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1、石油矿场机械,第三章 钻机起升系统,2,概述,钻机的起升系统实质上是一台重型起重机，它是钻机的核心。它主要由井架钻井架、天车、游车、大钩、游动系统钢绳、绞车和辅助刹车等设备组成。 起升系统的作用主要是起下钻具、下套管、控制钻头送进等。,3,一、概述,井架是一种具有一定高度和空间的金属桁架结构。 井架是钻采机械的重要组成部分。 1.井架的功用 它在钻井或修井过程中，用于 安放天车，悬挂游车、大钩、吊环、吊卡等机具 承受井中钻柱重量 起下、存放钻杆、油管及抽油杆 保护工人安全 方便维修,4,一、概述,2.井架的基本组成 主要包括： 井架主体 人字台 天车台 二层台 立管平台 工作梯,5,3.井架的
2、使用要求,1)应具有足够的强度、刚度和整体稳定性。以保证起下一定深度的钻杆柱、套管或油管柱。,6,3.井架的使用要求,2)有足够的工作高度和空间，足够的钻台面积。工作高度大，起下立根长度长，速度快，可节省时间。井架上下底应有必要的尺寸，以安装天车，并保证起下操作时游动系统设备畅行无阻；便于在钻台上布置设备，安放工具，方便工人操作，使司钻有良好的视野。,7,3.井架的使用要求,3)应保证拆装方便，安全，移动迅速。为此，结构应简单、轻便，并尽可能采用分段或整体运输，水平安装及整体起放的安装移运方法。,8,4.井架型号,井架型号的组成：JJ(表示井架)、最大钩载/井架高度-井架型式、改进序号,JJ
3、XX / XX - X,形式：桅性“W”塔型“T”A形“A”,高度：单位m,最大钩载.以kN的1/10表示,表示井架.,9,二、井架结构类型,井架按其主体结构形式可分为四种基本类型： 塔形井架； A形井架； 桅形井架； 前开口井架。1塔形井架 如图所示，塔形井架是一种横截面为正方形或矩形的四棱截锥体空间桁架。,10,1塔形井架,井架主体由四扇平面梯形桁架组成,每扇又分为若干桁格，同一高度的四面桁格在空间构成井架的一层，故整个井架也可视为由多层空间桁架组成。 塔形井架的主要特点：(1)井架主体部分为封闭结构，整体稳定性好，承载能力大。 (2)整个井架由许多单一构件用螺栓联接而成，制造简单，运输方
4、便。,11,1塔形井架,(3)井架内部空间大，起下操作方便，安全。(4)拆装工作量大，高空作业不安全，搬迁不方便。塔形井架适用于较少搬迁而要求承载能力大，稳定性好的钻机，如海洋钻机、超深井钻机。,12,2.前开口井架,前开口井架亦称为形井架，如图所示。 其主要结构特征是： 1)整个井架主体是35段焊接结构组成。段间采用锥销定位和螺栓联接。,13,2.前开口井架,14,2.前开口井架,2)通常采取水平拆装，整体起落和分段运输的办法搬迁井架。搬迁方便、安全、迅速。,15,2.前开口井架,3)因受运输尺寸限制，井架主体截面尺寸较小，使井架内部空间比较狭窄。 为了方便游系设备上下运行和立根排放，井架主
5、体作成前扇敞开，横截面为开口矩形(即形)的不封闭空间结构，其整体稳定性较塔形井架差而较A形井架优。 有的前开口井架最上段作成四边封闭结构以增强其稳定性。 4)井架各段两侧桁架结构形式相同，背扇则采用特殊腹杆布置形式，如菱形，以保证司钻视野良好。 由于前开口井架具有结构简单，移运、搬迁方便、良好的承载能力和整体稳定性，而成为应用最广泛的陆地钻机井架。 如美国陆地钻机几乎全部采用前开口井架。 我国制造的各种钻机(从1560)都可以配置此类井架。,16,3. A形井架,它是由两个等截面的空间杆件结构或管柱式结构的大腿靠天车台和二层台及附加杆件连接而成的“A”字形空间结构。 大腿的前方或后方有撑杆支承
