新型钻杆自动起升装置的研制
顶部驱动钻井装置的结构
顶部驱动钻井装置的结构顶部驱动钻井装置由以下主要部件和附件组成:l)水龙头-钻井马达总成(关键部件之一);2)马达支架/导向滑车总成(关键部件之一);3)钻杆上卸扣装置总成(关键部件之一,它是体现顶部驱动钻井装置最大优点的设备);4)平衡系统;5)冷却系统;6)顶部驱动钻井装置控制系统;7)可选用的附属设备。
第一节水龙头-钻井马达总成水龙头-钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件,见图2-l。
它由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。
钻井水龙头额定载荷是6500 kN;采用串激(或并激)直流电动机立式传动,驱动主轴。
轴上端装有气动刹车(16VC600气离合器)。
当气压为0.62 MPa时,可产生47.5 kN/m的扭矩,用于马达的快速制动。
这是由于主轴带动质量很大的钻具旋转时,旋转体转动惯量大,惯性则大,因此立即刹止,改变运动方式是不易的,故要有气刹车刹止才能克服惯性,制止钻具的旋转运动。
马达轴下伸轴头装有小齿轮(Z=18),与装在主轴上的大齿轮(Z=96)相啮合,主轴下方接钻杆柱,最大转速为430 r/min。
钻井时,当马达电枢电流为1325 A时,间隙尖峰扭矩51.5 kN/m,而当电流为1050A时,连续运转扭矩为39.1kN/m,主轴转速可达180r/min。
由上可见,水龙头-钻井马达总成包括下述主要部件:。
1)钻井马达和制动器(气刹车)2)齿轮箱(变速箱);3)整体水龙头;4)平衡器。
以下将分别对每个部件进行说明。
一、钻井马达在TDS-3S型顶部驱动钻井装置上安装的是1100/1300hp的并激直流钻井马达。
马达配置双头电枢轴和垂直止推轴承。
气刹车用于承受钻柱扭矩,避免马达停车并有利于定向钻井的定向工作。
气刹车由一个远控电磁阀控制。
如需要输出扭矩和齿轮传动比卡片,可参阅用户手册。
二、齿轮箱(变速箱)总成TDS-3S型顶部驱动钻井装置的单速变速箱由下述主要部件组成:1)96齿大齿轮;2)18齿大齿轮;3)上、下箱体;4)主轴/驱动杆;5)马达支座机罩。
钻井机械.3旋转系统
用离心式鼓风机对 电机进行强制冷却。
职培中心
第三章 钻机的旋转系统
加高进气口的 近距离冷却系统
职培中心
第三章 钻机的旋转系统
四、转盘的使用及维护保养
1、使用转盘前，应按规定检查机油的油质、 油量，并使其符合要求。
2、转盘启动前，对锁紧装置上的销轴注入润 滑脂。其锁紧装置上的操纵杆或手柄应不在锁紧 位置。启动转盘前，应检查轴上的密封圈密封是 否可靠、转盘链条护罩或万向轴护罩是否齐全、 牢靠。检查转台与方瓦、方瓦与补心是否锁紧。
转盘主要由水平轴、转台、主轴承、壳体、方 瓦及方补心等组成。
主要作用是：带动钻具旋转钻进和在起下钻过 程中悬持钻具、卸开钻具螺纹以及在井下动力钻 井时承受螺杆钻具的反向扭矩。转盘的动力经水 平轴上法兰或链轮输入，通过锥齿轮转动转台， 借助转台通孔中的方瓦和方补心带动方钻杆、钻 柱和钻头转动；同时，方补心允许方钻杆轴向自 由滑动，实现边旋转边送进。
职培中心
第三章 钻机的旋转系统
4、在水龙头运转过程中，要随时检查冲管密
封盘根盒处是否刺漏钻井液、机油盘根处是否溢
漏机油、水龙头壳体是否温度过高(油温不得超
过70℃)、冲管螺纹压帽是否上紧、鹅颈管与水
龙带连接油壬是否刺漏。
5、接单根或起钻前，应检查冲管盘根磨损情
况及盘根压帽的松紧程度。快速钻进或严重跳钻
旋扣装置由气马达、伸缩 机构及气路系统组成，接单 根时，由气马达通过齿轮带 动中心管旋转。
职培中心
第三章 钻机的旋转系统
三、水龙头的使用、维护和保养
