頂部驅動鉆井螺紋防松裝置的創新設計

白曉捷，宋瑞宏，于成龍，馬曉偉，張 磊

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413；2.大慶鉆探工程公司工程技術管理處，黑龍江大慶163413）

頂部驅動技術是轉盤鉆機問世以來的幾項重大變革（液壓盤式剎車、液壓鉆井泵、交流變頻驅動等）之一。它可從井架上部空間直接旋轉鉆桿，沿專用導軌向下送進，完成鉆桿旋轉鉆進，循環鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作。使用頂驅鉆井時，在起下鉆具的同時可循環鉆井液、轉動鉆具，有利于鉆井中井下復雜情況和事故的處理，對深井、特殊工藝井的鉆井施工非常有利。該系統顯著提高了鉆井作業的能力和效率，并已成為石油鉆井行業的標準產品。進入21世紀，頂驅在現代鉆井工程中應用越來越廣泛,淺海上鉆井船或平臺幾乎全部裝備了頂驅，陸地石油鉆機也越來越多地裝配頂驅。頂驅在復雜井和高難度井作業中的優勢以及方便、安全、快捷的特性得到石油鉆井行業的認可[1]。

1 REG螺紋松扣原因系統分析

頂驅系統結構復雜，涉及4000 余個機電零部件。頂驅主機由電水龍頭、管子處理系統、滑車導軌系統、提升系統、液壓控制部件、電氣控制部件等組成。頂驅電水龍頭下部通常設計為REG鉆桿螺紋，與頂驅內防噴器（IBOP）相連，內防噴器下部再通過REG鉆桿螺紋與保護接頭相連，保護接頭與下部鉆桿母接頭通過NC螺紋相連。在使用頂驅進行卸扣操作時，電水龍頭提供卸扣扭矩，頂驅背鉗夾緊鉆桿接頭母螺紋，實現鉆桿接頭卸扣。然而，此時內防噴器（IBOP）兩側的兩個REG 鉆桿螺紋雖然上扣扭矩遠大于NC 螺紋，但仍然存在松扣的風險[2]。為解決此問題，作者深入學習了創新方法理論。近年來，應用比較廣泛的創新方法是發明問題解決理論(TRIZ)，該理論的應用有效的結合了設計理論和方法，將設計的過程更加詳細的展示出來，提高了產品研發設計的效率[3]。TRIZ方法成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。本文作者利用所學的多種創新方法對問題進行了九屏圖、因果鏈分析，確定了主要矛盾，得出了新型螺紋防松裝置的設計思路。

1.1 九屏圖分析

頂驅螺紋松扣會導致現場鉆井液刺漏等問題出現，造成較大的鉆井工程風險。如果不能及時找到問題的原因，可能導致鉆具松脫、頂驅損壞、鉆井液溢出等更加嚴重的問題。傳統的TRIZ 九屏圖一般是作為一個資源分析工具使用，本文作者將九屏圖做了拓展應用，將其不僅應用于資源分析，而且應用于問題分析、需求分析、創新構建。通過開展圖1所示的螺紋松扣原因分析九屏圖的繪制，從螺紋松扣機理、設計工程師、操作者維護三個維度進行分析，得出了需設計更加輕便、更高扭矩余量、避免誤操作的外部防松裝置的結論。

圖1 螺紋松扣原因分析九屏圖

1.2 松扣因果鏈分析

頂驅螺紋防松裝置是頂驅內部的一個防松、易損部件。其作用是防止頂驅內部的3組螺紋接頭在工作過程中松扣，由于螺紋接頭是易損件，需經常更換，因此螺紋防松裝置需要經常更換。如果螺紋防松裝置拆裝困難，將造成易損件更換困難、維修效率低。為解決上述問題，作者深入研究了因果分析法。因果分析法是利用事物發展變化的因果關系來進行預測的方法。它是以事物發展變化的因果關系為依據，抓住事物發展的主要矛盾與次要矛盾的相互關系，建立數學模型進行預測。通過開展圖2 所示的魚骨式因果鏈分析圖的繪制，得出關鍵結論：在防松裝置結構設計方面，應從分體式結構設計方面開展設計工作。

圖2 螺紋防松裝置松扣因果鏈分析圖

2 應用TRIZ方法解決頂驅螺紋防松裝置設計問題

2.1 頂驅螺紋防松裝置原理

在進行頂驅保護接頭的拆裝時，為避免上部接頭松扣，通常將上部接頭的上扣扭矩加大，但由于鉆井現場扭矩波動較大，會時常出現螺紋松扣的現象。為了徹底解決螺紋松扣問題，各頂驅公司均設計了螺紋防松裝置。裝置分上環體和下環體，該上、下環體均為兩個半圓環，兩個半圓環兩側結合處設有凸緣，在該凸緣處設有固定連接兩個半圓環的螺栓和螺帽，上、下環體之間通過凹凸牙塊相互咬合，在上、下環體的內側設有防滑齒塊。

2.2 頂驅螺紋防松裝置的使用

使用螺紋防松裝置時，首先將動力頭鉆桿與保護接頭按規定的預緊力扭緊。以5″鉆桿為例，需要扭緊到25kN·m，然后分別用螺紋防松裝置上環體箍緊動力鉆桿，下環體箍緊保護接頭。上、下環體間的凹凸沿相互咬合，這樣上、下環體就將融為一體。防滑齒塊與動力鉆桿和保護接頭接觸，起到增加摩擦力的作用。

2.3 物—場模型分析

作者應用TRIZ 方法體系，將螺紋松扣特殊問題，轉化為物—場分析標準模型。通過分析組件與組件之間的關系，建立功能模型，運用知識效應庫，產生解決方案模型。通過開展圖3所示的物—場模型分析圖的繪制，得出接口設計關鍵：應在本體與鉗牙之間設計轉換壓緊槽。

圖3 物—場模型分析圖

2.4 技術方案優選

頂驅行業普遍使用特制的螺紋防松裝置進行REG螺紋的防松處理。作者通過長期深入現場研究鉆井技術，形成了一種新型頂驅螺紋防松裝置的設計方案，設計模型見圖4。圖4中，1為A環；2為B環；3為鉗牙；4為緊固螺釘。

該裝置在試驗中效果極佳，鉗牙和螺栓能夠很好地起到防松的效果，重量僅為同類裝置的1/2，裝卸操作便捷，減輕人員勞動強度，縮短維修等停時間，提高現場操作效率達50%以上，可適用于各種外形尺寸、不同品牌的頂驅使用，替代現有防松法蘭裝置，具有良好的推廣應用前景。

圖4 新型頂驅螺紋防松裝置

3 結論和認識

（1）通過開展九屏圖、魚骨式因果鏈研究，從螺紋松扣機理、設計工程師、操作者維護三個維度進行分析，得出了需設計更加輕便、更高扭矩余量、避免誤操作的防松裝置的結論。

（2）通過應用TRIZ 方法體系，將螺紋松扣特殊問題，轉化為牧場分析標準模型。通過分析組件與組件之間的關系，建立功能模型，設計了新型頂驅螺紋防松裝置，該裝置具有良好的推廣應用前景。