陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

許長生

摘 要：隨著陸地鉆機(jī)在石油開采等行業(yè)中的普遍應(yīng)用，讓企業(yè)工作效率得到了很大的提高。不過隨著鉆孔深度的增加，鉆機(jī)鉆桿起升成為了一個(gè)技術(shù)性較強(qiáng)的工作環(huán)節(jié)，從目前來看，我國部分企業(yè)仍舊采用氣動(dòng)絞車或吊車來實(shí)現(xiàn)鉆桿的起升，這樣不僅存在一定的不穩(wěn)定性，同時(shí)工作效率也較低。本文從陸地鉆機(jī)的角度出發(fā)，在傳統(tǒng)鉆桿起升基礎(chǔ)上，對(duì)陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行探討與思考。

關(guān)鍵詞：陸地鉆機(jī)；自動(dòng)起升；設(shè)計(jì)與優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TE922 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)的組成元素有旋轉(zhuǎn)臂總成、豎直桁架。總體來看，可以將旋轉(zhuǎn)臂總成當(dāng)作是一種特殊的指令執(zhí)行元件，主要是在自動(dòng)起升系統(tǒng)的最后節(jié)上執(zhí)行其相對(duì)應(yīng)的程序命令，當(dāng)這種程序命令通過系統(tǒng)發(fā)出的時(shí)候，旋轉(zhuǎn)臂總成就會(huì)按照提前設(shè)定的程序指令及指令內(nèi)容執(zhí)行其指令動(dòng)作，進(jìn)而將鉆桿由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，從而形成自動(dòng)起升系統(tǒng)的核心組件。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，旋轉(zhuǎn)臂以及起升架共同在起升系統(tǒng)中組成了旋轉(zhuǎn)臂總成，而旋轉(zhuǎn)臂由鉆桿夾具手、旋轉(zhuǎn)手臂等零部件組成；起升架由起升架本體、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和液壓缸等零部件組成。旋轉(zhuǎn)臂前段上部端點(diǎn)與液壓缸活塞鉸接，下部與起升架裝置進(jìn)行支點(diǎn)鉸接，在液壓缸的作用下發(fā)生0°～90°的旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)臂在起升架的限制與輔助作用下發(fā)生上下的位移移動(dòng)，從而通過旋轉(zhuǎn)臂的作用實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)鉆桿鉆臺(tái)的輸送工作。

在陸地鉆井的具體過程中，通過旋轉(zhuǎn)臂的作用將鉆桿輸送至鉆臺(tái)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂在其自身與起升架間發(fā)生支點(diǎn)鉸接旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，鉆桿即發(fā)生由水平到垂直的位置改變，相反當(dāng)鉆井結(jié)束時(shí)，旋轉(zhuǎn)臂在液壓作用下進(jìn)行收縮，又由垂直轉(zhuǎn)換到水平位置，從而實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)臂輸送鉆桿從水平到垂直的變換。

在實(shí)際工作中，起升架的主要構(gòu)成元素有：起升裝置本身、導(dǎo)向輪子以及利用液壓原理進(jìn)行工作的液壓缸三部分。對(duì)于起升架的上部而言，它主要是通過上部的鋼絲繩實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)；另外考慮到起升架的工作原理及在實(shí)際工作中的重要特性，針對(duì)其上部與下部及不同位置的頂點(diǎn)位置，及各自的特性分布進(jìn)行了導(dǎo)輪與滾輪的合理設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)起升架的良性工作；當(dāng)起升架處于提升狀態(tài)下的時(shí)候，導(dǎo)輪會(huì)依附于豎直桁架，并呈現(xiàn)出豎直上升的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種狀況下，滾輪就會(huì)在內(nèi)壁上表現(xiàn)出較強(qiáng)的導(dǎo)向效果，不僅如此，滾輪還及時(shí)對(duì)起升架左右自由度進(jìn)行了限制，讓起升架能夠保持正常運(yùn)作狀態(tài)。