1、新水龙头使用前必须按高于钻进中最大 工作压力1～2MPa的泵压试压15min，以不滋、 不漏 为合格。
2、水龙头在搬运过程中，中心管必须带护 丝。使用前，应按油池的油尺标记加足机油，并 对冲管盘根盒和上、下机油盘根盒、提环销加注 润滑脂，并检查上、下盘根盒压盖、冲管盘根盒 是否上紧，用链钳转动中心管，确认无阻卡后方 可使用。
修井机井架起升操作
修井机井架起升操作修井机井架起升操作是指在油田开井作业中使用修井机将井架升起并固定的过程。
井架是钻井作业中最重要的设备之一，它用于悬吊钻杆和钻具，以支持钻井作业。
修井机井架起升操作的目的是确保井架安全升起，并使之稳固固定，以便进行后续的钻井作业。
1.准备工作：在进行井架起升操作之前，必须进行一系列的准备工作。
首先，要对修井机进行检查和维护，确保它的工作状态良好。
然后，清理井架基座和井架起升系统的工作区域，确保没有杂物和障碍物。
最后，为井架起升操作准备好所需的工具和备件。
2.安装起升系统：将井架起升系统的各个组件安装到井架基座上。
起升系统通常包括升降绞车、滚筒和绑扎绳。
根据井架起升系统的设计，按照相应的连接顺序进行组装。
3.连接电源和控制系统：将修井机的电源和控制系统连接上，确保起升系统能够正常工作。
检查电源线和控制线的连接是否牢固，并进行必要的测试和校准，确保起升系统的控制功能正常。
4.准备井架起升操作：根据具体的井架起升操作方案，确定井架起升的方式和顺序。
通常情况下，井架起升操作分为升起井架和固定井架两个步骤。
5.升起井架：启动修井机，并根据控制系统的指示，逐渐升起井架。
在升起的过程中，要注意控制井架的升降速度，避免产生过大的惯性力和振动。
根据实际情况，可以视需要进行半升或全升的操作。
6.固定井架：井架升起到设定的位置后，要及时进行固定操作，以确保井架的稳定。
固定井架通常使用锁紧螺栓或者销子，将井架与基座紧密连接。
在固定过程中，要确保锁紧装置可靠，并进行必要的检查和测试。
7.检查和测试：进行井架起升操作后，要对井架及相关设备进行检查和测试。
检查井架的升降情况、固定情况和各个部位的连接是否牢固。
同时，可以进行一些功能测试，如检测升降绞车的工作状态和控制系统的功能是否正常。
8.完成清理：井架起升操作完成后，要对作业现场进行清理和整理。
清理掉工作区域内的杂物和残留物，恢复现场的整洁。
以上是修井机井架起升操作的一般步骤。
钻机设计-中国石油大学(华东)机械设计制造及其自动化专业课
2
P断 P
3
Pmax
Qmax丝绳破断拉力
Q1 P Z 游
钻井钢丝绳选择(API Spec 9A)
钢丝绳
钢丝绳
钢丝绳
（6）钻井泵单台功率Np
Np pmaxQmin
泵
pmax——钻井泵最高泵压 一般钻机配2～3台钻井泵 如3NB-1300——三缸单作用泥浆泵， 1300马力
计算机与通讯工程学院
2.1 什么是钻井
钻井（drilling）：利用机械设备，将地层钻成具 有一定深度的圆柱形孔眼的工程。 看影片钻井3D 要点：（1）钻机组成 （2）井身结构 （3）固井
（1）石油钻机的组成
① 钻具起升系统 ② 旋转钻进系统 ③ 钻井液循环系统 ④ 动力驱动系统 ⑤ 传动系统 ⑥ 控制监测系统 ⑦ 钻机井架和底座 ⑧ 辅助设备
Qds=10q· L kN
式中: q—每米钻柱质量，（包括接头和钻铤） 使用114mm钻杆时q =32kg/m， 使用127mm钻杆时q =36kg/m。 Qds可直接由钻深范围算得，所以不再列在国标的基本 参数中，但Qds是计算钻机疲劳强度的依据，是一个非 常重要的钻机参数。
（10）实际井深
3.3 钻机载荷特点