6、，或在后方用人字架支承。整个井架仍和前开口井架一样，采取地面水平组装，整体起放，分段运输。,17,两个大腿都是由35段封闭的焊接结构用螺栓联结的整体结构。大腿断面依所选型材不同，而采取不同的截面形状，一般为矩形或三角形。撑杆有杆系柱结构，矩形断面或管柱结构。 A形井架的每根大腿都是封闭的整体结构，承载能力强和稳定性好。井架内部空间大，钻台宽敞，司钻视野开阔。 由于两腿间联系较弱，致使井架整体稳定性较差。,3. A形井架,18,下图是A形井架利用本身的撑杆来起放井架，安装方便，起放平稳。但撑杆在起放时要在大腿上滑动，且撑杆受力复杂，故井架大腿和撑杆结构较复杂。,3. A形井架,19,4桅形井架,
7、桅形井架是一节或几节杆件结构或管柱结构组成的单柱式井架，有整体式和伸缩式两种。这种井架一般利用液压缸或绞车整体起放，分段或整体运输，拆装移运很方便。,20,4桅形井架,由于井架横截面尺寸小，为了避免游系设备上下运行不便，并适应井架伸缩或折叠的需要，井架前扇一般做成部分或全部敞开的形截面结构。 同时井架工作时也向井口方向前倾(倾角一般在7以内)。因此，绷绳成了井架不可缺少的基本支承之一，是桅形井架整体结构的主要特征。 桅形井架结构简单，轻便，但承载能力小，只用于车装轻便钻机和修井机。,21,4桅形井架,22,2.井架的基本参数,井架的基本参数是反映井架特征和性能的技术指标，亦是设计、选择和使用井
8、架的依据。基本参数主要包括： 井架高度 最大钩载 二层台立根容量 抗风能力等,23,三、井架承受载荷的分析,一、垂直载荷 1.固定载荷 G架固=G天自+G架自 2.变化载荷 G架变=G天动+P垂 3.总垂直载荷 P总垂=G架固+G架变二、水平载荷 1.风载 P架风=P1F 2.靠在指梁上的立根侧向力P2 o= p2LSin-ngL/2Cco=0 p2=1/2 ng cos/sin p2=1/2 ng cot 3.风作用在里根排面上的压力P3 4.綳绳、死绳快绳的水平分力,24,第二节 钻机的游动系统,钻机的游动系统由天车、游车、钢丝绳和大钩组成。它实质上是用钢丝绳把天车和游动滑车联系起来组成的
9、动滑轮系统。它可以大大降低快绳拉力，从而大为减小钻井绞车上的载荷。,25,一、天车,天车是安装在井架顶部的定滑轮组 天车主要由天车架、滑轮、轴承、轴承座和辅助滑轮等零部件组成。,26,天车架是由钢粱焊接的矩形框架，用以安装天车滑轮轴并与井架顶部相连接（如下图所示）。,一、天车,27,1.天车的结构特点 三种基本结构形式： 滑轮轴共轴线，并且各滑轮相互平行； 滑轮轴线平行，快绳滑轮在另一根轴上； 滑轮轴不共轴线，并且快绳滑轮偏斜。2.天车的技术规范 技术规范中所列参数包含： 最大钩载 滑轮数 滑轮尺寸 重量 安装尺寸,一、天车,28,一、天车,TC-350天车六个滑轮分为两组，中间由一个轴套隔开
10、。快绳滑轮安装在两组天车滑轮之间的前上方，便于快绳直接从井架外侧引向滚筒。滑轮轴承为双列园锥滚子轴承，用锂基黄油润滑，每个轴承都单独有一个钻在滑轮轴上的润滑油通道。,图2-2 TC-350天车,29,游车是靠钢绳悬在井架内部作上下往复运动的动滑轮组。,游车,30,游车,图2-3 YC-350游车,31,游车,使用与维护保养： 游车在使用前及使用过程中，应经常检查，发现故障，立即排除。 在使用期间，滑轮轴承发出噪声和由于不平稳转动造成的滑轮抖动，表明轴承的间隙过大，应及时更换磨损的轴承 滑轮槽应定期用专门样板检查，当滑轮槽半径磨损至规定的滑轮槽半径数值时，应更换滑轮。 润滑：用黄油枪向轴两端油杯
11、注入1、2号锂基润滑脂，每周一次。,32,二、大钩,大钩悬挂在游车下面。 结构： 一类是独立大钩，其提环挂在游车的吊环上，可与游车分开拆装，中型、重型和超重型钻机大多采用此大钩。 一类是将游车大钩做成整体结构，二者不能分开。轻便钻机和车载钻机大多采用此大钩。,33,二、大钩,钻井工作对大钩的要求： 1)应具有足够的强度和工作可靠性； 2)钩身能灵活转动，以便上、卸扣； 3)大钩弹簧行程应足够补偿上、卸扣时钻杆在垂直方向上的位移； 4)钩口和侧钩的闭锁装置应绝对可靠，启闭方便； 5)具有缓冲减振功能，能减小拆卸立根时的冲击。,34,大钩的结构,钩身： 是铸钢件，其上部中空并加工油左旋螺纹，与下体
