深井鉆機鉆桿自動傳送裝置載重臂的機械結構設計

李寧，李林，李千山

(1. 新疆昌吉職業技術學院 能源動力工程分院 新疆 昌吉 831100；2. 東瑞石油鉆具有限公司 新疆 昌吉 841000)

0 引言

新疆石油儲量超200多億噸，占全國陸地30%資源量; 天然氣預測資源量10余萬億立方米，占全國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西氣東輸管道供全國許多城市使用。這些油田鉆機配套的鉆桿、套管、井下工具的輸送機械多采用傳統機械輸送方式，輸送機械主要由氣動絞車、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，由氣動絞車輸送到鉆機平臺。目前，新疆塔里木油田普遍使用的深井鉆機鉆桿傳送工作需2臺氣動絞車和3名操作人員配合完成，輸送速度緩慢，效率低，勞動強度大，運送過程危險，容易發生鉆桿甩動傷亡事故。為解決甩鉆桿作業的安全問題，設計了適用于新疆油田使用的新型深井鉆機鉆桿自動傳送裝置，能夠在不增加操作工人數量的情況下降低勞動強度，提高輸送效率，保障安全運行，并取得了成效。

1 深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的總體設計

鉆桿自動傳送系統是自動化鉆井的重要組成部分，早在20世紀40年代國外就開展了自動傳送系統機械化研究[1]。Humble oil 和 Byron Jackson公司聯合研制了半自動化鉆桿處理系統, 是由司鉆和井架工共同操作[2]。1981年,挪威石油局的標準規定:作業于挪威領海內的鉆機必須配備自動鉆桿排放系統[3]。國內外幾種成熟的7 000 m鉆機使用的深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的外觀原理結構和技術參數對比數據如表1所示。從設備的結構原理和技術參數兩方面看，國內的設備雖然能耗最低，但是只能下放鉆桿，而且運送過程容易碰傷鉆具的螺紋，而國外的設備雖然能夠滿足使用要求，但使用與維護成本高。本文對塔里木油田普遍使用的深井鉆機鉆桿自動傳送裝置進行了結構優化設計。

表1 典型深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的技術參數對比

深井鉆機鉆桿自動傳送裝置主要用于鉆井作業過程中鉆桿、鉆鋌、石油套管等細長桿件在井區前場和鉆臺面間自動輸送鉆具，只能在鉆井平臺現有的空間內工作，尺寸不能太大，且須方便運輸，可用一輛不超過17m長的平板運輸車內進行設備輸送。新疆塔里木油田深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的動力源采用鉆井平臺能夠提供的氣源(壓力<1.0MPa)或者電力驅動(電壓為380V，功率<100kW)；運輸效率須達標(傳輸速度>40根鉆桿/h)，且連續70h不能停機工作；環境工作溫度要求須達標，在-20℃～70℃都能正常工作，耐風沙、雨雪和冰凍；使用壽命不少于10年。

1.1 深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的總體結構

深井鉆機鉆桿自動傳送裝置分為機械結構系統、液壓系統、電氣系統三大部分。機械結構系統主要由底座、旋轉臂、載重臂、坡道等組成。各個組成部分可以滑動旋轉，在運輸時折疊起來，使用時展開，如圖1所示。液壓系統由液壓站、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。電氣系統由控制箱、動力柜、限位傳感器以及遠傳監控系統組成。本文主要討論深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的核心部件載重臂的機械結構設計。

1.2 深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的工作過程

深井鉆機鉆桿自動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。采用可調整角度的斜坡，以鉆具自身重力滾動的方式把它送上底座，再由底座內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鉆井平臺高度，再由類似注射器的原理推送鉆桿或套管，靠近井口。

圖1 深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的機械結構視圖

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。下放載具至底座，底座內置推出鉆具機構，推出鉆具，再由送鉆具的斜坡調整角度，利用鉆具自身重力滾動到鉆桿架上。鉆桿自動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。

讓滑動小車在載重臂上移動，同時推送工件到井口機械手工作范圍內，之后靜止不動，機械手抓緊并起豎工件，完成輸送過程，如圖3所示。深井鉆機鉆桿自動傳送裝置按與上述過程相反的順序復位，離開鉆臺面回到地面，等待下一次傳輸任務。