（1）在钻进过程中，井由浅到深，岩层性质宏观看由 软变硬，但局部井段岩性变化无规律，因而钻压跳跃式变 化极不稳定，旋转扭矩和功率也作随机性变化。 （2）循环系统的压力由低到高，每更换一次缸套和钻 头水眼则阶梯变化一次，不过每一阶梯内都是线性增压， 泵的扭矩和功率也作阶梯增长变化。 （3）在起下钻操作过程中，起钻载荷由重到轻线性递 减，下钻载荷由轻变重线性递增，属于有规律变化的循环 载荷。起钻要付出很大能量，然而下钻所产生的巨大能量 却不能回收，转变成主辅刹车的热能逸散掉。
顶部驱动钻井系统课件
9、便于维修。钻井马达清晰可见。熟练的现场人员约12小时就能 将其组装和拆卸。
10、使用常规的水龙头部件。顶部驱动装置可使用650吨常规水龙 头的一些部件，特殊设计后维修难度没有增加。
11、下套管。顶部驱动钻井装置的提升能力很大（650吨），在套 管和主轴之间加一个转换头（大小头）就可以在套管中进行压力循 环。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力。
但在延续百多年的转盘钻井方式中，有两个突出的矛盾未能得 到有效的解决：其一、起下钻时不能及时实现循环旋转的功能，遇 上复杂地层或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。其二、方钻杆的长度限 制了钻进的深度（每次只能接单根），降低了效率，增加了劳动的 强度，降低了安全系数。
二十世纪七十年代，出现了动力水龙头，改革了驱动的方式，在 相当的程度上改善了工人的操作条件，加快了钻井的速度以及同期 出现的“铁钻工”装置、液气大钳等等，局部解决了钻杆位移、连 接等问题，但远没有达到石油工人盼望的理想程度。
该系统是当前钻井设 备自动化发展更新的突 出阶段成果之一。经实 践证明：这种系统可节 省钻井时间20%到30%， 并可预防卡钻事故，用 于钻高难度的定向井时 经济效果尤为显著。
顶部驱动钻井系统
二、顶部驱动系统的研制过程：
1、钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生。
二十世纪初期，美国首先使用旋转钻井法获得成功，此种方 法较顿钻方法是一种历史性的飞跃，据统计，美国有63%的石油 井是用旋转法钻井打成的。
顶部驱动钻井系统
20世纪80年代，美国首先研 制了顶部驱动钻井系统TDS-3S 投入石油钻井的生产。80年代 末期新式高扭矩马达的出现为 顶驱注入了新的血液和活力。 TDS—3H、TDS—4应运而生， 直至后来的TDS-3SB、TDS4SB、TDS-6SB。
钻采
钻机八大系统：1.旋转系统：转动井中钻具，带动钻头破碎岩石2.起升系统：起下钻具，下套管，控制钻压及钻头钻进3.循环系统：及时清洗井底，携带岩屑，保护井壁4.动力驱动系统：为钻机三大工作机组及其他辅助机组提供动力5.传动系统：连接动力机与工作机，实现从驱动设备到工作机组的的能量传递，分配及运动方式的转换6.控制和监测系统：指挥各机组协调工作7.钻井底座：支撑井架8.辅助设备：辅助其他设备的正常工作钻机八大参数：1.名义钻井深度：在标准规定的钻井绳数下，使用5’’钻杆时可达的最大井深2.最大勾载Qhmax：在标准规定的最大绳数下，下套管或进行解卡等其他特殊作业时，大钩上不允许超过的最大载荷3.最大钻柱重量Qstmax：在标准规定的最大绳数下，正常钻进或进行起下作业时，大钩所允许承受的最大钻柱在空气中的重量4.绞车输入功率：即额定功率，指绞车输入轴上锁输入功率的最大值5.起升系统绳数：钻井绳数z----钻井过程中采用的有效绳数最大绳数Zmax----下套管或处理事故过程中采用的最大有效绳数6.钢丝绳直径：钢绳两个对称股的外圆距离7.钻井泵功率N泵：钻井泵输入轴功率8.转盘开口名义直径：能够下入的钻头最大直径钻机总论1.钻井作业工序：下钻，正常钻进，接单根，起钻，换钻头2.