頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)背鉗設(shè)計(jì)計(jì)算

王士斌

（中石化江蘇石油工程有限公司安徽分公司，合肥230022）①

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)背鉗設(shè)計(jì)計(jì)算

王士斌

（中石化江蘇石油工程有限公司安徽分公司，合肥230022）①

介紹了頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)背鉗的結(jié)構(gòu)及工作原理，確定了背鉗牙板夾持鉆桿時(shí)的摩擦因數(shù)，進(jìn)行了夾緊液缸參數(shù)設(shè)計(jì)、背鉗牙板設(shè)計(jì)。將這些方法應(yīng)用到Y(jié)DQ90型頂驅(qū)背鉗的設(shè)計(jì)中，成功地試制出產(chǎn)品，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，效果良好。

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)；背鉗；液缸；牙板

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱頂驅(qū)）具有較高的承載能力、良好的密封性能及足夠的轉(zhuǎn)矩，與傳統(tǒng)的具有相同功能的石油鉆機(jī)鉆井系統(tǒng)相比，可節(jié)省鉆井時(shí)間20%～30%，尤其在鉆高難度的定向井、水平井時(shí)經(jīng)濟(jì)效果更加顯著，并可預(yù)防卡鉆事故［1］，現(xiàn)在已成為石油鉆井行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品［2］。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)的適用性廣，2 000～9 000 m的井深都可以使用，并可拓展到煤氣層鉆井系統(tǒng)中。

背鉗（如圖1）為頂驅(qū)管子處理裝置的核心部件之一，由夾緊系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)和扶正部分組成。夾緊系統(tǒng)是由液壓缸、前后端蓋、活塞、鉗牙座和鉗體［3］等零部件組成。夾緊時(shí)，液壓缸進(jìn)油，推動(dòng)活塞向前移動(dòng)，當(dāng)牙板接觸到鉆桿［4］后，活塞停止運(yùn)動(dòng)，液壓力推動(dòng)液壓缸向后移動(dòng)，帶動(dòng)前側(cè)牙板夾住鉆桿，主軸旋轉(zhuǎn)完成上、卸扣的動(dòng)作。懸掛系統(tǒng)由掛架、托座和彈簧等構(gòu)成。背鉗的重力通過彈簧作用在拖座上，可以減少鉆井時(shí)的振動(dòng)沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)功能。扶正系統(tǒng)由扶正環(huán)和彈簧等構(gòu)成。背鉗不工作時(shí)，前后扶正環(huán)抱緊保護(hù)接頭，使背鉗牙板和鉆桿保持一定間隙；當(dāng)背鉗夾緊時(shí)，右扶正環(huán)由于頂在鉆桿上，不能隨鉗體一起后移，所以壓縮彈簧，待背鉗松開后，在彈簧作用力下推動(dòng)背鉗使液壓缸前移復(fù)位，繼續(xù)保持牙板和鉆桿的間隙。

背鉗設(shè)計(jì)的核心技術(shù)為牙板［3］夾持鉆桿時(shí)摩擦因數(shù)的確定、夾緊液缸參數(shù)設(shè)計(jì)和計(jì)算、扶正部分結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)。

圖1 背鉗結(jié)構(gòu)

1 背鉗牙板夾持鉆桿時(shí)的摩擦因數(shù)確定及相關(guān)參數(shù)計(jì)算

1.1 摩擦因數(shù)的確定

2個(gè)金屬表面在法向載荷作用下的接觸面積，并非2個(gè)金屬表面互相覆蓋的公稱接觸面積A0，而是由一些表面輪廓峰相接觸所形成的接觸斑點(diǎn)微面積的綜合，稱為真實(shí)接觸面積Ar。由于真實(shí)接觸面積很小，因此可以認(rèn)為輪廓峰接觸區(qū)所受的壓力很高。當(dāng)接觸區(qū)受到高壓而產(chǎn)生塑性變形后，這些微小接觸面便發(fā)生粘附現(xiàn)象，形成冷焊點(diǎn)。當(dāng)接觸面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，這些冷焊結(jié)點(diǎn)就被斷開。此時(shí)摩擦力Ff≈Ar·τb（τb為結(jié)點(diǎn)材料的剪切強(qiáng)度極限）。對(duì)于理想的彈塑性材料，當(dāng)法向載荷增大時(shí)，真實(shí)接觸面積Ar也隨之增大，應(yīng)力并不升高，而停留在材料的壓縮屈服極限σsy，此時(shí)Ar＝Fn／σsy。則：Ff＝Ar·τb＝Fn·τb／σsy，那么摩擦因數(shù)為f＝τb／σsy。對(duì)于鋼材，工程上常取［τ］＝（0.75～0.80）［σ］，在剪切及拉伸壓縮計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)［5］取相同值時(shí)，上式為［τ］·n＝（0.75～0.80）［σ］·n，即摩擦因數(shù)f＝τb／σsy＝0.75～0.80。其中：Fn為法向載荷；τb、σsy為2種金屬中較軟者的剪切強(qiáng)度極限［5］與壓縮屈服極限；［τ］、［σ］為2種金屬中較軟者的許用剪應(yīng)力和許用拉應(yīng)力。塑性材料的抗拉與抗壓是等強(qiáng)度的，所以塑性材料的拉伸與壓縮的許用應(yīng)力是相同的。

