ZQ216/135大管徑高扭矩鉆桿動力鉗的研制

繆紅建，王宏軍，陸海濤，姜勇兵

(江蘇如石機(jī)械有限公司，江蘇 如東 226406 )

1 現(xiàn)有鉆桿動力鉗需要解決的問題

隨著石油資源的不斷枯竭，鉆井深度不斷增加，鉆桿直徑不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有的鉆桿動力鉗存在以下需要解決的問題：

(2) 最大作用扭矩偏小：隨著鉆井深度的不斷增加，連接鉆桿接頭與卸開鉆桿接頭需要的扭矩也相應(yīng)增加，現(xiàn)有的鉆桿動力鉗最大工作扭矩僅為125 kN·m，時常會在深井作業(yè)過程中發(fā)生卸不開鉆具接頭絲扣的現(xiàn)象，因此需設(shè)計(jì)出具有更大扭矩的鉆桿動力鉗。

(3) 扭矩測量不準(zhǔn)確：現(xiàn)有的鉆桿動力鉗扭矩表顯示的工作扭矩僅為液壓系統(tǒng)工作壓力換算而得到的理論值，實(shí)際作用到鉆桿接頭上的工作扭矩因機(jī)械效率、液壓效率等各種因素的影響與實(shí)際扭矩相差較大[1]，影響鉆桿接頭絲扣連接的質(zhì)量控制。

(4) 安全性不足：由于鉆工操作鉆桿動力鉗時可能會有誤操作的情況發(fā)生，一旦發(fā)生誤操作就可能會發(fā)生人身傷害事故，所以設(shè)備的安全性有待提高[2]。

(5) 鉗頭工作扭矩值不能保存：傳統(tǒng)的鉆桿動力鉗工作扭矩只能在壓力扭矩表中讀出，不能傳輸與保存，對追溯管具絲扣連接質(zhì)量不利。

2 ZQ216/135新型鉆桿動力鉗技術(shù)分析

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

本文研制的ZQ216/135新型鉆桿動力鉗主要技術(shù)參數(shù)如下：

Φ127 mm～Φ215.9 mm)；

最大工作扭矩(kN·m)：135；

前后移送距離(mm)：1 500；

垂直升降距離(mm)：430。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為ZQ216/135鉆桿動力鉗結(jié)構(gòu)示意圖。下鉗3夾緊井口處的鉆桿接箍，使之保持不動，上鉗1夾持上部鉆桿接頭并帶動上部鉆桿旋轉(zhuǎn)，從而完成鉆桿接箍的上扣或卸扣作業(yè)；液壓馬達(dá)5將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，通過傳動系統(tǒng)(行星變速箱、齒輪變速箱)的減速傳動帶動鉗頭旋轉(zhuǎn)，從而帶動鉆具旋轉(zhuǎn)，完成上扣或卸扣作業(yè)；行星變速箱6可以使鉆桿動力鉗以高檔或低檔狀態(tài)運(yùn)行；鉗身通過移送氣缸11在井口位置和待機(jī)位置間切換，當(dāng)移送氣缸11伸出時，推動鉆桿動力鉗到達(dá)井口工作位置，當(dāng)鉆桿動力鉗完成鉆桿接箍的上扣或卸扣動作后，移送氣缸11縮回，帶動鉆桿動力鉗離開井口，讓出空間以進(jìn)行其他井口作業(yè)；升降機(jī)構(gòu)4可以改變鉗身高度以適應(yīng)鉆具接箍高度；扭矩測定系統(tǒng)7用來測定動力鉗產(chǎn)生的實(shí)際工作扭矩，從而可以提高鉆具絲扣的連接質(zhì)量；液壓控制系統(tǒng)10一方面給鉆桿動力鉗提供液壓油，另一方面可以驅(qū)動升降液缸；氣動控制系統(tǒng)8控制鉆桿動力鉗的換檔、前后移動、下鉗夾緊等動作。

