深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置載重臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李寧，李林，李千山

(1. 新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源動(dòng)力工程分院 新疆 昌吉 831100；2. 東瑞石油鉆具有限公司 新疆 昌吉 841000)

0 引言

新疆石油儲(chǔ)量超200多億噸，占全國(guó)陸地30%資源量; 天然氣預(yù)測(cè)資源量10余萬(wàn)億立方米，占全國(guó)陸上天然氣資源量的34%。新疆的油田主要有克拉瑪依油田、塔里木油田和吐哈油田等，開采的成品油氣通過(guò)西氣東輸管道供全國(guó)許多城市使用。這些油田鉆機(jī)配套的鉆桿、套管、井下工具的輸送機(jī)械多采用傳統(tǒng)機(jī)械輸送方式，輸送機(jī)械主要由氣動(dòng)絞車、坡道和底座等三部分組成。鉆桿或石油套管先人工推到底座上，再用人工系上鋼絲繩，由氣動(dòng)絞車輸送到鉆機(jī)平臺(tái)。目前，新疆塔里木油田普遍使用的深井鉆機(jī)鉆桿傳送工作需2臺(tái)氣動(dòng)絞車和3名操作人員配合完成，輸送速度緩慢，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)送過(guò)程危險(xiǎn)，容易發(fā)生鉆桿甩動(dòng)傷亡事故。為解決甩鉆桿作業(yè)的安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)了適用于新疆油田使用的新型深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置，能夠在不增加操作工人數(shù)量的情況下降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高輸送效率，保障安全運(yùn)行，并取得了成效。

1 深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的總體設(shè)計(jì)

鉆桿自動(dòng)傳送系統(tǒng)是自動(dòng)化鉆井的重要組成部分，早在20世紀(jì)40年代國(guó)外就開展了自動(dòng)傳送系統(tǒng)機(jī)械化研究[1]。Humble oil 和 Byron Jackson公司聯(lián)合研制了半自動(dòng)化鉆桿處理系統(tǒng), 是由司鉆和井架工共同操作[2]。1981年,挪威石油局的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:作業(yè)于挪威領(lǐng)海內(nèi)的鉆機(jī)必須配備自動(dòng)鉆桿排放系統(tǒng)[3]。國(guó)內(nèi)外幾種成熟的7 000 m鉆機(jī)使用的深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的外觀原理結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。從設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理和技術(shù)參數(shù)兩方面看，國(guó)內(nèi)的設(shè)備雖然能耗最低，但是只能下放鉆桿，而且運(yùn)送過(guò)程容易碰傷鉆具的螺紋，而國(guó)外的設(shè)備雖然能夠滿足使用要求，但使用與維護(hù)成本高。本文對(duì)塔里木油田普遍使用的深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 典型深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置主要用于鉆井作業(yè)過(guò)程中鉆桿、鉆鋌、石油套管等細(xì)長(zhǎng)桿件在井區(qū)前場(chǎng)和鉆臺(tái)面間自動(dòng)輸送鉆具，只能在鉆井平臺(tái)現(xiàn)有的空間內(nèi)工作，尺寸不能太大，且須方便運(yùn)輸，可用一輛不超過(guò)17m長(zhǎng)的平板運(yùn)輸車內(nèi)進(jìn)行設(shè)備輸送。新疆塔里木油田深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的動(dòng)力源采用鉆井平臺(tái)能夠提供的氣源(壓力<1.0MPa)或者電力驅(qū)動(dòng)(電壓為380V，功率<100kW)；運(yùn)輸效率須達(dá)標(biāo)(傳輸速度>40根鉆桿/h)，且連續(xù)70h不能停機(jī)工作；環(huán)境工作溫度要求須達(dá)標(biāo)，在-20℃～70℃都能正常工作，耐風(fēng)沙、雨雪和冰凍；使用壽命不少于10年。

1.1 深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的總體結(jié)構(gòu)

深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置分為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)三大部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由底座、旋轉(zhuǎn)臂、載重臂、坡道等組成。各個(gè)組成部分可以滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在運(yùn)輸時(shí)折疊起來(lái)，使用時(shí)展開，如圖1所示。液壓系統(tǒng)由液壓站、主絞車、小絞車、支腿油缸、整料油缸、推料油缸、多路閥以及連接管線組成。電氣系統(tǒng)由控制箱、動(dòng)力柜、限位傳感器以及遠(yuǎn)傳監(jiān)控系統(tǒng)組成。本文主要討論深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的核心部件載重臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的工作過(guò)程