綜上所述，結(jié)合摩擦學(xué)原理及國(guó)內(nèi)外頂驅(qū)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)背鉗時(shí)的相關(guān)計(jì)算中，取摩擦因數(shù)f＝0.75。

1.2 背鉗牙板受力計(jì)算

背鉗牙板受力如圖2。已知：鉆桿接頭［4］最大外徑為D，mm；工作轉(zhuǎn)矩為T1，N·m；最大轉(zhuǎn)矩T（取工作轉(zhuǎn)矩的2倍來設(shè)計(jì)缸徑）；夾持液缸油的壓力p，MPa；摩擦因數(shù)f＝0.75；兩牙板夾角為60°。

根據(jù)圖2c得

式中：d為夾持液缸活塞直徑，mm。

將N1、N2、N3、N4記作N。牙板壓應(yīng)力σ＝N／As，據(jù)此得出牙板與鉆桿最小接觸面積As。

圖2 背鉗牙板受力分析

2 背鉗夾緊液缸參數(shù)設(shè)計(jì)

夾緊液缸活塞直徑d根據(jù)第1.2節(jié)已經(jīng)計(jì)算出夾，并取整為5的倍數(shù)即可。

根據(jù)背鉗自由狀態(tài)下牙板與鉆桿接頭外徑間隙L及背鉗工作原理（如圖3），來確定夾緊液缸行程：活塞前移L到達(dá)鉆桿接頭外徑，液缸帶動(dòng)背鉗擺動(dòng)使前側(cè)牙板到達(dá)鉆桿接頭外徑，需行程L，液缸前進(jìn)及縮回各預(yù)留行程S（mm），共計(jì)總行程為2（L＋S）。

圖3 背鉗夾緊及自由狀態(tài)原理

3 背鉗扶正結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)［7］

分析國(guó)內(nèi)外頂驅(qū)背鉗扶正結(jié)構(gòu)，一般有2種安裝位置：①連接到液缸上方；②安裝到懸掛系統(tǒng)的立柱上。根據(jù)常用頂驅(qū)背鉗結(jié)構(gòu)（如圖1）及背鉗夾緊和自由狀態(tài)原理（如圖3），采用第2種安裝位置。在對(duì)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，懸掛系統(tǒng)尺寸（S2、S4、S5）、扶正結(jié)構(gòu)的尺寸位置（S1、S2、S4）、液缸行程（L、S）、自由狀態(tài)下牙板與鉆桿接頭外徑的距離（L）之間具有嚴(yán)格位置尺寸關(guān)系。

根據(jù)頂驅(qū)整體結(jié)構(gòu)、夾緊液缸結(jié)構(gòu)尺寸來設(shè)計(jì)S1、S2、S3、S4、S5。根據(jù)以下原則來確定相關(guān)參數(shù)，之間的關(guān)系并進(jìn)行扶正環(huán)及扶正套相關(guān)零件的尺寸設(shè)計(jì)。

3.1 背鉗自由狀態(tài)

1） 左右鉗牙距離鉆桿接頭外徑均為L(zhǎng)（一般取10～20 mm）。

2） 右扶正環(huán)距離鉆桿接頭外徑0 mm，左扶正環(huán)距離鉆桿接頭外徑L／2，扶正環(huán)彈簧自由狀態(tài)。

3） 扶正套右邊內(nèi)孔距離鉆桿接頭外徑1.5 L，左邊內(nèi)孔與鉆桿接頭外徑距離＝扶正套內(nèi)孔直徑－鉆桿接頭外徑－1.5 L。

3.2 背鉗夾緊狀態(tài)

1） 左右鉗牙距離鉆桿接頭外徑均為0。

2） 右扶正環(huán)距離鉆桿接頭外圓為0，彈簧受壓；根據(jù)圖3確定左扶正環(huán)距離鉆桿外徑距離及彈簧受壓縮量。

3） 整個(gè)背鉗立柱豎直中心線傾斜一定角度α，鉗牙有最大傾斜距離，均根據(jù)圖3得到具體數(shù)值。

4） 夾緊液缸行程為2（L＋S）。

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用

以YDQ90型頂驅(qū)的輸入?yún)?shù)為例。

4.1 背鉗牙板參數(shù)確定

已知：鉆桿接頭最大外徑D＝127 mm；工作轉(zhuǎn)矩T1＝15 k N·m；最大轉(zhuǎn)矩T＝30 k N·m；壓力p＝16 MPa；摩擦因數(shù)f＝0.75；兩牙板夾角為60°；牙板材料38Cr Mo Al，調(diào)質(zhì)處理，表面氮化，σb＝980 MPa，σs＝835 MPa。