2.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為ZQ216/135鉆桿動力鉗的傳動系統(tǒng)。液壓馬達(dá)的速度和扭矩傳遞到上行星架X2，通過氣胎離合器的高低檔切換后傳遞到齒輪軸Z5，再經(jīng)Z5/Z4和Z3/Z1兩級齒輪減速后從Z1輸出，從而控制動力鉗以較高的轉(zhuǎn)速和低扭矩完成快速旋扣作業(yè)或以較低的轉(zhuǎn)速和大扭矩完成緊扣(崩扣)作業(yè)；惰輪Z2用來實(shí)現(xiàn)對開口齒輪傳動機(jī)構(gòu)的“過缺口”[3]，當(dāng)一個惰輪運(yùn)轉(zhuǎn)到開口齒輪的開口位置時，另一只惰輪進(jìn)入嚙合位置，從而保證了整個齒輪傳動機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1-上鉗；2-殼體安全門；3-下鉗；4-吊升裝置；5-液壓馬達(dá)；6-行星變速箱；7-扭矩測定機(jī)構(gòu) ； 8-氣控系統(tǒng)；9-剎帶組件；10-液控系統(tǒng)；11-移送氣缸

2.4 扭矩測定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的鉆桿動力鉗扭矩是通過計(jì)算得到液壓馬達(dá)在工作壓力下的輸出扭矩，再分別乘以高檔和低檔下的總傳動比，并考慮效率的因素得出的，這種方式顯示的扭矩為理論值，而每臺鉆桿動力鉗所受液壓系統(tǒng)的效率、背壓及機(jī)械傳動的效率均不一樣，所以實(shí)際工作扭矩與理論值相差較大，對鉆桿絲扣的連接質(zhì)量影響較大。為了解決現(xiàn)有鉆桿動力鉗扭矩顯示不準(zhǔn)確的問題，ZQ216/135鉆桿動力鉗采用了扭矩測量裝置[4]。扭矩測量裝置中的行星變速系統(tǒng)的內(nèi)齒圈通過氣胎離合器固定在上殼體上，動力鉗工作時氣胎離合器在壓縮空氣的作用下抱緊內(nèi)齒圈外圓，內(nèi)齒圈承受的傳動扭矩通過氣胎離合器傳動到上殼體上，使上殼體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的趨勢；測矩液缸安裝在動力鉗的上殼體與下殼體之間，阻止上殼體轉(zhuǎn)動；扭矩使上殼體產(chǎn)生圓周力，該圓周力由測矩液缸承受，通過測量測矩液缸內(nèi)的液壓力即可以得到內(nèi)齒圈的工作扭矩，從而得到鉆桿動力鉗作用在鉆桿接頭上的工作扭矩；工作扭矩通過數(shù)顯表顯示并可遠(yuǎn)程傳輸?shù)剿俱@房，方便鉆工對鉆具絲扣連接扭矩實(shí)現(xiàn)精確控制，能夠提高絲扣連接質(zhì)量，延長鉆具使用壽命。此結(jié)構(gòu)的扭矩測量裝置已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)，專利號為ZL2006 1 0098182.6。

圖2 ZQ216/135鉆桿動力鉗傳動系統(tǒng)

2.5 液壓與氣動原理

圖3為ZQ216/135鉆桿動力鉗液氣原理。本鉆桿動力鉗采用液壓油作為動力鉗鉗身高度調(diào)節(jié)、液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的動力源，動力鉗的升降系統(tǒng)內(nèi)采用了平衡閥3，確保在鉆桿動力鉗工作過程中動力鉗不會下降；液壓馬達(dá)工作回路中設(shè)置了上扣溢流閥7，通過調(diào)節(jié)上扣溢流閥7的工作壓力從而從源頭限制動力鉗的輸出扭矩，保證鉆桿接頭不致于被過高的上扣扭矩?fù)p壞絲扣。

