第四章 起升系统ppt课件

1、第四章 钻机起升系统 4.1概述 钻机的起升系统实质上是一台重型起重机，它由钻井绞车、辅助刹车、游动系统和井架等组成。,作用：起下钻具下套管控制钻头送进组成：井架游车大钩天车钢绳绞车等,4.1.1 游动系统 天车、游车、钢丝绳和大钩，组成了钻机的游动系统，它实质上是用钢丝绳把天车和游动滑车联系起来组成的动滑轮系统。,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。通常所说的游动系统结构，指的是游车轮数天车轮数。如游动系统结构为56，即表示游车轮数为5，天车轮数为6。,1、游动系统运动分析 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，要充分利用绞车功率，以缩短起下钻时间。为此

2、，首先要了解起下钻过程的运动规律和大钩载荷变化规律。,如图所示，设V为大钩速度，Vi为各段钢绳速度，Vi”为各天车的切向速度，Z为有效绳数，D为滑轮直径。,则钢绳速度为：,天车轮速度为：,游车轮速度为：,由此可以看出，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剧。因此当对天车、游车进行检修时应将其滑轮及轴承进行倒换，即把靠近死绳侧的滑轮及轴承与靠近快绳侧的滑轮及轴承对换，以均衡它们的寿命。,当轮槽磨损严重或已经出现波纹状沟痕时，应更换滑轮，以延长钢绳的寿命。 同样，在快绳侧的钢绳由于弯曲次数比死绳侧多出数倍，快绳侧钢绳会疲劳断丝或断芯。当钢

3、丝绳一个螺距上断丝数达到绳中全部钢丝数10%，或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。,4.1.2、游动系统效率和快绳拉力 如图所示，,设Q游 、游为起升时游动系统的静载荷和效率， Q游 、 游为下钻时游动系统的静载荷和效率，P、P为快绳和死绳拉力，P1PZ，为游绳的拉力，Z为有效绳数。,当不计运动阻力时(或大钩静止悬重时)，各段游绳拉力相等。,钢绳运动时，由于钢绳与滑轮轮槽间和滑轮轴承的摩擦阻力和钢绳内部的摩擦阻力(弯曲阻力和由于弯直变化而产生的僵性阻力)，使各绳拉力发生了变化。,设为一个滑轮的效率，

4、 P1/P P1P P2/P1 P2P1 PP2 同理： P3P2 P2P3 PZ PZQ游P1 P2 P3 PZ P P2 P3 PZ P（ 2 3 Z) 括号内为等比数列，求和公式为：Sna1（1qn)/(1-q)，此时 a1，q Sn（1Z)/(1-) 得：Q游P（1Z)/(1-),得：Q游P（1Z)/(1-) P Q游/ （1Z)/(1-) P (Q游*Z/Z) / （1Z)/(1- ) 得：P (Q游*Z) / （1Z)/Z(1-) 令 （1Z)/Z(1-)游 P (Q游*Z) / 游,为简单计，认为起钻时游动系统效率和下钻时游动系统效率相等(实际上它们的值非常接近)，可以证明,游动

5、系统效率主要决定于单轮效率和有效绳数 Z。而单轮效率决定于滑轮轴承类型和钢绳特性。对于装滚动轴承的滑轮，若用柔性钢绳(纤维芯，顺绞)单轮效率=0.980.97，若用硬性钢绳(钢丝芯，逆绞)可取0.96;而对于装滑动轴承的滑轮，则=0.95。,表给出了钻机游动系统的效率值，可直接选取。,4.1.3天车、游车和大钩 天车是安装在井架顶部的定滑轮组(见图8-2)。,而游车是靠钢绳悬在井架内部作上下往复运动的动滑轮组。,天车主要由天车架、滑轮、轴承、轴承座和辅助滑轮等零件组成。,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。,JC-350天车六个滑轮分为两组，中间由一个轴套隔开。