根據(jù)式（7）得d＝147.3 mm；根據(jù)式（8）得N1＝N2＝157 418 N；牙板壓應(yīng)力σ＝N／S＝157418／As＜σs＝835 MPa；As＞157 418／835＝188.5 mm2。

根據(jù)以上計(jì)算，結(jié)合鉆井和修井動(dòng)力鉗、吊鉗標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)牙板的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 背鉗夾緊液缸參數(shù)確定

背鉗自由狀態(tài)下牙板與鉆桿接頭外徑間隙L取為14 mm。

根據(jù)第1.2節(jié)中的計(jì)算，設(shè)計(jì)出夾緊液缸的內(nèi)徑為147.3mm，圓整為150 mm。

根據(jù)已知要求（背鉗自由狀態(tài)下牙板與鉆桿接頭外徑間隙14 mm）及背鉗工作原理，確定夾緊液缸行程：2（L＋S）＝40 mm（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)留行程S取6 mm）。

4.3 背鉗扶正結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)（如圖1）

根據(jù)頂驅(qū)整體結(jié)構(gòu)、夾緊液缸結(jié)構(gòu)尺寸確定S1＝141.5 mm、S2＝317 mm、S3＝331 mm、S4＝420 mm、S5＝356.5 mm。相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系、扶正環(huán)及扶正套相關(guān)零件的尺寸設(shè)計(jì)如下：

1） 左右鉗牙距離鉆桿接頭外圓均為14 mm。

2） 右扶正環(huán)距離鉆桿接頭外圓為0，左扶正環(huán)距離鉆桿接頭外圓7 mm，彈簧自由狀態(tài)。

3） 扶正套右邊距離鉆桿接頭外圓21 mm，左邊距離鉆桿外圓（159－127）－21＝11 mm（注：可根據(jù)該關(guān)系式，確定扶正套內(nèi)孔尺寸159 mm）。

4） 右扶正環(huán)距離鉆桿接頭外圓為0，受壓，彈簧最大壓縮13.37－7＝6.37 mm，最大拉伸應(yīng)小于6.37 mm；左扶正環(huán)距離鉆桿外圓13.37 mm。

5） 整個(gè)背鉗豎直中心線傾斜91°2′，鉗牙最大傾斜1.07 mm。

6） 夾緊液缸行程2×（14＋6）＝40 mm。

7） 扶正套右邊距離鉆桿接頭外圓8 mm，球頭受壓；左邊距離鉆桿接頭外圓（159－127）－8＝24 mm。

5 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)背鉗的原理分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用，達(dá)到了頂驅(qū)在鉆井過程中的接單根、上卸扣和倒劃眼等多種操作的目的。同時(shí)使頂驅(qū)實(shí)現(xiàn)了浮動(dòng)功能，減少了打鉆時(shí)的振動(dòng)沖擊。正常鉆進(jìn)時(shí)，保持牙板和鉆桿的間隙，防止碰撞和摩擦的產(chǎn)生。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)背鉗的研究設(shè)計(jì)原理和方法，最初被應(yīng)用在YDQ90型頂驅(qū)背鉗的設(shè)計(jì)上，通過功能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用，達(dá)到了預(yù)期效果。之后該技術(shù)又被應(yīng)用在YDQ135型等頂驅(qū)上，均取得了良好的效果。經(jīng)過幾年來的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各類頂驅(qū)背鉗的設(shè)計(jì)。

［1］ 陳朝達(dá).頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000.

［2］ SY／T 6726—2008，石油鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)裝置［S］.

［3］ SY／T 5074—2012，鉆井和修井動(dòng)力鉗、吊鉗［S］.

［4］ API Spec 5DP—2009，鉆桿規(guī)范［S］.

［5］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，1996：40-43.

［6］ 蘇翼林.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1987：35-51.

［7］ 馮琦，郭永岐，桑峰軍.典型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置結(jié)構(gòu)與功能分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（9）：90-93.

Design Calculation of Backup Tong in Top Drive Drilling System

WANG Shi-bin
（Anhui Branch Company，Sinopec Jiangsu Petroleum Engineering Company，Hefei 230022，China）

The structure commonly used and working principle of the backup tong in the top drive drilling system are described in detail，and some core issues in the design of backup tong are proposed.The coefficient of friction is determined，the selection of the clamping hydraulic cylinders parameters are made to design the dental lamina.These methods have been applied to the design of the backup tong in the YDQ90 top drive drilling system，and a successful product has been manufactured.The onsite operation succeeded with ideal result.

top drive drilling system；backup tong；hydraulic cylinder；dental lamina

TE922

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.009

1001-3482（2014）07-0033-04

2013-10-21

王士斌（1962-），男，安徽樅陽人，高級(jí)工程師，主要從事鉆井企業(yè)管理工作。