石油鉆井絞車滾筒旋向與鋼絲繩捻向探析

程 立，寇 蓓，焦思菡

（蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

關鍵字：鋼絲繩；捻向；滾筒；旋向

前言

鋼絲繩在實際工程中普遍用于吊裝、提升、牽引等工況。在石油天然氣鉆采領域，鉆井鋼絲繩主要承擔著提升、下放、活動鉆具等載荷，具體是以鉆井絞車滾筒的轉動纏繞或釋放鋼絲繩并通過定動滑輪組實現鉆具的提升、下放、活動。近年來，隨著貫徹中國制造2025戰略布局，石油鉆采裝備快速地向自動化智能化方向發展，對設備的作業效率和性能也有了更高的需求。而石油鉆機在工作中鉆井鋼絲繩經常出現磨損、打扭、斷絲等失效現象，嚴重影響鉆井作業效率，并制約著設備性能的發揮。經各方論證絞車滾筒亂繩是造成該現象的主要原因之一，造成亂繩的因素有很多，但主要表現形式為起升鉆具過程中滾筒纏繩出現架空、打扭、騎繩這三種現象[1]。根據多年現場使用經驗造成這三種形式的主要原因有很多，不同學者和專家已重點進行分析，并提出多種影響因素及解決辦法。但是，針對石油鉆井過程中絞車滾筒旋向與鋼絲繩捻向的選配關系一直存在較大的爭議，本文針對該問題進行重點探討分析，提出觀點及選配建議。

1 鋼絲繩類型及捻向

針對鋼絲繩類型及捻向以往學者均有詳細介紹，本文僅對常用鉆井鋼絲繩做簡單陳述。

1.1 鋼絲繩類型

鋼絲繩按照結構分為單層股、多層股組旋轉、多層股平行捻密實鋼絲繩等。股為多根鋼絲繞中心沿同一方向平行捻或者組合平行捻制的多層螺旋狀結構。鉆井鋼絲繩均為多個股圍繞一個繩芯螺旋捻制的多層股平行捻密實鋼絲繩。

1.2 鉆井鋼絲繩捻向和念法

通常按鉆井鋼絲繩的捻制方向分為右捻（Z）和左捻鋼絲繩（S）；按股的捻制方向分為右捻（z）和左捻股（s）；鉆井鋼絲繩按照繩和股的捻法主要分右交互捻（sZ）、左交互捻（zS）、右同向捻（zZ）、左同向捻（sS）、右混合捻（aZ)、左混合捻（aS）等。多采用前四種，如圖1所示。

圖1 鉆井鋼絲繩捻向和念法

2 絞車滾筒的旋向

2.1 滾筒旋向分類

在石油天然氣鉆采領域，鉆井絞車絕大多數采用前出繩，少部分絞車采用后出繩，如圖2所示。兩種出繩方式的絞車滾筒均開有Lebus雙折線繩槽，繩槽在卷筒周向約45°～180°和225°～360°區段上保持與滾筒端面平行，只在0°～45°和180°～225°區段上與滾筒端面相交，表現為繩槽會出現拐折現象，這種設計既對鋼絲繩纏繞起到一定的導向作用，又盡可能大地減少鋼絲繩在纏繞過程中的相互摩擦。按照鋼絲繩在滾筒上的纏繞方向，主要分為左旋滾筒和右旋滾筒，二者均成熟廣泛地應用于鉆井作業中。

圖2 鉆井絞車出繩方向

2.2 滾筒旋向判斷方法

對前出繩滾筒旋向的判斷，主要依據滾筒繩頭固定位置。面對著滾筒，繩頭固定在左側，首層鋼絲繩纏繞時從左向右纏繩為左旋滾筒；繩頭固定在右側，首層鋼絲繩從右向左纏繩為右旋滾筒；如圖3所示。部分學者采用左、右手法則進行判斷，也可以，但筆者認為上述方法更為直觀簡潔。

圖3 滾筒的旋向

3 滾筒旋向與繩捻向的選配

在圖2中，左側滾筒為左旋，右側滾筒為右旋。在實際應用過程中，對左旋滾筒和右旋滾筒配哪種捻向的鋼絲繩，在不同學者和使用者之間一直存在較大的爭議。部分學者認為左旋滾筒配右旋鋼絲繩，右旋滾筒配左旋鋼絲繩，駁論反之。筆者重點針對該問題進行分析：