钻机按驱动方式分类：①机械驱动钻机（MD）：以柴油机为动力，通过液力变矩器，链条，齿轮，三角胶带等不同组合的传动方式所驱动的钻机②电驱动钻机（ED）：用电动机驱动的钻机3.钻机特点：①传动效率偏低，机械化自动化程度低②钻井操作是不连续的，其中辅助生产的起下作业耗费能量大③工作地区广阔，自然环境恶劣，野外流动作业，要求钻机有很强的适应地区，环境的能力和便捷的移运性能4.钻机并车方式：链条并车，皮带并车，电动机并车顿钻1.钻井工作实质:破碎岩石，取出岩屑，固井和完井2.顿钻钻井：通过钻头的冲击作用使岩石破碎，用捞沙筒取出岩屑3.顿钻特点：优点：设备简单，成本低，操作容易缺点：①破碎岩石，取出岩屑的作业都不是连续的②钻头功率小，破岩效率低，钻井速度慢③不能进行井内压力控制④只适用于钻直井旋转钻井1.旋转钻井是通过钻头加压旋转以破碎岩石，通过循环钻井液将岩屑带出地面的钻井方法2.转盘旋转钻井特点：①钻杆完成起下钻具，传递扭矩，为钻头施加钻压，提供洗井液的入井渠道等任务②钻头在一定钻压作用下旋转破岩，提高了破岩效率③在破岩的同时，井底岩屑被清除出来④提高了钻井速度和效益井下动力钻井1.井下动力钻井优点：①由于钻具不转动，节约了功率，减轻了钻具磨损.延长了钻具寿命和减少了钻具事故②适合定向钻井③减少对套管的磨损④配合高转速金刚石钻头钻深井，钻速快，成本低2.包括涡轮钻具和螺杆钻具转盘1.转盘功用：①传递扭矩和转速，转动井中钻具②下套管或起下套管时，承托井中全部套管柱或钻柱重量③完成卸钻头，卸扣，处理事故时倒扣，卸扣等辅助工作④采用井下动力钻具时，制动上部钻柱以承受反扭矩2.转盘要求：①转盘的主轴承有足够的强度和寿命，以保证承受最大套管柱重量，在轴向力和钻杆住径向力作用下具有足够的寿命②转台和锥齿轮能传递钻柱所需的扭矩，能倒转及可靠的制动③密封性好，严防外界的泥浆，油水污液渗入转盘内部污染转盘润滑系统3.转盘组成：水平轴总成，转台总成，主辅轴承和壳体4.钻进过程中，转盘的钻台主要承受方钻杆在下滑时与方补心之间的摩擦力，水平轴小齿轮的驱动力和轴承的支反力作用5.转盘工作原理：动力经水平轴上的法兰或链轮传入，通过圆锥齿轮传动转台，借助转台通孔中的方补心和小方瓦带动方钻杆，钻杆住和钻头转动6.转盘对动力驱动和传动系统的要求：①力矩及转速调节范围R=5--10②在处理事故时，要求能微调转速，又能倒转③当钻具遇卡时，为防止扭断钻杆，需要设置限制力矩装置，达到限定力矩值时能自动停止旋转水龙头1.水龙头组成：承载系统，钻井液系统，辅助系统2.水龙头功用;①悬持旋转着的钻柱②承受大部分以致全部钻柱重量，并为旋转钻柱提供上部轴承支撑③向旋转着的钻柱导入高压钻井液3.水龙头要求：①各承载零件必须有足够的强度，刚度及寿命②高压钻井液密封系统必须工作可靠，寿命长，更换快速，方便③机油密封良好，能自动补偿工作过程中密封元件的磨损泥浆1.泥浆循环路线:钻井泵--地面管汇--立管--水龙带--水龙头--方钻杆--钻柱--钻头--环形空间--泥浆槽--振动筛--除气器--除沙器--除泥器--离心机--泥浆池2.泥浆作用：冲洗井底，携带出岩屑，平衡底层压力，保护井壁，冷却钻具，泥浆录井，为井底动力钻具提供动力液钻井泵1.钻井泵由动力端和液力端组成2.钻井泵的易损件有泵阀和阀座，活塞和缸套3.钻井泵提供给液体的能量全部用于克服管路中的阻力4.更换钻井泵的缸套后，必须更换相应压力的安全销5.空气包利用气体的压缩和膨胀特性贮存或释放液体，使多缸往复泵吸入总管或排除总管内的液流趋于均匀，惯性力减小，降低压力波动，同时还可以防止或延缓泵在较高冲次下产生水击现象等6.调节钻井泵流量的方法：更换不同直径的缸套，调节泵的冲次，减少泵的工作室，旁路调节起升系统1.游动系统由天车，游车，钢丝绳和大钩组成。
ZJ40L-1钻机总说明书