深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置傳送的石油套管與鉆桿通常是圓柱體，很容易滾動(dòng)。采用可調(diào)整角度的斜坡，以鉆具自身重力滾動(dòng)的方式把它送上底座，再由底座內(nèi)部載重臂的槽狀載具限制其位置。然后用類似電梯的原理，起升載重臂槽狀載具到達(dá)鉆井平臺(tái)高度，再由類似注射器的原理推送鉆桿或套管，靠近井口。

圖1 深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)視圖

從井口下放鉆具的工作流程是吊卡鉆桿，吊出鉆具，把鉆桿的自由端放入槽狀載具內(nèi)。下放載具至底座，底座內(nèi)置推出鉆具機(jī)構(gòu)，推出鉆具，再由送鉆具的斜坡調(diào)整角度，利用鉆具自身重力滾動(dòng)到鉆桿架上。鉆桿自動(dòng)傳送裝置展開安裝就位后，從地面向井口上送鉆具的工作流程如圖2所示。

讓滑動(dòng)小車在載重臂上移動(dòng)，同時(shí)推送工件到井口機(jī)械手工作范圍內(nèi)，之后靜止不動(dòng)，機(jī)械手抓緊并起豎工件，完成輸送過(guò)程，如圖3所示。深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置按與上述過(guò)程相反的順序復(fù)位，離開鉆臺(tái)面回到地面，等待下一次傳輸任務(wù)。

圖2 向井場(chǎng)料架輸送的工作流程

圖3 工件從井場(chǎng)上的料架運(yùn)送到鉆臺(tái)面的工作流程

1.3 深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置運(yùn)送鉆具的指標(biāo)參數(shù)

塔里木油田使用的鉆具大都是圓柱體的管狀物，口徑尺寸和質(zhì)量是從小到大逐級(jí)遞增的。按照最新鉆桿標(biāo)準(zhǔn)API(美國(guó)石油協(xié)會(huì)總稱)5DP規(guī)范，我國(guó)多使用R2組(8.84～9.75 m)。深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置傳送常用最小的鉆桿外徑60.2 mm，長(zhǎng)度9.15～9.45 m，質(zhì)量99.6 kg，壁厚為7.1 mm；而井隊(duì)常用最大的鉆鋌外徑279.4 mm，壁厚76.2 mm，質(zhì)量4 205.2 kg，長(zhǎng)度范圍9.15～945 m； 常用最大的套管外徑508 mm，壁厚12.7 mm，質(zhì)量1 880 kg，單根長(zhǎng)度12 m。適合塔里木油田的深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置需要能運(yùn)送鉆桿、鉆挺和套管的機(jī)械效率不低于每次接單根操作的總時(shí)間60 s，并盡可能地提高這個(gè)指標(biāo)。鉆具在下放過(guò)程中應(yīng)可以依靠自身的重力和下放載具的角度，依靠下滑力進(jìn)入載重臂，故此，設(shè)計(jì)取鉆具長(zhǎng)度可能的極限整數(shù)，并適當(dāng)盈余，如表2所示。

表2 深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)

塔里木油田油氣埋藏深，多數(shù)使用50、70型鉆機(jī)。鉆機(jī)的鉆臺(tái)高度分別為9m和10.5m。鉆具必須運(yùn)送到這個(gè)高度，但不能超過(guò)鉆臺(tái)高度1m，如果超過(guò)會(huì)造成人員操作不便。深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置必須有坡道用于下放小型設(shè)備和工具。鉆機(jī)安裝地面和坡道夾角為50°±2°。此角度利于下放小型設(shè)備和工具，表面為瓦楞鋼板，厚度不小于16mm。在運(yùn)送鉆具的過(guò)程中，不能對(duì)鉆具兩端有磕碰等容易傷及鉆具螺紋的隱患。地面鉆具架的高度為900mm，設(shè)計(jì)的深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的底座盡可能與這個(gè)高度接近，方便把鉆具從鉆具架輸送到設(shè)備。設(shè)備盡可能地使用通用標(biāo)準(zhǔn)件和符合要求的成品零部件，以降低制造成本和制造周期，后期維護(hù)方便。

2 深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置的載重臂機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，安監(jiān)局標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)電類特種設(shè)備制造許可規(guī)則(試行)》和油田設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)確定載重臂基本幾何框架尺寸。

2.1 載重臂大結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)

