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1、石油矿场机械,第四章 旋转系统设备,2,旋转钻井简介,旋转钻井是从顿钻钻井演变向来的，转盘钻井是旋转钻井方法之一。它比顿钻优点多，所以，应用最广泛。转盘钻井是通过一套地面设备，即钻机、井架以及一套提升系统，通过提升系统将井下钻具提起、下放，靠转盘转动。钻具转动带动下边钻 头转动，钻头转动时就可破碎岩石，破碎了的岩屑被泥浆泵泵入钻柱，将井内的泥浆循环带到地面。钻头磨损了，再将钻具起出来换上新钻头，再下钻钻进，这样井不断加深直到将井钻到预计井深。 井架、天车、游车、大钩及绞车组成起升系统，以悬持、提升、下放钻柱。接在水龙头下的方钻杆卡在钻盘中，下部承接钻柱（包括钻杆和钻铤）、钻头。钻柱是中空的，可
2、通过循环洗井液对井底进行清洗。工作时动力机驱动转盘通过方钻杆带动井中钻柱，从而带动钻头旋转。通过控制绞车刹把，可调节由钻柱重量施加到钻头上的压力（即钻压），使钻头以适当的压力压在岩石面上，连续旋转破碎岩石。与此同时，动力机也驱动泥浆泵工作，使洗井液经由泥浆池-地面管汇-水龙头-钻柱内孔-钻头-井底-钻柱与井壁的环形空间-泥浆槽-泥浆池，形成循环流动，以连续地携带出被破碎的岩屑，清洗井底。 钻杆代替了顿钻中的钢丝绳，它不仅能够完成起下钻具的任务，还能够传递扭矩和施加钻压到钻头，同时又提供了洗井液的入井通道，从而保证了钻头在一定的钻压作用下旋转破岩，提高了破岩效率，并且在破岩的同时，井底岩屑被清除
3、出来，因此提高了钻井速度和效益。目前这种方法在世界各国被广泛使用。,3,概述,钻机旋转系统主要包括转盘、水龙头、方钻杆、钻杆柱、钻铤及钻头。是钻机的三大工作机组之一，是钻机的地面旋转设备。 钻机旋转系统主要功用是通过转盘、方钻杆和钻柱将扭矩和转速传到井下动力钻具，通过旋转钻柱、钻头，破碎岩石，形成井眼。同时水龙头应能保证高压钻井液的通过和密封。 钻机旋转系统设备的转速及结构尺寸直接决定了钻井的机械钻速。,4,钻具系,钻具系指方钻杆、钻杆、钻杆接头、接箍、钻铤和钻头等主要钻井工具。 钻具有关安装顺序：游车大钩水龙头（上部与鹅颈管、水龙带相连，随大钩上提下放）方钻杆钻杆钻铤钻头。 几个概念： 水龙
4、头是钻机的旋转系统设备，起着循环钻井液的作用。 方钻杆位于钻柱最上端，上接水龙头，穿过转盘，承受全部入井钻具重量，传递扭具、输送泥浆。 钻铤高级合金钢的厚壁无缝钢管，其作用给钻头加压，输送泥浆，连接钻杆与钻头。 钻头用来旋转破碎岩石，主要有刮刀钻头（两翼、三翼、四翼）、牙轮钻头（钻头体上装几个能灵活转动的牙轮，分单、双、三、多牙轮）、金刚石钻头（PDC、TSP）和特殊用途的钻头。,5,转盘实质上是一个大功率圆锥齿轮减速器，是旋转钻机的关键设备，是钻机的三大工作几之一。转盘位于钻柱最上端，上接水龙头承受全部入井钻具重量。主要作用是把发动机的动力通过转台中心孔的方瓦传给方钻杆、钻杆、钻铤和钻头，驱
5、动钻头旋转，钻出井眼。 配有各种规格方补芯和平补芯。转盘体内设置迷宫形导泥槽，防治泥浆渗入并积压，齿轮经过淡化处理。,第一节 转盘,6,一、转盘的功用及工艺要求, 转盘的功用（重点） 转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速。 下套管和起下钻时，承托井中全部套管柱或钻柱重量。 完成卸钻头、处理事故时倒扣、进扣等辅助工作； 输送泥浆。（泥浆飞溅，油水腐蚀，冲击振动严重。） 涡轮钻井时（即在使用井低旋转钻具时，转盘制动上部钻柱，以承受反扭具矩此外，转盘的工作条件是十分恶劣的。在各工作机中，它的工作环境最不清洁，泥浆吸溅，油水污蚀；井中钻杆柱的振跳首先直接传到转盘上，冲击扳动相当严重。,7, 钻井
6、工艺对转盘的要求（重点） 具有足够大的扭矩和一定的转速，以转动钻柱带动钻头破碎岩石，并能满足打捞、对口、倒扣、造扣或磨铣等特殊作业的要求。 具有抗震、抗冲击和抗腐蚀的能力，尤其是主轴承应有足够的强度和寿命，并要求起承载能力不小于钻机的最大钩载。 转盘中心孔的直径应能满足通过最大号的钻头。中心孔过大将造成井口操作不便并使转盘体积过大，一般在525600mm之间。 转台面直径应根据中心孔直径、操作是否方便及吊卡尺寸等因素确定。 具有良好的密封和润滑性能，以防止外界的泥浆、污物进入转盘内部损坏轴承。能正、反转，且具有可靠的制动机构。,一、转盘的功用及工艺要求,8,3.转盘的技术参数,石油钻机常用的转