6、,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。,TC-350天车和YC-350游车都配用于国产45级别钻机上，它们可配用具有不同规格的轮槽形状的滑轮，便于分别用1 11/4in，138in或32.5mm，33.5mm，34.5mm的钢丝绳，以适应我国油田目前所用钢丝绳规格较多的状况。,大钩悬挂在游车下面。,钻机大钩一般皆为三钩，主钩悬挂水龙头，副钩悬挂吊环。 大钩主要由钩身、钩杆、钩座、提环、止推轴承和弹簧组成。,钻井工作对大钩的要求是 1)应具有足够的强度和工作可靠性； 2)

7、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。,ZJ45级钻机的 DG-350大钩如图8-4。,它的吊环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。,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

8、。压缩弹簧在起钻时能使立根松扣后向上弹 起。,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。,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，以便于二层台井架工操作。,DG-350大钩的转动锁紧装置17可以在园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

9、卡住，钩身即可转动。,4.2起升速度、档数和起升立根数4.2.1起升速度和档数 绞车载荷的特点是变化大，从名义钻井深度起钻时绞车载荷最大，以后逐渐减小，而起升空吊卡时载荷最小。,绞车功率是按最大钻柱在最低起钻工作速度下起升所需功率配置的，如果绞车没有变速装置，以该工作起升速度起升较小钻柱或空吊卡时，绞车功率利用率极低，起升速度太慢。因此所有绞车都配置了变速装置以提供不同的起升速度来满足重量逐渐减小的钻柱起升需要。,为了减少机动起升时间，国产新系列钻机加大了绞车功率，使最小起升工作速度V1从原来的0.2米/秒提高到0.4O.6米秒。为了人员和设备的安全，最高起升速度Vk不能过高，它受立根长度，快

10、绳速度和操作水平的限制。一般钻机Vk为1.41.8米秒，对于轻、中型钻机，Vk较低，重型钻机Vk较高。,从V1到Vk间设置的档数多，对充分利用绞车功率，降低机动起升时间有利，但档数过多时使变速结构复杂，操作维修带来不变，时间节省也不多。故国产钻机一般设3-4个起升工作档数。 绞车除上述起升的工作档外，一般还设12个事故档，用于起升Qmax(如解卡或下套管遇阻时)和发动机功率不足时从最大井深起钻。所以起升一档一般为绞车结构档上的第三档， 依次类推。,柴油机直接驱动的钻机由于动力机组驱动特性硬，绞车档数较多。而用液力变矩器或直流电动机驱动的钻机，由于它们的驱动特性为柔特性，故绞车档位较少。,4.2

11、.2 绞车各档起升载荷和各档所起立根数 绞车在一定的功率和一定的起升档速下，各档可能起升的游动系统载荷Qi式中：Qi档可能起升的载荷； N绞车额定输入功率， KW； 从绞车输入轴到大钩的总效率，它包 括绞车效率和游动系统效率； Vi大钩各档的起升速度， ms。,为方便计，把Qi折合为大钩对应档所能起的立根数Yi：, Qi10（Yiql+G0 ） 式中： q每米钻杆的平均重量，公斤/米； l立根长度（24或27米）； G0不随钻柱长度变化的质量，它由游动系统质量和井下钻铤超出钻杆质量的部分组成： G0G游+G铤0。,则任意档所能起的立根数：,为了充分利用绞车功率，使机动起升时间最少，各挡所起升的

12、立根数Si为,4.3 钻井绞车4.3.1 钻井绞车功用及组成 1.钻井绞车的功用 钻井绞车不仅是起升系统的执行部件，而且也是整个钻机的核心部件，是钻机三大工作机之一。,它的主要功用如下： (1)用以起下钻具，下套管； (2)钻进过程中控制钻压，送进钻具； (3)借助猫头上、卸钻具丝扣，起吊重物及进行其它辅助工作； (4)作为转盘的变速机构或中间传动机构； (5)整体起放井架。,2。钻井绞车的组成 根据上述功用，尽管各型绞车结构上各式各样，但究其实质一般都由以下几部分组成：,(1)滚筒、滚筒轴总成，这是绞车的核心工作部件。滚筒应有足够的容绳量，保证缠绳状态良好以延长钢绳寿命；,(2)绞车具有灵敏