3.1 單層纏繞

以往學者多次針對單層纏繞進行詳細分析，這里不再論述，其結論是：交互捻鋼絲繩既適用于左旋滾筒，也適用于右旋滾筒。但從鋼絲繩的捻向角度分析，左旋滾筒更適合采用右同向捻鋼絲繩，其次是右交互捻或左交互捻[2]，右旋滾筒反之。但不論左旋還是右旋滾筒最不適合采用同向捻鋼絲繩[3]，該結論的依據是：鋼絲繩在卷筒上的纏繞方向，必須是使鋼絲繩緊捻而不是松捻的方向纏繞[4]。該說法不考慮折線繩槽和多層纏繞的問題。

3.2 Lebus雙折線繩槽纏繞

筆者針對石油鉆井絞車實際工況，對折線槽進行分段分析。針對鉆井絞車雙折線繩槽，在繩槽與端面平行區段，正在纏繞的鋼絲繩和相鄰已纏繩是平行關系，二者理論上沒有接觸，該區段內，左旋和右旋滾筒選配那種念法的鋼絲繩理論上是沒有任何關系的。這種設計最大程度減少了鋼絲繩的咬繩現象，提高了鋼絲繩壽命。

在繩槽和法蘭端面相交區段，正在纏繞的鋼絲繩和相鄰已纏繩是交叉關系，滾筒旋向和鋼絲繩捻向的選配適合單層纏繞說法。綜合分析，整體纏繩應按照單層纏繞說法進行優選鋼絲繩。

3.3 多層纏繞

鉆井絞車工作時為多層纏繞，針對多層纏繞工況，滾筒為左旋（如圖3左側所示），當第一層鋼絲繩纏滿時，對于第二層鋼絲繩而言，滾筒為右旋（如圖4所示），依次對于第三層而言滾筒為左旋……，反之亦然。故，第一層、第三層纏繩時滾筒旋向相同，第二層和第四層纏繩時滾筒旋向相同。對左旋滾筒每層進行單層纏繞分析，單數層最優選配右同向捻鋼絲繩，雙數層最優選配左同向捻鋼絲繩，右旋滾筒反之。但鋼絲繩選定后，捻向是固定不變的。因此，綜合考慮不論左旋還是右旋滾筒，針對多層纏繞時應優選交互捻鋼絲繩。

圖4 多層纏繞

4 鉆井工況中鋼絲繩的纏繞

鉆井作業工況下，為防止鋼絲繩從滾筒上脫落，當游車最低點下放至鉆臺面時滾筒第一層需纏三分之一鋼絲繩，此時懸掛頂驅或水龍頭后，絞車提升頂驅或水龍頭使提環能掛上卡瓦，達到正常作業最低點工況，此時滾筒纏繩量為1層10圈左右，如圖4所示。正常作業過程中這1層10圈左右的繩子不釋放，提升和下放鉆具過程中，參與作業的鋼絲繩始終處于1層10圈至4層即將纏滿的范圍內，即在鉆井作業中第二層、第三層、第四層鋼絲繩頻繁處于纏繞/釋放過程。

結合滾筒旋向與繩捻向的選配分析，綜合考慮鉆井作業 中延長鋼絲繩壽命，鉆井工況中鋼絲繩的纏繞應以第二層、第四層纏繩時滾筒旋向為基礎，采用上述說法進行選配鋼絲繩。

5 結論

根據筆者上述論證，得出以下觀點：（1）針對單層纏繞工況：左旋滾筒應選配右交互捻鋼絲繩，右旋滾筒應選配左交互捻鋼絲繩；（2）針對多層纏繞工況：不論是左旋滾筒還是右旋滾筒，應優選交互捻鋼絲繩；（3）針對石油鉆井多層纏繞工況：應以第二層纏繩時滾筒旋向為基礎進行優選鋼絲繩，即左旋滾筒應選配左交互捻鋼絲繩，右旋滾筒應選配右交互捻鋼絲繩。