7、盘有ZP175、ZP205、ZP275、ZP375、ZP495等五种标准规格，技术参数见表3-1。 但一些非标准型号转盘目前仍在部分油田使用。 （1）通孔直径：转盘通孔直径是转盘主要几何参数，它应比第一次开钻时所用最大号钻头的直径至少大l0mm。 （2）最大静载荷：转盘上能承受的最大重量，应与钻机的最大钩载相匹配。该载荷经转台作用到主轴承上，因此决定着主轴承的规格。 （3）最大工作扭矩：转盘在最低工作转速时应达到的最大工作扭矩，它决定着转盘的输入功率及传动零件的尺寸。JB430486规定，以150rmin在最大扭矩下运转2小时，齿轮齿顶不得有损伤现象。 （4）最高转速：转盘在轻载荷下允许的最高
8、转速，一般规定为300 rmin。 （5）中心距：转台中心至水平轴链轮第一排轮齿中心的距离。,9,表3-1 标准转盘的主要技术参数,10,二、 转盘的技术规范,转盘代号ZP 更新设计标号：用阿拉伯数字表示驱动形式：机械略，Y液压驱动， D电驱动型号级别：转盘通孔直径，in10转盘代号如P86表41中ZP275，其中275是27.5in，1in=25.42mm,11,三、转盘的结构组成,转盘实际上是一个大功率圆锥齿轮也称八字齿轮(结构特殊的角形传动)减速器。 转盘是通过一对锥齿轮副实现减速和改变力的传动方向，使转台获得一定范围内的转速和扭矩输出,驱动钻具进行钻井作业的设备。转盘一般由底座、转台总
9、成、 水平轴（输入）总成、 主辅轴承(负荷轴承及防跳轴承)、锥齿轮副、锁紧装置、上盖和方瓦等部件组成。 动力经水平轴上的法兰或链论传入，通过圆锥齿轮传动到转台，借助转台通孔中的方补心和大方瓦带动方钻杆、钻杆柱和钻头转动，同时，大方瓦允许钻杆轴向自由滑动，实现钻杆柱的边旋转边送进。起下钻和下套管时，钻杆柱或套管柱可用卡瓦或吊卡座落在转台上。,12,转台(6)是转盘用以输出转速和扭矩的旋转体，大锥齿圈（4）与转台紧配合装在一起。负荷轴承（5）和防跳轴承（11）均采用角接触推力球轴承，既可承受最大钻柱和套管柱负荷，也可承受钻进和起下钻时来自井下向上的冲击负荷，下座圈（30）与转台用螺栓(28)连接，
10、起到支承防跳轴承的作用，垫片（29）可调整防跳轴承的轴向间隙，转台由负荷轴承支承在底座内。,三、转盘的结构组成,1底座 2挡板 3上盖 4大齿圈 5负荷轴承 6转台 7制动块 8制动销 9方补芯 10方瓦 11防跳轴承 12.29调整垫片 13齿轮 14. 17轴承 15输入轴 16轴承套 18.21.28.31螺栓 19弹性密封圈 20.25轴承压板 22链轮(连接部件) 23排油口 24.27.33“O”型密封圈 26迷宫密封环 30下坐圈 32挡污盘,ZP375转盘结构图,13,三、转盘的结构组成,14,ZP7520,15,ZP7520,底座 壳体是结构比较复杂而紧固的铸钢件，内腔形成两
11、个油池；外形上便于安装固定和运输，便于工人进行井口操作。 转台总成： 主要有转台迷宫圈、转台、固定在转台上的大锥齿轮、主轴承、辅轴承、下座圈、大方瓦和方补心等组成。主轴承起承载和承转作用；辅轴承起径向扶正和轴向防跳的作用。 快速轴（水平轴总成）： 主要由动力输入链轮（链轮驱动）或连接法兰（万向轴驱动传递负荷，改变运动方式）、水平轴、小锥齿轮、轴承套和底座上的小油池组成。 水平轴头部装有小锥齿轮，尾部装联接法兰(万向轴传动时)或链轮(链传动时)。轴通过一付双列调心轴承和套筒座在壳体中，套筒的作用是使水平轴能进行整体式装配。轴中部有制动棘轮，通过壳体上的棘爪可实现转台的制动。水平轴下方壳体构成一独
