7 000米石油鉆井絞車滾筒優化設計計算

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

隨著工業化的發展，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。總之，鉆井絞車滾筒作為鉆井作業中最重要的執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化設計，進而達到理想的作業狀態。

1 確定絞車滾筒結構方案

依據客戶要求或者局限于當地條件等外部環境，確定絞車級別以及絞車的驅動形式，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。依據滾筒直徑及所承載載荷確定滾筒體繩槽結構，繩槽設計原則為：在整個滾筒壽命周期內，鋼絲繩不夾繩不跳繩，充分利用其優良的結構設計來延長鋼絲繩的使用壽命，其中左右爬坡角度及結構依據安全、可靠、方便的原則進行設計。確定的絞車滾筒結構方案如圖1所示。

圖1 絞車滾筒結構方案

2 滾筒體優化設計計算

滾筒體根據以下標準進行優化設計：

(1) API Spec 7K《鉆井與修井設備》。

(2) API 9B《油田鋼絲繩的應用、保養和使用的推薦方法》。

(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生變形的主要外力，由于滾筒兩側輪轂的加強作用因此最大變形量出現在滾筒中間位置，應力又以滾筒中間內壁表面切向應力στmax最大。

滾筒纏繩一圈時內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。

根據滾筒體壁強度條件，其安全系數n應滿足：

(3)

其中：δS為滾筒材料的屈服極限。據式(2)、式(3)初選筒壁厚。

2.2 滾筒長度與直徑

由于滾筒纏繩層數有限制，因此滾筒長度與筒體直徑也是設計中不可忽略的兩個重要參數，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。滾筒直徑的設計原則為：在不使鋼絲繩過于彎曲的前提下，D筒設計得偏小一些。

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 滾筒繩槽的優化設計與計算

絞車滾筒優化后是帶有特殊導向繩槽的筒體,其結構如圖2所示。由繩槽導引鋼絲繩做環狀纏繞，180°對側有兩次跳槽，此繩槽可以使得鋼絲繩纏繞均勻，不會出現鋼絲繩嵌入內層繩槽而夾傷鋼絲繩的現象。

圖2 繩槽結構展開圖與示意圖

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。

此繩槽的優點是：①繩纏繞均勻，不會出現鋼絲繩嵌入內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構要求繩子平滑過渡，當爬坡高度達到繩子直徑高度處時利用反轉機構改變纏繩方向，進行下一纏繩循環。依據上述優化方法設計的7 000 m鉆井絞車滾筒鋼繩爬坡及反轉走向示意圖如圖3所示。

圖3 鋼繩爬坡、反轉走向示意圖

3 結論

利用現代電控技術雖然可以優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中的要求也越來越嚴格，因此，對其進行結構研究與優化是很有必要的。經過此次改進7 000 m鉆井絞車即使使用原絞車傳動結構依然可以做到運行更加平穩、更加可靠。