死绳固定器限位块对悬重表读数的影响

2018-07-18滕华

安阳工学院学报 2018年4期

关键词：滑轮组滑轮限位

滕华

（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海201206）

在钻井过程中，钻井参数无疑是非常重要的指标，司钻人员在操作时要实时监视钻井参数的变化。常用的钻井参数有悬重、钻压、泵冲、转速、扭矩、井深、钻头位置等。其中，悬重无疑是最重要的参数之一。

悬重，顾名思义，就是大钩载荷。司钻人员通过悬重的变化，再加上其他参数，就可以综合判断井下的状况以及钻具的情况。如果悬重值不准，或有大范围偏离，就会对司钻人员造成判断上的失误，从而可能导致钻井事故或更严重的后果。

1 悬重传感器

悬重有两种方法来测量，一是测量死绳的拉力，二是测量死绳的张力。一般来说，测量拉力是比较可靠的，它能提供更高的准确度。通常拉力传感器也称为压力传感器，安装在死绳固定器上。在没有死绳固定器的钻机上则测量死绳张力，传感器一般是直接卡在大绳上[1]。

拉力∕压力传感器一般有液压式和电子式。液压式是将大绳拉力转换为液压油压力，再将液压压力传递到司钻房内的悬重表上，或再接一个压力传感器，将液压压力转为电信号，接入钻井系统或电子悬重表上。电子式是直接将大绳拉力转换为电信号，再将电信号接入钻井系统或电子悬重表上。所以可以看出，悬重表读数直接来自于传感器。

液压式传感器，需要经常维护，要定期检查测量传感器间隙，间隙过小时需要及时补油。但是液压式的稳定性好，测量数据较准。电子式传感器不需要维护保养，但长时间使用容易出现漂移现象。

图1 液压式拉力传感器

2 悬重受力分析

图3为勘探六号平台井架大绳布置图[2]，从图中可以看到，大绳从绞车滚筒出来，经过二层台快绳排绳器，向上到井架顶部天车层右侧导向滑轮，至天车定滑轮组，向下绕过游车动滑轮组，再向上反复绕过天车与游车的滑轮组几次，一般有几套滑轮组就绕几次，本文中以图3的平台为例，其滑轮组为7套，所以要反复绕7次，最后一次从天车定滑轮组绕出，再通过左侧导向滑轮，向下经死绳中间滑轮，至死绳固定器。

图3 井架大绳布置图

图3的悬重受力简化后如图4所示。

图4 悬重受力分析图

根据滑轮的特性，定滑轮只改变力的方向不改变大小，一个动滑轮省一半力。再考虑正常状况下，大绳和滑轮轮缘之间无相对滑动，因此不存在滑动摩擦力，而滑轮轴承一般都润滑良好，所以整个系统不考虑摩阻[3]。由此可得悬重G，和死绳固定器处的拉力F之间的关系为

其中n为动滑轮数量，当n取7时可得

3 死绳固定器受力分析

图5为死绳固定器，由图可知，大绳从井架上垂直下来，至死绳固定器后，绕轮毂铺满一层，绕出轮毂后卡在绳卡上，传感器安装底座平行于钻台面，并与轮毂一体随着轮毂转动，传感器上面的压板与死绳固定器底座一体固定于钻台上。简易的受力分析图如图6所示。

图5 死绳固定器

图6 受力分析图

首先设死绳的拉力为F，传感器所受向下压力为F'，力F与力F'的作用线平行，且垂直于钻台面。力F与转轴的力臂为a，力F'与转轴的力臂为b，由力的平衡条件可得[4]

图7为勘探六号平台的死绳固定器尺寸图[5]，根据上图的尺寸，a为1英尺3又3∕4英寸（1英尺=12英寸=304.8mm)，b为2英尺6又1∕2英寸，带入公式（4）中可得

图7 死绳固定器尺寸图

该计算数值与勘探六号钻井操作系统中的系统内部设定值一致。

即悬重为传感器所受压力的27.1115倍。这是正常状态下的情况，下面我们分析死绳固定器的限位块对悬重的影响，图8为死绳固定器限位块照片。

图8 死绳固定器限位块

从图8可知，限位块与轮毂是一体的，可与轮毂一起转动，插入与死绳固定器底座一体的这块背板中。限位块周围有少许活动空间，正常情况下限位块是与四周都不接触的。安装限位块是出于安全上的考量，同时也限定了传感器上下活动的空间。从图7的尺寸图中就可以看到，传感器的上限空间为4又1∕2英寸，下限空间为3又3∕4英寸。但在实际生产实践中，由于海上钻井平台的作业环境恶劣，限位块经常会由于生锈或者外界杂质堆积等原因，堵满本来应该存在的限位块周围空隙。下面分析限位块周围被堵满后的受力情况。

图9为限位块周围堵满的受力情况分析图。

即真实的悬重为公式（8）所列，而此时悬重表的显示值为G'=2nbF'∕a，两者的差值为G-G'=2n（bF'+cF"）∕a-2nbF'∕a=cF"∕a，即悬重表上的读数比真实的悬重值差了cF"∕a，会造成悬重表读数比实际值小，从真实情况来看，也是如此。这其中c和a都是常数，F"的值主要取决于限位块周围堵塞的情况，堵得越满，F"越大。