13、可靠的主刹车机构及性能良好的辅助刹车，使其能准确地调节钻压，均匀送进钻具，在下钻过程中随意控制下钻速度和省力地将最重钻柱载荷刹住；,(3)猫头和猫头轴总成，用以满足用大钳上、卸扣和其它辅助起重的需要。有的猫头轴上还装有捞砂滚筒，用以提取岩心筒；,(4)传动变速系统，引入并分配动力和传递运动，提供足够的档速； (5)控制系统，包括牙嵌、齿式、气动 离合器。它们一般都属于钻机控制系 统的组成部分；(6)润滑系统，包括黄油润滑、滴油润滑 和密封、飞溅或强制润滑；,(7)支撑系统，有焊接的框架式支架或密 闭箱壳式座架。 中型绞车整体运输，其重量约在 10吨以内; 重型和超重型绞车要拆散成单元 运输，运

14、输的单元应在15吨以内，以 便移运。,4.3.2绞车的结构类型 绞车的传动方案决定了它的结构类型，按绞车轴数可分为单轴、双轴、三轴、多轴及主辅绞车。前二种绞车一般皆需外带变速箱。,1.单轴绞车和双轴绞车：这类绞车的特点是猫头直接装在滚筒轴两端，滚筒活装在滚筒轴上。为了提供不同的起升速度，在绞车外面设置变速箱分别传动绞车和转盘。,这种绞车结构简单，功率小，重量轻，移运方便，如C-1500型钻机绞车就是这种类型。其缺点是猫头转速偏高，位置过低，操作不便，且滚筒档速不能独立安排，影响起下钻速度。,双轴绞车 双轴绞车由猫头轴和滚筒轴组成，由于猫头和滚筒分轴，使猫头的速度和位置都得到改善，解决了猫头的操

15、作不便问题。其仍然采取外变速方案。如ZJl5D和ZJ20-2型钻机采用此方案以使绞车结构简单，重量轻，便于移运。,2三轴绞车 这类绞车的特点是在双轴绞车的基础上增加了引入动力的传动轴，且猫头轴亦参加变速传动。大庆130钻机和ZJ l30-1采用的JCl14.5绞车即属此类(图8-9)，,它能实现相互独立的三个低速档和一个高速档。由于三轴之间空间较大，不能设置倒档，该型钻机在机房设置有倒档齿轮箱。由于变速机构也兼顾转盘，取消了外变速箱，但绞车本身却复杂了。 重达20吨，移运时折成三轴一架四个单元运输，移运和安装都不方便。,3.多轴绞车,将四轴以上的绞车称为多轴绞车，其特点是猫头轴不参加变速传动，

16、猫头中间空出来的位置可加装辅助捞砂滚筒，而另设中间轴解决变速和传动的要求。一般可实现6正2倒的滚筒速度，ZJ32J、ZJ45、ZJ45J、ZJ60D等国产钻机都采用这一方案。,4主辅绞车 多轴绞车在结构方案上较好地解决了变速操作，装运等多方面的矛盾。但是较长的绞车爬坡链条成了钻机传动中最薄弱的环节。现代深井、超深井钻机钻台起来越高(如ZJ60L钻台高9m)，一方面重达20吨左右的绞车吊升成为困难，另一方面长链爬上钻台要增设12个中间轴和中间底座，使其传动复杂，效率低。于是出现了独立猫头轴主绞车结构方案。,主绞车所需功率大，装在机房底座上，猫头轴和转盘传动装置构成独立单元置于钻台上。,由于转盘功率较小而大大改善了爬坡链条(或万向轴)的工作条件，便利了安装和移运。我国在用钻机中ZJ60L型钻机和罗马尼亚F320、F200钻机皆采用主辅绞车方案。,4.3.3 钻井绞车的技术特性参数 钻井绞车的特性参数有绞车功率，快绳拉力，钢丝绳直径，档数，各档转速，滚筒的直径和长度，刹车毂直径等。绞车功率，快绳拉力，钢绳直径，档数及档速等前面已讨论过，以下讨论其它参数。,1滚筒直径D筒与滚筒长度L筒 这两者是绞车的主要几何参数，它基本上决定了绞车外形尺寸，同时由于滚筒的缠绳层数有限制，所以它们也决定了滚筒容绳量。 D筒（1730）d绳式中： d绳钢丝绳直径，mm。,显然，D筒d绳愈大