12、立油池，使水平轴轴承得到良好的润滑。,16,三、转盘的结构组成,4.转盘的结构方案 （见P88）5.转盘的维护及使用保养 使用前的准备与检查使用转盘前，应按规定检查机油的油质、油量，并使其符合要求。转盘启动前，其锁紧装置上的操纵杆或手柄应不在锁紧位置。启动转盘前，应检查轴上的密封圈密封是否可靠、转盘链条护罩或万向轴护罩是否齐全、牢靠. 工作中的检查启动转盘要平稳操作，启动后要检查转台是否跳动，声音是否正常。每班应至少检查一次转盘的固定情况。在钻进和起下钻过程中，应避免猛蹩、猛顿，严禁使用转盘崩扣。 润滑的检查新转盘使用一个月应更换机油，以后每使用三个月换油一次。防跳轴承和锁紧装置上的销轴每月应
13、至少注入一次润滑脂,17,概述 水龙头是非常具有特色的设备，是钻机旋转系统、起升系统及循环系统连接的纽带，在一部钻机中，既是旋转系统的设备，又是循环系统的一个部件。它一方面承受井中钻具的全部重量（将这部分重量通过提环传给大钩），悬挂钻柱并保证钻柱自由旋转，另一方面它与水龙带相连，将高压钻井液引入旋转的钻杆柱内，注入井底洗井，构成钻井液循环通道。是钻机的关键设备。,第二节 水龙头,18,一、水龙头的功用与工艺要求, 水龙头的功用 水龙头是旋转钻机中提升、旋转、循环三大工作中相交汇的关键设备，起着循环钻井液的作用。悬挂在大钩上随大钩上提下放。 不但疏导来自钻井泵的钻井液，还要改变运动方式，在旋转情
14、况下承受井中钻具的重量。 通过上部的鹅颈管与水龙带相连，下部与方钻杆连接，让钻井液进入钻杆柱内腔完成循环洗井作业。,19,一、水龙头的功用与工艺要求, 钻井工艺对水龙头的要求 水龙头主轴承应具有足够的强度和寿命，其承载力不小于钻机的最大钩载。 有可靠的高压钻井液密封系统，寿命长，拆卸迅速、方便。能自动补偿工作中密封件的磨损。 上端与水龙带连接处能适合水龙带在钻井过程中的伸缩弯曲。 各承载件要有足够的强度和刚度，并且要求连接可靠，能承受高压。,20,二、水龙头的代号,1.水龙头的代号SL 改型序号最大静载荷1/10，KN水龙头代号例SL1351，最大静负荷1350kN水龙头，第一次改型,21,另
15、外，在SY/T 553092标准颁布之后，一些生产厂商在常规水龙头的基础上，增加了气动上卸扣旋转功能，有的称之为两用水龙头，有的称之为旋扣水龙头，在基本表示的基础上分别表示如下：,两用水龙头表示方法,旋扣水龙头表示方法,1.水龙头的代号,22,两用水龙头,23,三、水龙头的结构组成,各种水龙头主要都是由固定、旋转、密封这三大部分组成。,三管鹅颈管、冲管、中心管 普通水龙头结构 四轴承主轴承、上扶正轴承、下扶正轴承和防跳轴承。四密封上、下钻井液密封，上下机油密封。,24,水龙头的主要结构,固定部分 提环 外壳 上盖 鹅颈管 下盖 旋转部分 中心管 主、辅轴承 密封部分 上、下钻井液冲管盘根盒组件
16、 上、下机油密封装置,25,橡胶密封即机油盘根,油浸石棉盘根,石棉填料环,石墨填料环,26,水龙头,水龙头的主要受力件是主轴承、提环等，所能承受的最大载荷应等于或大于钻机的最大载荷。水龙头的寿命和工作质量主要取决于 主轴承的结构类型， 轴承布置方案 钻井液密封系统的结构形式,27,2.工作原理,扶正轴承布置方案 两扶正轴承分置于主轴承两边，最大限度地扩大了扶正轴承间距A，扶效果好。中心管工作稳定摆动小，非常有利于钻井液密封和机油密封。 防跳轴承布置在上扶正轴承下方或上扶正轴承用锥形滚子轴承起扶正和防跳作用。即在结构紧凑的原则下尽量增大扶正间距。,28,3.浮动式快卸冲管总成,功能： 对高压、磨
17、砺性强的钻井液进行动密封 这种结构形式的特点是： (1)浮动冲管 冲管浮动于鹅颈管过渡接头和中心管之间，工作时不转动,但允许略有轴向窜动，使其磨损均匀。 (2) Y形密封圈与钢制隔环交迭布置 这种密封圈可借助钻井液压力自行封紧。它的唇部在钻井液压力作用下始终贴住冲管外壁，工作过程中，即使在密封圈不断磨损情况下，仍能靠液压涨开唇部而形成密封。 (3)密封圈数目少 仅有34个。可通过密封盒上黄油嘴注入黄油，润滑条件好，减少了摩擦能量损失和磨损。 (4) 冲管的径向定位由密封盒保证 密封盒与中心管用定位止口，圆柱面配合定位这样可提高加工及配合精度，保证冲管与中心管有很好的同心性，不易产生离，延长了冲管与密封圈的寿命。 (5) 快速拆装，更换方便。 只需将上、下密封盒压帽旋出，就可取出冲管总成，更换密封圈或冲管。,
