第三章起升系统工作原理

第三章起升系统工作原理

钻井机械第一节起下钻操作和游动系统的工作一、起下钻操作和时间二、游动系统的钢丝绳与滑轮的运动分析1.绳速如图3-l所示，钢丝绳速度由快绳侧至死绳侧依次为567从各绳速度可以看出，快绳侧钢丝绳的速度比死绳侧快数倍，快绳侧钢丝绳由于弯曲次数死绳侧多出数倍，前边的钢丝绳会提前疲劳破坏。所以现场要倒换使用钢丝绳，即：钢丝绳使用一定时间后，要从死绳端储绳卷筒中放出新绳，从滚筒上斩掉一段钢丝绳重新固定缠好。2.轮速①天车轮天车滑轮的切向速度和转速依次为②游车轮如图3-l所示，游车滑轮的切向速度和转速依次为由上述分析可见，在起下钻过程中，快绳端滑轮的转速比死绳端滑轮的转速高得多。因此在选择天车和游车滑轮的轴承时应以快绳端滑轮的转速为依据。同时，为了使各滑轮寿命均衡，在检修时应注意倒换滑轮的位置。三、游动系统钢丝绳拉力和效率如图3-l所示，设Q游、η游为起升时游动系统的起重量和效率，Q游′、η游′为下钻时游动系统的起重量和效率，P、P′为快绳和死绳拉力，P1、P2、……PZ为游绳的拉力。1.大钩静止悬重时此时各游绳拉力相等，即P=P1=P2……=PZ2.大钩起升时由于滑轮轴承的摩擦阻力和钢绳弯曲阻力的影响，将使各绳拉力发生变化。此时各游绳拉力不等，即P>P1>P2……>PZ-1>PZ设单个滑轮的效率为η，则有因为Q游=P1+P2+……+PZ所以Q游=P（η+η2+……+ηZ）因此又因为所以起升时的游动系统效率为3.下钻时情况与起升时相反P<P1<P2……<PZ-1<PZ

因为所以下钻时的游动系统效率为4.结论①游动系统的效率主要取决于游动系统的有效绳数Z，Z越多则效率越低。②游动系统的效率与单轮效率η有关，η降低，则η游降低，而η的大小则取决于滑轮轴承类型和钢丝绳特性。③起升时，P快最大。④下钻时，P死最大。⑤起下钻过程中，P快>P死。⑥四、游动系统选择原则1.起重能力：钢丝绳尺寸和强度一定时，Z越大，起重能力越强。2.起下钻速度：当滚筒转速一定时，Z越少，大钩速度越快。3.起升效率：Z越少，游动系统效率越高。4.重量指标：Z越少，游动系统重量越轻，结构越简单，但P快越大，绞车重量、结构越大。第二节起升系统运动学和动力学分析研究起升系统运动学和动力学的目的在于认清起升过程中，由于速度的变化而引起的载荷变化的规律，判明最大载荷，以作为使用设计的依据，核算摩擦离合器的能量守衡和摩擦功。一、起升系统包括动力、传动部分，以绞车滚筒离合器为界分为主动和从动两部分（如下图）主动部分：动力机→离合器主动件，ω1从动部分：离合器从动件→钻柱，ω2二、起升过程1.准备：空载启动柴油机让其低速转动；依次挂合并车、总离合器，使全部主动件转动。2.挂合滚筒离合器，启动从动部分。（到离合器完全挂合）3.加速柴油机，使滚筒达到某一工作档稳定转速。4.匀速起升，接近一个立根行程。5.摘开滚筒离合器，刹车。三、起升速度图和扭矩图图3-3给出了根据实测的起升速度和载荷示波图和经过整型后的滚筒轴扭矩和角速度示意图。从图中可以看出：挂合滚筒离合器时，主动部分（ω1）被拖慢；最大钩载（扭矩Mmax）产生在柴油机加速时；有变矩器时，启动快，且滚筒轴扭矩Mmax也较大。起升时滚筒轴角速度变化三个阶段：启动加速段OABC、匀速起升段CD和减速刹车段DE。1.启动加速段柴油机直接驱动的滚筒轴的扭矩图和速度图的启动加速段简化成图3-8所示的曲线。⑴静止段0A（t0=1~3秒）由于主动部分以角速度ω1旋转，而从动部分仍处于静止状态，因此在0A段离合器与摩擦轮处于全打滑状态。最大打滑速度ω滑max=ω1-ω2=ω1。⑵启动段AB（t1=1~3秒）Mf>M静，ω2逐渐增大，ω1被拖慢，ω滑=ω1-ω2，系统处于半打滑状态。⑶同步加速段BCB点（同步点）：ω1=ω2，ω滑=ω1-ω2=0BC段，主、从动部分同步加速到某档转速ωC。在K点滚筒轴上产生最大惯性力矩M惯，滚筒轴出现最大扭矩Mmax=M静+M惯讨论：⑴启动过程，必然有打滑，打滑是固有的，不可消除。⑵OABC全加速段所用时间长短，取决于：①档速ωC；②动力机转速ω1（ω1小易挂合）；③驱动特性（柔特性，易挂合，t小；硬特性，不易挂合，t大）④被加速、减速的转动惯量J1、J2大小。⑶Mf的变化取决于离合器特性系数k1=M极/t极=tgα，如图3-7所示。若M极>>Mmax，挂合快，时间短，冲击大，动载大。因此M极要适中。⑷Mmax是选择离合器和核算滚筒轴强度的依据。⑸起升系统动力机扭矩：M发起=M静+M惯1+M惯2=KMM静（3-15）2.匀速段CD当主动部分与从动部分同步加速到C点后，ω2=ωC=C(常数)，从动部分Mf-M2=0，则Mf=M2。3.减速段DE当钻柱提升至接近一个立根高度，摘开离合器A，刹死钻柱。第三节起升时间