圖2 向井場料架輸送的工作流程

圖3 工件從井場上的料架運送到鉆臺面的工作流程

1.3 深井鉆機鉆桿自動傳送裝置運送鉆具的指標參數

塔里木油田使用的鉆具大都是圓柱體的管狀物，口徑尺寸和質量是從小到大逐級遞增的。按照最新鉆桿標準API(美國石油協會總稱)5DP規范，我國多使用R2組(8.84～9.75 m)。深井鉆機鉆桿自動傳送裝置傳送常用最小的鉆桿外徑60.2 mm，長度9.15～9.45 m，質量99.6 kg，壁厚為7.1 mm；而井隊常用最大的鉆鋌外徑279.4 mm，壁厚76.2 mm，質量4 205.2 kg，長度范圍9.15～945 m； 常用最大的套管外徑508 mm，壁厚12.7 mm，質量1 880 kg，單根長度12 m。適合塔里木油田的深井鉆機鉆桿自動傳送裝置需要能運送鉆桿、鉆挺和套管的機械效率不低于每次接單根操作的總時間60 s，并盡可能地提高這個指標。鉆具在下放過程中應可以依靠自身的重力和下放載具的角度，依靠下滑力進入載重臂，故此，設計取鉆具長度可能的極限整數，并適當盈余，如表2所示。

表2 深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的設計指標

塔里木油田油氣埋藏深，多數使用50、70型鉆機。鉆機的鉆臺高度分別為9m和10.5m。鉆具必須運送到這個高度，但不能超過鉆臺高度1m，如果超過會造成人員操作不便。深井鉆機鉆桿自動傳送裝置必須有坡道用于下放小型設備和工具。鉆機安裝地面和坡道夾角為50°±2°。此角度利于下放小型設備和工具，表面為瓦楞鋼板，厚度不小于16mm。在運送鉆具的過程中，不能對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，設計的深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的底座盡可能與這個高度接近，方便把鉆具從鉆具架輸送到設備。設備盡可能地使用通用標準件和符合要求的成品零部件，以降低制造成本和制造周期，后期維護方便。

2 深井鉆機鉆桿自動傳送裝置的載重臂機械結構的設計

根據GB/T 3811-2008《起重機設計規范》，安監局標準《機電類特種設備制造許可規則(試行)》和油田設備標準GB/T 3811-2008《起重機設計規范》來確定載重臂基本幾何框架尺寸。

2.1 載重臂大結構幾何設計

首先載重臂長度必須≥13m，根據井隊現場使用條件，確定載重臂長度和外形。如圖4所示。

圖4 載重臂水平布置尺寸圖

在計算載重臂工作角度時，考慮到鉆具自重下滑力必須大于摩擦阻力，摩擦系數u取最大0.32。通過力學分析計算，設計取∠AOC為 19°(∠AOC實際就是上送和下放鉆具時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送到鉆臺面，必須要有動力推動。所以要有個推動力，設計一個滑動小車對鉆具進行推動，在下放鉆具時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。

滑動小車要能夠在載重臂內大范圍的來回移動，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面利于人員接送的位置，所以滑動小車的設計行程應在符合整體尺寸范圍內盡量大。滑動小車必須能夠推動鉆具載重臂內移動而結構不變形，并且尺寸越小越好，減少載重臂的長度，降低整體質量，節約材料和節約能源。

確定基本結構為L型，形狀如鉤，厚度取28mm，不能太薄。受縱向力變形<0.2mm，否則會導致不能在載重臂內滑行。長度方向上，靠近液壓絞車一端在滿足強度要求下盡量短，可使載重臂也短；面對鉆具方向上，只要能利于導向的長度就可以，初步設計尺寸圖如圖6所示。

圖6 滑動小車基本結構尺寸

根據深井鉆機鉆桿自動傳送裝置整體幾何尺寸的數據，在上推和下放鉆具時，載重臂與地面角度為19°時滑動小車所受的力是最大。通過力學結構有限元分析計算，設A-B固定，主要分析是否有超過材料屈服極限的位置。圖7、圖8為滑動小車應力圖與變形量圖。

通過圖7和圖8分析結果可知，最大應力處84 MPa，遠小于屈服極限220 MPa。最大變形量2.6 mm，應在鉆具擋板背后布置加強筋，減小變形量至0.5 mm內。