ZJ40/2250L-1钻机 使用说明书3H018.00SM上海三高石油设备有限公司目录1. 前言2 . 钻机基本参数3 主要部件技术性能4 钻机传动系统与工作特性5 钻机配套清单6 结构综述7 钻机安装8 钻机调试9 起放井架、底座10 钻机使用操作11 维护保养与故障排除12 搬迁13 附图前言ZJ40/2250L-1钻机是按SY/T5609-1999石油钻机型式与基本参数,API 规范等国内外相关标准设计制造的.该钻机适用于41/2”(Φ114mm)钻杆钻深可达4000m的石油天然气勘探、开发垂直井。
1 本钻机有下列特点：1.1采用三机联合驱动方式，三台柴油机通过各自的液力偶合器正车减速箱、万向节与整体传动链条箱相连接。
传动柔和，与变矩器传动比较，传动效率高，运输单元整体化，易运输，易安装，并且有效的解决了漏油问题。
1.2各动力设备和传动设备的连接均采用万向节连接，易装，易拆。
1.3整体传动链条箱1号轴驱动一台400kW的节能发电机，可提供井场供电。
1.4钻台底座、井架可以整拖。
1.5绞车带应急驱动装置，具有起放井架和处理事故的功能。
1.5 转盘传动装置和支撑梁设计为一个运输模块。
1.6司钻房人性化设计,改善劳动条件。
1.7 根据用户要求,可以提供API会标的工作机有天车、游车、大钩、水龙头、转盘、绞车、井架与底座。
1.8 本钻机可安装使用10S顶驱设备。
2 钻机基本参数2.1名义钻深范围114mm(4 1/2")钻杆 2500~4000m127mm(5")钻杆 2000~3200m2.2 最大钩载 2250kN2.3 最大钻柱重量 130t2.4 绞车最大功率 735kW（1000HP）2.5 游动系统最多绳数(顺穿) 102.6 钻井钢丝绳直径(钢丝绳芯) 32mm(1 1/4”)2.7 钻井泵台数X功率 2X960kW（1300HP）2.8 转盘开口直径 698.5mm(27- 1/2”)2.9 钻台高度6m2.10 井架工作高度43m2.11 动力传动型式整体链条箱并车3 主要部件技术性能3.1 天车(顺穿) TC225-1最大钩载 2250KN滑轮外经X数量 1120mmx6滑轮绳径 32mm(1 1/4”)捞砂滑轮外径 610mm捞砂滑轮绳径 14.5mm(9/16”)3.2 游车 YC-225最大钩载 2250KN滑轮外经X数量 1120mmx53.3 大钩 DG225最大钩载2250KN主钩开口尺寸190mm3.4水龙头 SL225-II最大静负荷 2250KN最高转速300r/min最高工作压力35MPa接头螺纹与中心管连接处 REG（正规）6 5/8〞左旋接头螺纹与方钻杆连接处 REG（正规）6 5/8〞左旋 3.5 转盘 ZP275-2开口直径 698.5mm(27 1/2”)转盘最高转速300r/min最大静负荷 4500KN3.6绞车JC40L-1最大功率 735Kw（1000HP）最大快绳拉力 275kN快绳绳径 32mm(1 1/4”)滚筒直径X长度 640mmx1142mm刹车盘直径X厚度 1400mmX76mm应急驱动装置功率 30kW应急驱动装置最大钩载 190 t （10根绳）; 160 t （8根绳）应急驱动装置提升钩速 48m/h（10根绳）; 60m/h（8根绳）3.7钻井泵 3NB1300C额定功率 956Kw（1300HP）冲数 120min-1最高泵压34.3MPa3.8井架JJ225/43-K5最大钩载 2250KN工作高度43m顶跨尺寸（正面X侧面）2mx2m底跨尺寸（正面X侧面拐点）8mx2.5m二层台容量（5″立根） 4000m二层台高度27.5m,26.5m,25.5m,24.5m 3.9底座DZ225/6-XD钻台高度6m钻台面积(长X宽) 1018mx9.82m转盘梁净空高度 4.76m转盘梁额定负荷 