二、陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)工作原理

概括而言，陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)主要是借助自動(dòng)起升控制系統(tǒng)，將鉆桿從放置位置輸送到鉆臺(tái)，然后在鉆井工作結(jié)束的時(shí)候，又將鉆桿從鉆臺(tái)位置轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)存位置。陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)首先實(shí)現(xiàn)了鉆桿輸送的自動(dòng)化操作，不僅能夠有效進(jìn)行遠(yuǎn)程控制監(jiān)控，同時(shí)與傳統(tǒng)的啟動(dòng)絞車或吊車相比，鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)充分消除了鉆桿墜落、鋼絲繩斷裂等物體碰撞傷害，使得鉆桿起升過程中安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低，并通過自動(dòng)化操作提升了工作效率，在一定程度上降低了成本費(fèi)用。

在陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)中，起到關(guān)鍵性作用的部件主要是旋轉(zhuǎn)臂，具體流程是旋轉(zhuǎn)臂上的夾具抓手握住鉆桿，然后在液壓作用下提升至相應(yīng)高度，而后通過鉸接旋轉(zhuǎn)變換，最終將鉆桿輸送到相應(yīng)的位置。旋轉(zhuǎn)臂的工作流程如下：

1 鉆井過程中旋轉(zhuǎn)臂工作流程：抓取鉆桿——提升鉆桿——旋轉(zhuǎn)鉆桿——鉆桿垂直——傳遞鉆桿——旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)下降，最后復(fù)位。

2 鉆井結(jié)束后旋轉(zhuǎn)臂工作流程：抓取鉆桿——旋轉(zhuǎn)鉆桿——鉆桿水平——鉆桿下降——排放鉆桿——旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)上升，最后復(fù)位。

三、有限元分析優(yōu)化

1 靜力學(xué)計(jì)算

當(dāng)鉆桿處于水平狀態(tài)的時(shí)候，假設(shè)其旋轉(zhuǎn)臂裝配體自重為G1=4.42kN，副旋轉(zhuǎn)臂、連接臂、拉桿、夾具及夾具安裝制作的重量之和為G2=1.68kN，起升架總裝配體、液壓缸及銷軸的重量和G3=5.18kN，單針鉆桿的自重G4=3.4kN，提升力為F0，導(dǎo)向輪與桁架法向作用力為F1，則由此可得出左下側(cè)導(dǎo)向輪與桁架之間的摩擦力f1=λF1，λ=0.15，則右上側(cè)導(dǎo)向輪與桁架間的摩擦力f2=λF2

2 結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步從安全可靠方面，對(duì)鉆桿起升系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的理論與實(shí)踐測試，我們借助ANSYS有限元分析軟件對(duì)豎直桁架、起升架及旋轉(zhuǎn)臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。具體來說，假定旋轉(zhuǎn)臂材質(zhì)型號(hào)為16的錳鋼，其屈服極限為210MPa，設(shè)定1.20為其旋轉(zhuǎn)臂的安全系數(shù)，從而利用有關(guān)的計(jì)算公式得出許用應(yīng)力為168.22MPa，另外由結(jié)構(gòu)分析原理得出旋轉(zhuǎn)臂和起升架的鉸接部分的最大應(yīng)力為150MPa，最大變形位移為2.54mm，小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

3 模擬分析

為了進(jìn)一步通過試驗(yàn)?zāi)M分析得到起升系統(tǒng)的振型及相對(duì)應(yīng)的頻率，本文對(duì)旋轉(zhuǎn)臂進(jìn)行模擬分析。我們從結(jié)構(gòu)本身的前三個(gè)階段提取出8.768Hz、11.422Hz、26.425Hz這三個(gè)固有頻率，然后對(duì)旋轉(zhuǎn)臂在X-Y平面內(nèi)發(fā)生擺動(dòng)的狀況進(jìn)行模擬分析，對(duì)第三固有頻率整體旋轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)繞Y軸發(fā)生擺動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的模擬分析。通過相應(yīng)的模擬分析得出其結(jié)論：旋轉(zhuǎn)臂整體機(jī)構(gòu)在低階頻率范圍內(nèi)做平面擺動(dòng)，整體變形較小，剛度儲(chǔ)備能量較大，滿足安全使用的要求。

結(jié)語

陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)起升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的鉆桿起升系統(tǒng)相比，顯然具有一些不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，它不僅為石油企業(yè)最大程度上節(jié)省了鉆桿起升成本的投入，同時(shí)也在很大程度上確保了施工安全，大大降低了其風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

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