首先載重臂長(zhǎng)度必須≥13m，根據(jù)井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用條件，確定載重臂長(zhǎng)度和外形。如圖4所示。

圖4 載重臂水平布置尺寸圖

在計(jì)算載重臂工作角度時(shí)，考慮到鉆具自重下滑力必須大于摩擦阻力，摩擦系數(shù)u取最大0.32。通過(guò)力學(xué)分析計(jì)算，設(shè)計(jì)取∠AOC為 19°(∠AOC實(shí)際就是上送和下放鉆具時(shí)載重臂和地面所成的夾角)。如圖5所示。

圖5 載重臂工作角度示意圖

考慮到鉆具放置在載重臂上運(yùn)送到鉆臺(tái)面，必須要有動(dòng)力推動(dòng)。所以要有個(gè)推動(dòng)力，設(shè)計(jì)一個(gè)滑動(dòng)小車對(duì)鉆具進(jìn)行推動(dòng)，在下放鉆具時(shí)還可以起阻滯的作用，以免鉆具在重力和角度的作用下失速下滑。

滑動(dòng)小車要能夠在載重臂內(nèi)大范圍的來(lái)回移動(dòng)，目的是有一些短的鉆具例如扶正器和中間接頭等常用圓柱狀打撈工具都可以上送至鉆臺(tái)面利于人員接送的位置，所以滑動(dòng)小車的設(shè)計(jì)行程應(yīng)在符合整體尺寸范圍內(nèi)盡量大?；瑒?dòng)小車必須能夠推動(dòng)鉆具載重臂內(nèi)移動(dòng)而結(jié)構(gòu)不變形，并且尺寸越小越好，減少載重臂的長(zhǎng)度，降低整體質(zhì)量，節(jié)約材料和節(jié)約能源。

確定基本結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)型，形狀如鉤，厚度取28mm，不能太薄。受縱向力變形<0.2mm，否則會(huì)導(dǎo)致不能在載重臂內(nèi)滑行。長(zhǎng)度方向上，靠近液壓絞車一端在滿足強(qiáng)度要求下盡量短，可使載重臂也短；面對(duì)鉆具方向上，只要能利于導(dǎo)向的長(zhǎng)度就可以，初步設(shè)計(jì)尺寸圖如圖6所示。

圖6 滑動(dòng)小車基本結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置整體幾何尺寸的數(shù)據(jù)，在上推和下放鉆具時(shí)，載重臂與地面角度為19°時(shí)滑動(dòng)小車所受的力是最大。通過(guò)力學(xué)結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算，設(shè)A-B固定，主要分析是否有超過(guò)材料屈服極限的位置。圖7、圖8為滑動(dòng)小車應(yīng)力圖與變形量圖。

通過(guò)圖7和圖8分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力處84 MPa，遠(yuǎn)小于屈服極限220 MPa。最大變形量2.6 mm，應(yīng)在鉆具擋板背后布置加強(qiáng)筋，減小變形量至0.5 mm內(nèi)。

要使滑動(dòng)小車在長(zhǎng)條型的鋼結(jié)構(gòu)上來(lái)回自由可控的移動(dòng)，選擇鋼絲繩兩端拉動(dòng)滑動(dòng)小車，這種結(jié)構(gòu)符合耐用抗沖擊、好維修的要求，滑動(dòng)小車的動(dòng)力選擇液壓絞車。

圖7 滑動(dòng)小車應(yīng)力圖

圖8 滑動(dòng)小車變形量圖

2.2 載重臂橫截面V槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

載重臂內(nèi)需要有個(gè)V槽的結(jié)構(gòu)限定鉆具的移動(dòng)方向，起導(dǎo)向作用。滑動(dòng)小車推動(dòng)鉆具向上滑移；鉆具下放時(shí)阻擋鉆具，使其慢慢滑入V槽內(nèi)。

按照GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)計(jì)算載重臂橫截面V型槽尺寸，對(duì)于露天使用的設(shè)備應(yīng)考慮風(fēng)載荷的作用。假定風(fēng)載荷是沿最不利的水平方向而來(lái)，風(fēng)壓對(duì)鉆具造成的橫向推力(風(fēng)載荷)，20"套管迎風(fēng)面積和其自重比最大，故風(fēng)載荷對(duì)其影響最大，只計(jì)算20"套管的極限數(shù)據(jù)就可以涵蓋所有鉆具。計(jì)算風(fēng)壓造成的橫向推力，設(shè)計(jì)取V槽成型角度α=146°，根據(jù)要求V槽板最小厚度16 mm，同時(shí)切點(diǎn)對(duì)稱延長(zhǎng)V槽寬度使鉆具更穩(wěn)定的位于槽內(nèi)。如圖9所示。