要使滑動小車在長條型的鋼結構上來回自由可控的移動，選擇鋼絲繩兩端拉動滑動小車，這種結構符合耐用抗沖擊、好維修的要求，滑動小車的動力選擇液壓絞車。

圖7 滑動小車應力圖

圖8 滑動小車變形量圖

2.2 載重臂橫截面V槽的結構設計

載重臂內需要有個V槽的結構限定鉆具的移動方向，起導向作用。滑動小車推動鉆具向上滑移；鉆具下放時阻擋鉆具，使其慢慢滑入V槽內。

按照GB/T 3811-2008《起重機設計規范》設計計算載重臂橫截面V型槽尺寸，對于露天使用的設備應考慮風載荷的作用。假定風載荷是沿最不利的水平方向而來，風壓對鉆具造成的橫向推力(風載荷)，20"套管迎風面積和其自重比最大，故風載荷對其影響最大，只計算20"套管的極限數據就可以涵蓋所有鉆具。計算風壓造成的橫向推力，設計取V槽成型角度α=146°，根據要求V槽板最小厚度16 mm，同時切點對稱延長V槽寬度使鉆具更穩定的位于槽內。如圖9所示。

圖9 V槽板設計示意圖

2.3 載重臂的阻擋防掉落機構與V槽推出機構的設計

載重臂的阻擋防掉落機構的作用是防止鉆具滾入槽的運動慣性太大，會過沖而滾出V槽。設計一個阻擋機構使鉆具滾回槽內。此機構必須左右兩邊都有數個可阻擋鉆具，而且可分別控制左右兩側起落。在載重臂起升時兩側同時升起，起到一個防護欄的作用；在遇到意外的載重臂失速下落和鉆具受到側向的劇烈沖擊時，保證鉆具不會掉出載重臂而意外傷人。其結構設計如圖10所示，阻擋防掉落機構設計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，從底座內部側向伸出的液壓缸能夠將鉆具推出V槽，完成卸載鉆具的工作。由于鉆具直徑大小各不相同，要做到全部規格適用，必須讓推出機構的運動路線沿著V槽的面平行運動，才能把各個規格的鉆具推出V槽。如圖10所示，此方案簡單有效，為液壓斜推方式。

圖10 載重臂的阻擋防掉落機構和V槽推出機構設計圖

2.4 載重臂的縱向截面結構力學分析

通過對載重臂的受力分析可知，載重臂水平時所受力最大，11"鉆挺質量最大，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簡化為簡支梁的受力分析。

圖11 載重臂的縱向截面的受力圖

最重的11"鉆挺質量4 500kg，按長度9.45m計算，線性均布載荷為W1=4 500×9.8÷9.45=4.66kN/m。各個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)

對載重臂縱向截面進行有限元分析，截面慣性矩必須≥載重梁才不會被破壞，而且撓度須符合標準GB/T 3811-2008《起重機設計規范》對載重梁要求。由圖15載重臂靜應力分析圖可知，最大等效應力129 MPa遠小于屈服力極限220 MPa，安全系數為1.7。

圖15 載重臂靜應力分析圖(屈服力)

由圖16載重臂靜應力分析圖可知，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部零件和減重而設計，同時分散受力，有利于結構穩定且制造速度快，維修快，變形小。綜合以上計算結果，載重臂設計的材料和尺寸，能夠實現上述功能和達到強度及撓度要求。

圖16 載重臂靜應力分析圖(變形量)

3 結語

通過對深井鉆機鉆桿自動傳送裝置載重臂機械結構設計的研究，實現鉆具傳送、上下鉆臺等功能，并將井口鉆具操作自動化，使鉆井速度得到很大的提高，大幅降低作業風險。本文設計的深井鉆機鉆桿自動傳送裝置載重臂機械結構完全滿足設備的工作速度、外形尺寸、運輸條件、工作環境、使用壽命及成本等設計條件，極大提升了井隊現場作業的效率和安全性。

[1] 尹曉麗,牛文杰,張忠慧. 鉆桿自動傳送系統及設計方案[J]. 石油礦場機械,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,崔學政,張富強. 鉆桿自動排放系統的發展及典型結構[J]. 石油礦場機械,2007,36(11)：74-77.