2250kN立根盒额定负荷 1300kN立根盒容量（5″立根） 4000m后台高度 1.01 m3.10 柴油机 G12V190PZ L-3台数X功率 3X810kW额定转速 1300r/min3.11 液力偶合器正车减速箱 YOZJ750-20FLsh额定输入转速 1300r/min总传动比 1.95偶合器滑差率≤4％冷却方式联合水冷工作油温110℃3.12 辅助柴油发电机 VOLVO-TAD1232GE台数X功率 1X300 kW3.13 节能发电机组 IFC6 406-6LA42发电机转速 1000r/min发电机功率 400kW发电机电压、频率 380V；50HZ3.14 并车传动装置最大输入功率 3X810 kW最高输入转速 666r/min3.15 转盘传动装置最大输入扭矩9.5 kN·m最高输入转速 544r/min3.16 单立管泥浆管汇4″X35MPa3.17 供气系统供气最高工作压力1MPa储气罐总容量 2.5m3 +3 m33.18 固控系统总容积及罐数 160m33.19 柴油罐总容积 76m 3 3.20 套装工业水罐总容积 100m 3 3.21 顶驱系统型号 TDS-10SA 额定载荷 250 s.t. 交流变频电机功率 350HP 4 钻机传动系统与工作特性4.1 钻机传动系统见图1所示。
石油钻采设备及工艺2
8.辅助设备
供气设备、辅助发电设备、井口防喷设备、 钻鼠洞设备、辅助起重设备、保温设备
二、钻机分类
1.按钻井深度
决定钻机能力的参数——钻井深度、大钩负荷 浅井钻机：小于1500m井深； 中深井钻机：1500m－3000m井深； 深井钻机：4000－5000m井深； 超深井钻机：6000m以上井深。
石油钻机总论
§2-1 概述 §2-2 钻机基本参数与标准系列 §2-3 机械驱动钻机 §2-4 电驱动钻机
本章简要介绍钻机的结构组成、类型、 特点，驱动类型，传动方式，基本参数及我 国石油矿场正在使用的几种石油钻机，并了 解几种机械驱动和电驱动钻机的特点和技术 性能。
§2-1
概述
一、钻机的组成 二、钻机分类 三、驱动类型 四、传动方式 附、本节复习题
四、传动方式
1. 柴油机直接驱动钻机：机械传动； 2. 柴油机－液力驱动钻机：机械传动、液力传动； 3. 电驱动钻机：电传动、机械传动 4. 液压钻机：液压传动（静液传动）
五、钻机特点
1.钻机是大功率、多工作机联合工作的重型机械， 有起升、旋转、循环三大工作机组，且各机组所 需能量大小和运动特性各不相同，也不同时工作； 而驱动设备不但具有多类型（柴油机、柴油机－ 变矩器、电动机等）多台的特点，而且特性单一。
三、万向轴－锥齿轮并车传动的钻机
采用万向轴、齿轮作为主传动副，柴油机－变矩器驱动，每 台驱动机组带一个螺旋锥齿轮箱组成一个联动机组，采用大 功率万向轴并车传动，并用万向轴传动泵。 优点：齿轮传动允许线速度高，体积小，结构紧凑；万向轴 结构简单、紧凑，维护保养方便，互换性好。 不足：大功率传动螺旋伞齿轮制造比较困难，质量不易保证， 成本高，且现场不能更换、维修。 因此：这种钻机现已不再生产 。
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新型钻杆自动起升装置的研制
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。
标签：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
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[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。