動力鉗采用壓縮空氣作為鉗身移送、背鉗夾緊、高低檔切換、安全門啟閉的動力源，通過液氣聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)鉆桿動力鉗各動作間的邏輯互鎖，即當(dāng)下鉗夾緊氣缸11未動作，動力鉗下鉗未夾緊鉆桿時，氣動安全門氣缸10也不動作，動力鉗安全門開啟，移送氣缸12可以前后移動不受阻礙，同時液壓油通過液氣互鎖閥塊1直接回油，液壓系統(tǒng)不能工作；當(dāng)下鉗夾緊氣缸11動作，動力鉗下鉗夾緊鉆桿后，安全門自動關(guān)閉，液氣互鎖閥塊1在壓縮空氣的控制下流向鉆桿動力鉗工作回路，此時液壓馬達(dá)6和升降液壓缸4方可在各自換向閥(2和5)的操縱下動作，同時動力鉗移送氣缸12氣路被截止，移送氣缸12不能動作。液氣互鎖設(shè)計(jì)提高了操作安全性，杜絕了由于誤操作帶來的人身傷害和設(shè)備損壞。

2.6 技術(shù)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

ZQ216/135鉆桿動力鉗的技術(shù)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1) ZQ216/135鉆桿動力鉗是目前國內(nèi)夾持管徑范圍最大、鉗頭輸出扭矩最高的鉆桿動力鉗，能夠滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下的所有鉆桿接頭的上扣與卸扣工作要求。

(2) 針對現(xiàn)有動力鉗安全性不夠的問題，本動力鉗通過液氣系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)保證了操作的安全性；通過在上鉗旋轉(zhuǎn)部位加裝防護(hù)罩，隔開了操作人員與設(shè)備旋轉(zhuǎn)部位，提高了人身安全性和設(shè)備安全性。

(3) 針對動力鉗扭矩測量不準(zhǔn)確的問題，本動力鉗通過扭矩測量液缸來測量上殼體與下殼體之間的相互作用力，從而能夠比較精確地得出動力鉗的實(shí)際工作扭矩，鉆桿接頭絲扣連接質(zhì)量高。

(4) 針對動力鉗的扭矩不能傳輸與保存的問題，本動力鉗通過將動力鉗的扭矩數(shù)字化，從而將扭矩采集并傳輸?shù)剿俱@房保存，可以對每個鉆桿接頭的工作扭矩進(jìn)行追溯，保證整口井的鉆桿接頭連接可靠。

1-液氣互鎖閥塊；2-升降操縱閥；3-升降平衡閥；4-升降液壓缸；5-液壓馬達(dá)操縱閥；6-液壓馬達(dá)；7-上扣溢流閥；8-扭矩測定液壓缸；9-扭矩顯示表；10-安全門氣缸；11-下鉗夾緊氣缸；12-移送氣缸；13-氣胎離合器；14-氣包

3 關(guān)鍵部件的受力分析與強(qiáng)度計(jì)算

3.1 鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)受力分析

鉆桿動力鉗鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)為開口型式，以方便鉆具進(jìn)入到動力鉗中心以及作業(yè)完成后退出動力鉗。執(zhí)行鉆具上卸扣的部件為浮動式上鉗、顎板組件等，浮動式鉗頭組件受力大、作業(yè)環(huán)境惡劣，而且鉗頭的開口結(jié)構(gòu)使之容易產(chǎn)生變形，因此鉗頭的強(qiáng)度和剛度較大程度上決定了動力鉗的作業(yè)效果及使用壽命。

鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)由浮動式鉗體2、坡板1和顎板3、滾子5等組成(如圖4所示)，其作用是實(shí)現(xiàn)顎板對管柱的夾緊動作，在設(shè)計(jì)時采用內(nèi)凹形坡板和滾子來構(gòu)成滾子直動從動件凸輪機(jī)構(gòu)[5]，裝有滾子的顎板組件沿著內(nèi)凹線坡板做上坡運(yùn)動，從而逐漸靠近鉆桿接頭實(shí)現(xiàn)夾緊。

本文以動力鉗的最大夾持管徑Φ216 mm的顎板作為分析研究對象，其受力狀況如圖4所示。圖4 中，O1、O2分別為坡板內(nèi)圓弧幾何中心；N1、N2分別為坡板施加給滾子的正壓力，N1=N2；F1、F2分別為坡板與滾子間的摩擦力，F(xiàn)1=F2=N×f(f為滾動摩擦因數(shù)，f=0.001，N=N1=N2)；O1O、O2O分別為正壓力N1、N2對鉆具中心的力臂，O1O=O2O=27.5 mm；L1、L2分別為摩擦力F1、F2對鉆具中心的力臂，L1=L2=197 mm。