12、连接，并用止动块放松，构成大钩的主钩部分。钩身上部安装转动锁紧装置，下部安装安全锁紧装置，钩身中部有左右对称的两个副钩及闭锁装置。 安全锁紧装置： 由安全销体、安全锁块、安全插销和弹簧组成。主要功能是挂上水龙头上提时，安全锁体就能自动闭锁。 转动锁紧装置： 主要有制动轮、制动轮轴、掣子、掣子轴、掣子弹簧、壳体和锁环组成。主要功能是，防止水龙带打扭。 安全定位装置： 当大钩提升空吊卡时，来阻滞钩身转动，便于井架工在二层台上操作。 缓冲减震装置：,35,DG-350大钩的吊环1与吊环座3由销轴2连接，吊环座3与大钩中心处的钩杆13焊接在一起，筒体7和钩身8用左旋螺纹连接，并用止动块防止螺纹松动。钩
13、身和筒体可沿钩杆上下运动，筒体内装有5、6两个压缩弹簧。,36,在工作时，大钩下的钻柱载荷通过钩身作用在筒体上，使弹簧5、6压缩，通过筒体的台阶端面作用于固定在钩杆上的止推轴承16的座圈15上，从而使大钩载荷通过提环作用于游车上。压缩弹簧在起钻时能使立根松扣后向上弹起。,37,DG-350大钩筒体内装有机油。止推轴承上座圈将油腔分为两部分，座圈上开有油孔使两部分油腔相通。由于油流通过孔道的阻尼作用，吸收了起下作业时钩身的冲击振动，可防止钻杆接头螺纹损坏。,38,筒体上端有一个由六个小弹簧和定位盘4组成的定位装置，它的作用是借助定位盘与吊环座环形接触面间的摩擦力，防止提升空吊卡时钩身相对提环转动
14、，以便于二层台井架工操作。,39,DG-350大钩的转动锁紧装置17可以在圆周任一位置将钩身锁住。当把“止”端手把向下拉时，锁紧装置中的制动轮嵌入大钩锁环的凹槽内，使钩身不能相对提环转动。当将“开”端的手把向下拉时，制动轮脱出大钩锁环凹槽并被卡住，钩身即可转动。,40,三、钢丝绳,钻机游动系统钢丝绳起着悬持游车、大钩和井中全部钻具的作用。 我国钻机标准中规定，石油钻机应保证： 在钻井绳数和最大钻柱重量的情况下，钢丝绳的安全系数3 在最大绳数和最大钩载情况下，钢丝绳的安全系数2结构： 钢丝绳先由钢丝绕一根中心钢丝制成绳股，再有绳股围绕绳芯捻成绳。绳芯分为油浸纤维芯、油浸麻绳芯和金属芯。 绳芯的作
15、用是支撑绳股、储油、润滑钢丝、减少磨损、受力均匀。 钢丝绳按捻搓方向分为：左旋顺捻、左旋逆捻、右旋顺捻、右旋逆捻四种。钢丝绳穿绳方法 1、顺穿法 2、交叉法,41,钢丝绳的合理使用：,1、不得在钢丝绳缠乱的情况下承受负荷。 2、绳径与滑轮绳槽相匹配。 3、滑轮或滚筒直径与钢丝绳直径比例要合理，二者的比值不得小于18. 4、切割时应先用软钢丝缠好两端。 5、上绳卡时，两卡子之间不应小于绳径的6倍，卡子拧紧程度是钢丝绳被压扁1/3为宜。 6、应经常检查钢丝绳有无断丝、润滑状态。,42,四、游动系统钢丝绳与滑轮力学分析,1.运动分析 起下钻的目的是为了更换新钻头，继续钻进。 为了提高钻井效率，要充分
16、利用绞车功率，以缩短起下钻时间。为此，首先要了解起下钻过程的运动规律和大钩载荷变化规律。 如图2-3所示，设V为大钩速度，V1V6 为各段钢绳速度， Vf和Vd 为快绳和死绳速度，Z为有效绳数，D为滑轮直径, V和n为天车滑轮旋转的线速度和转速。,43,四、游动系统钢丝绳与滑轮力学分析,则钢绳速度依次为： Vf=V1=6V=ZV; V2=V3=4V; V5=V4=2V; V6=Vd=0 （2-1）天车滑轮速度依次为： V1=ZV， n1=60ZV/(D); V2=4V， n2=604V/(D); V3=2V， n3=602V/(D); V4=0， n4=0 （2-2）,44,四、游动系统钢丝绳与滑轮力学分析,由上述分析及(2-1)和(2-2)式可见： 其一，在起下钻过程中，快绳侧的钢丝绳运动速度明显高于死绳侧，其弯曲次数比死绳侧要多出数倍，快绳侧钢丝绳会疲劳断丝或断芯。当钢丝绳一个螺距上断丝数达到绳中全部钢丝数10%，或者钢绳断芯致使钢绳直径小于原始直径的75%时，应将此段钢绳报废，即将报废段钢丝绳斩断，由死绳端储绳卷筒中放出新绳，重新固定在滚筒上。 其二，在起下钻过程中，快绳一侧的滑轮转速要比死绳一侧高数倍，所以愈靠近快绳处的滑轮轮槽及滑轮轴承磨损愈严重。,