圖9 V槽板設(shè)計(jì)示意圖

2.3 載重臂的阻擋防掉落機(jī)構(gòu)與V槽推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

載重臂的阻擋防掉落機(jī)構(gòu)的作用是防止鉆具滾入槽的運(yùn)動(dòng)慣性太大，會(huì)過(guò)沖而滾出V槽。設(shè)計(jì)一個(gè)阻擋機(jī)構(gòu)使鉆具滾回槽內(nèi)。此機(jī)構(gòu)必須左右兩邊都有數(shù)個(gè)可阻擋鉆具，而且可分別控制左右兩側(cè)起落。在載重臂起升時(shí)兩側(cè)同時(shí)升起，起到一個(gè)防護(hù)欄的作用；在遇到意外的載重臂失速下落和鉆具受到側(cè)向的劇烈沖擊時(shí)，保證鉆具不會(huì)掉出載重臂而意外傷人。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示，阻擋防掉落機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為液壓控制可伸縮的圓柱體，直徑為45 mm，高150 mm。

載重臂落入底座后，從底座內(nèi)部側(cè)向伸出的液壓缸能夠?qū)@具推出V槽，完成卸載鉆具的工作。由于鉆具直徑大小各不相同，要做到全部規(guī)格適用，必須讓推出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路線沿著V槽的面平行運(yùn)動(dòng)，才能把各個(gè)規(guī)格的鉆具推出V槽。如圖10所示，此方案簡(jiǎn)單有效，為液壓斜推方式。

圖10 載重臂的阻擋防掉落機(jī)構(gòu)和V槽推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.4 載重臂的縱向截面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

通過(guò)對(duì)載重臂的受力分析可知，載重臂水平時(shí)所受力最大，11"鉆挺質(zhì)量最大，若載重臂能承載則它其他鉆具都可以適用。由圖11所示，可把載重臂的受力狀態(tài)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁的受力分析。

圖11 載重臂的縱向截面的受力圖

最重的11"鉆挺質(zhì)量4 500kg，按長(zhǎng)度9.45m計(jì)算，線性均布載荷為W1=4 500×9.8÷9.45=4.66kN/m。各個(gè)截面的受力圖及彎矩圖如圖12-圖14所示。

圖12 載重臂的縱向截面載荷受力圖

圖13 載重臂的縱向截面剪力圖(剪力最大處在兩端為22.04 kN)

圖14 載重臂的縱向截面彎矩圖(彎矩最大處在載重臂的中間7 m處，為102.24 kN/m)

對(duì)載重臂縱向截面進(jìn)行有限元分析，截面慣性矩必須≥載重梁才不會(huì)被破壞，而且撓度須符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)載重梁要求。由圖15載重臂靜應(yīng)力分析圖可知，最大等效應(yīng)力129 MPa遠(yuǎn)小于屈服力極限220 MPa，安全系數(shù)為1.7。

圖15 載重臂靜應(yīng)力分析圖(屈服力)

由圖16載重臂靜應(yīng)力分析圖可知，變形最大在中間為9.233mm(9.233÷14 000=0.000 664)小于1/1 800(0.000 555)，符合重載梁對(duì)撓度的要求。

載重臂縱向截面腹板的圓形空洞為維修和安裝內(nèi)部零件和減重而設(shè)計(jì)，同時(shí)分散受力，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且制造速度快，維修快，變形小。綜合以上計(jì)算結(jié)果，載重臂設(shè)計(jì)的材料和尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能和達(dá)到強(qiáng)度及撓度要求。

圖16 載重臂靜應(yīng)力分析圖(變形量)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置載重臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，實(shí)現(xiàn)鉆具傳送、上下鉆臺(tái)等功能，并將井口鉆具操作自動(dòng)化，使鉆井速度得到很大的提高，大幅降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)的深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置載重臂機(jī)械結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)備的工作速度、外形尺寸、運(yùn)輸條件、工作環(huán)境、使用壽命及成本等設(shè)計(jì)條件，極大提升了井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的效率和安全性。

[1] 尹曉麗,牛文杰,張忠慧. 鉆桿自動(dòng)傳送系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方案[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)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] 劉文慶,崔學(xué)政,張富強(qiáng). 鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的發(fā)展及典型結(jié)構(gòu)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(11)：74-77.