當(dāng)動力鉗對鉆具施加最大扭矩135 kN·m時，根據(jù)圖4可知，當(dāng)顎板沿著坡板內(nèi)輪廓曲線運(yùn)動時，由于坡板的輪廓曲線曲率中心與鉆桿接頭的中心并不在同一中心線上，存在一定的偏心量，因此隨著顎板的運(yùn)動逐漸靠近鉆桿接頭，從而夾住鉆桿接頭并對其施加扭矩T，扭矩T即為坡板對顎板的正壓力、坡板面對滾子的摩擦力共同作用在鉆桿上的結(jié)果。扭矩T的計(jì)算公式為：

T=N1×O1O+N2×O2O+F1×L1+F2×L2=135 kN·m.

(1)

1-坡板；2-浮動式鉗體；3-顎板；4-鉗牙；5-顎板滾子

將此合力R分解為作用扭矩的切向力Rx(力的作用線切于以鉆桿接頭為中心，圓周在顎板滾子與坡板接觸點(diǎn)的圓，作用點(diǎn)為滾子與坡板的接觸點(diǎn))與夾住鉆具的徑向力Ry(力的作用線為接觸點(diǎn)指向鉆桿中心的連線，作用點(diǎn)為坡板與滾子的接觸點(diǎn))可得：Rx=R·sinα，Ry=R·cosα。其中，α為夾住鉆具的徑向分力Ry與作用合力R間的夾角，α=7.93°。將數(shù)值代入計(jì)算得Rx=336.22 kN,Ry=2413.7 kN。

通常所說的切向力與徑向力的比值即切徑比[6]等

于336.22÷2 413.7=0.139 3=tan7.93，這樣的切徑比能夠使牙板有效地夾持鉆桿接頭的外表面而不在大扭矩下發(fā)生打滑現(xiàn)象，從而提高鉆桿接頭絲扣的連接質(zhì)量和工作的可靠性。

3.2 基于ANSYS的動力鉗夾緊機(jī)構(gòu)有限元分析

由于鉆桿動力鉗在最大工作載荷(135 kN·m)的工況下受力最大，為了驗(yàn)證鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足使用要求，利用三維設(shè)計(jì)軟件PRO_ENGINEEG對ZQ216/135鉆桿動力鉗夾緊機(jī)構(gòu)建立三維模型并導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行分析[7]，得到的應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可以看出，夾緊機(jī)構(gòu)的大部分應(yīng)力水平均較低，應(yīng)力值處于相當(dāng)?shù)偷乃剑罡咧祪H出現(xiàn)在牙板的牙尖處，為牙板咬緊鉆柱產(chǎn)生塑性變形所致。實(shí)際工作過程中牙板咬進(jìn)鉆桿表面一定的深度，從而抵抗扭矩帶來的反作用力。由于牙板受力較大，所以也是動力鉗使用過程中經(jīng)常更換的易損件。

圖5 ZQ216/135鉆桿動力鉗夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 試驗(yàn)及應(yīng)用情況

ZQ216/135鉆桿動力鉗樣機(jī)試制后，按照API Spec 7K《鉆井和修井設(shè)備》規(guī)范(第5版)及SY/T5074—2012《鉆井和修井動力鉗、吊鉗》標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別進(jìn)行了廠內(nèi)型式試驗(yàn)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

ZQ216/135鉆桿動力鉗在大慶油田、江漢油田、江蘇油田以及南海油田等地進(jìn)行了使用，根據(jù)用戶反映，設(shè)備性能可靠，作業(yè)效率高，能夠滿足正常起下鉆時接卸鉆桿接頭的要求。

ZQ216/135鉆桿動力鉗于2014年9月通過了江蘇省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會組織的鑒定，被認(rèn)定為江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品。

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