送、上下钻台等功能，并将井口钻具操作自动化，使钻井速度得到很大的提高，大幅降低作业风险。本文设计的深井钻机钻杆自动传送装置载重臂机械结构完全满足设备的工作速度、外形尺寸、运输条件、工作环境、使用寿命及成本等设计条件，极大提升了井队现场作业的效率和安全性。

[1] 尹晓丽,牛文杰,张忠慧. 钻杆自动传送系统及设计方案[J]. 石油矿场机械,2009,38(7)：42-46.

[2] David, Reid, Varcointernational,et al. Th Development of Drilling Rigs[R]. Dallas：IADC/SPE Drilling Conference,1998.

[3] 刘文庆,崔学政,张富强. 钻杆自动排放系统的发展及典型结构[J]. 石油矿场机械,2007,36(11)：74-77.