7 000米石油鉆井絞車滾筒優(yōu)化設(shè)計計算

安 慰

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，石油資源的消耗日益增加，使得油氣資源供應量不足的矛盾日益凸顯。石油鉆機絞車是整部鉆機的核心部件，在實際應用中具有起下鉆具與套管、控制鉆井過程中的鉆壓、井架起升的功能。其中部分多功能絞車還帶有撈沙滾筒，可用于提取巖心筒、試油等工作?？傊?，鉆井絞車滾筒作為鉆井作業(yè)中最重要的執(zhí)行部件且在使用過程中需要有良好的性能。因此，本文對7 000 m石油鉆井絞車滾筒進行優(yōu)化設(shè)計，進而達到理想的作業(yè)狀態(tài)。

1 確定絞車滾筒結(jié)構(gòu)方案

依據(jù)客戶要求或者局限于當?shù)貤l件等外部環(huán)境，確定絞車級別以及絞車的驅(qū)動形式，進而確定絞車滾筒體在整臺絞車中的所處位置、所用鋼絲繩直徑、滾筒長度與滾筒直徑。依據(jù)滾筒直徑及所承載載荷確定滾筒體繩槽結(jié)構(gòu)，繩槽設(shè)計原則為：在整個滾筒壽命周期內(nèi)，鋼絲繩不夾繩不跳繩，充分利用其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計來延長鋼絲繩的使用壽命，其中左右爬坡角度及結(jié)構(gòu)依據(jù)安全、可靠、方便的原則進行設(shè)計。確定的絞車滾筒結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 絞車滾筒結(jié)構(gòu)方案

2 滾筒體優(yōu)化設(shè)計計算

滾筒體根據(jù)以下標準進行優(yōu)化設(shè)計：

(1) API Spec 7K《鉆井與修井設(shè)備》。

(2) API 9B《油田鋼絲繩的應用、保養(yǎng)和使用的推薦方法》。

(3) SY/T5532—2010《石油鉆井用絞車》。

2.1 初步選擇筒壁厚

滾筒體是一個鑄鋼或卷板再焊接的厚壁筒，在起下鉆的過程中快繩拉力P與由快繩拉力造成的彎矩M彎、扭矩M扭以及繩子對筒壁施加外壓力P1。實驗證明外壓力為滾筒產(chǎn)生變形的主要外力，由于滾筒兩側(cè)輪轂的加強作用因此最大變形量出現(xiàn)在滾筒中間位置，應力又以滾筒中間內(nèi)壁表面切向應力στmax最大。

滾筒纏繩一圈時內(nèi)壁表面最大切向應力στmax(kPa)為：

(1)

其中：δ為滾筒壁厚；S為單層纏繞時在滾筒體上分離的圓環(huán)寬度,S=d繩+2，d繩為鋼絲繩直徑。

實際上滾筒多為多層纏繩，στmax并非按照比例增加,多層纏繞時στmax(kPa)為：

(2)

其中：A為多層纏繞系數(shù)。

根據(jù)滾筒體壁強度條件，其安全系數(shù)n應滿足：

(3)

其中：δS為滾筒材料的屈服極限。據(jù)式(2)、式(3)初選筒壁厚。

2.2 滾筒長度與直徑

由于滾筒纏繩層數(shù)有限制，因此滾筒長度與筒體直徑也是設(shè)計中不可忽略的兩個重要參數(shù)，它們直接決定滾筒的容繩量。

滾筒直徑D筒主要由鋼絲繩直徑來決定，一般D筒=(17～30)d繩，對于重型鉆機D筒≥23d繩。滾筒直徑的設(shè)計原則為：在不使鋼絲繩過于彎曲的前提下，D筒設(shè)計得偏小一些。

滾筒長度L筒=(1.2～1.6)D筒，最后再通過公式L筒=2H·tanλ(其中，λ為快繩傾斜角，通常取為1.25°～1.5°，H為滾筒軸心至天車入繩輪滑輪中心的高度)驗證滾筒長度選擇是否適中。

絞車實際工作中以第二層纏繩開始計算容繩量M(m)：

M=ZL+π(D0+d繩)n.

2.3 滾筒繩槽的優(yōu)化設(shè)計與計算

絞車滾筒優(yōu)化后是帶有特殊導向繩槽的筒體,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由繩槽導引鋼絲繩做環(huán)狀纏繞，180°對側(cè)有兩次跳槽，此繩槽可以使得鋼絲繩纏繞均勻，不會出現(xiàn)鋼絲繩嵌入內(nèi)層繩槽而夾傷鋼絲繩的現(xiàn)象。

圖2 繩槽結(jié)構(gòu)展開圖與示意圖

圖2中，l為繩槽間距，取鋼絲繩公稱直徑加上規(guī)定的外徑公差之半；h為槽深，取鋼絲繩公稱直徑的30%；r為繩槽半徑，在滾筒使用周期中是一個變化量，因此設(shè)計時需要給定其范圍，繩槽最小半徑=鋼絲繩公稱半徑×(1+6%)，繩槽最大半徑=鋼絲繩公稱半徑×(1+10%)，使用中r達到極限的標準為磨損后的最小繩槽半徑=鋼絲繩公稱半徑×(1+2.5%)，超過此值需更換滾筒體或者繩槽板。

此繩槽的優(yōu)點是：①繩纏繞均勻，不會出現(xiàn)鋼絲繩嵌入內(nèi)層繩槽夾傷鋼絲繩的情況，延長了鋼絲繩壽命；

有繩槽的筒體左右兩邊鋼絲繩爬坡結(jié)構(gòu)要求繩子平滑過渡，當爬坡高度達到繩子直徑高度處時利用反轉(zhuǎn)機構(gòu)改變纏繩方向，進行下一纏繩循環(huán)。依據(jù)上述優(yōu)化方法設(shè)計的7 000 m鉆井絞車滾筒鋼繩爬坡及反轉(zhuǎn)走向示意圖如圖3所示。

圖3 鋼繩爬坡、反轉(zhuǎn)走向示意圖

3 結(jié)論

利用現(xiàn)代電控技術(shù)雖然可以優(yōu)化絞車整體運行狀況，但是絞車滾筒作為石油鉆采機械的核心部件對其在作業(yè)中的要求也越來越嚴格，因此，對其進行結(jié)構(gòu)研究與優(yōu)化是很有必要的。經(jīng)過此次改進7 000 m鉆井絞車即使使用原絞車傳動結(jié)構(gòu)依然可以做到運行更加平穩(wěn)、更加可靠。