与功率利用率一、绞车各档起重量Qi和各档自起立根数Si钻机起升系统在一定的起升速度下，起升载荷受绞车功率的限制。设钻机以第i档起升时，起升速度为Vi，则可以起升的最大载荷为：由图3-11可知Qi=Yiq杆l+G0(3-28)第i档可起升的立根数Yi为

各档自起立根数Si为

二、机动起升时间(一)机动起升时间与速度系数机动起升时间是指用绞车卷扬起升钻柱所用的时间。用第i档起升速度Vi起升一个立根所用的机动起升时间可表示为：由于在起升一个立根的过程中，起升速度是由加速段、平稳起升段和减速段组成，在实际起升时，一般只知道平稳起升速度Vi，引入速度系数λ=Vi/Vi平，则

λ可根据图3-12用面积等效的方法求出。一般计算时可取λ=1.2。(二)柴油机直接驱动的钻机一次起钻总机动时间用第i档起升Si个立根的机动起升时间为：

若钻机一共有k个起升档，k档一次起钻总的起升机动时间为：t起由图3-13(a)中阴影面积表示。(三)柴油机液力变矩驱动或电驱动钻机的总机动起升时间由图3-13(b)可知，t起由恒功率起升时间t起1和恒速起升时间t起2组成三、起升功率利用率起升功率利用率是指在钻机大钩处实际使用的功率与可以发出的功率(装机功率)的比值。表明起升系统所配备的功率发挥的能力。设N钩为大钩可以发出的功率(装机功率)，即图3-14中Q1至Q4双曲线下的面积；N钩′为大钩实际起升功率，即图3-14中Q1至Q4折线下的面积；则大钩起升功率利用率定义为：起升功率利用率也可以用功率利用率为100%时，起升钻柱所用的最少时间t起min与总机动起升时间t起的比值计算起升功率利用率φ是大钩提升速度与载荷不适应而发生的功率利用不充分的情况。它是平均功率与全功率的比值，也是有级变速作的功与无级变速作的功的比值，还是无级变速作的提升时间与有级变速作的提升时间的比值。从(3-40)式可见，起升功率利用率φ越高t起越小。提高φ的目的就是加速起钻。由图3-14可知，起升档数K越多，φ越高。起升档数K与φmax的关系为起升档数K越多，φmax越高。但K>8时，φmax的增长越来越不显著。因此，钻机起升档数都不超过8档。四、发动机起升功率利用率大钩起升功率利用率没有考虑起升时发动机装机功率没有充分利用的部分，也未包括从发动机将动力传递到绞车过程中功率损失的部分，要考虑起升时功率利用的情况，应采用发动机起升功率利用率ψ。通过以上讨论可以得出以下结论：1)机动起升时间T起与大钩起升功率利用率φ成反比，φ越大，T起越小，钻机起升性能越好。2)恒功率起升时大钩起升功率利用率φ最高，要提高φ，应合理设计起升档数和各档起升速度，尽可能接近恒功率起升。3)要提高发动机起升功率利用率，除提高大钩起升功率利用率φ外，应设计传动路线，提高钻机的传动效率。4)驱动设备的特性为软特性者，ψ值较高；5)司钻在操作时及时换档可以提高ψ值。第四节钻井曲线和起升速度一、钻井曲线钻井曲线是起钻次数与立根之间的关系曲线。从钻井曲线可以了解各次起钻井深和钻头在各段井深的进尺数，以及各种深度岩石的可钻性，计算一口井中各档起钻立根总数、一口井机动起升时间T起、起升载荷和循环数的变化关系；对于柴油机直接驱动的钻机还可用来合理分配档速。理论钻井曲线是根据实际钻井统计资料拟合而来的（如图3-16）。拟合曲线可用方程x=AyB表示。不同油区具有不同的系数A与B，选用的曲线拟合方法不同也可得到不同的A与B值。二、起升速度的合理分配对于柴油机直接驱动的钻机，由于V1、Vk、K为原始条件，合理分配各中间档速的目的是使机动起升时间最少。若一次从最大井深起钻，各档速分配原则是：除最高档外，按各档自起立根数Si相等的原则分配档速，这样机动起升时间最省，速度分配最为合理。各档速可按下式计算：第五节下钻运动学与动力学下钻操作的特点是：①起钻过程中处于被动方面的钻柱载荷，转化为主动的方面。②钻柱下放释放出的能量由刹车机构吸收、消耗。研究下钻过程的运动学和动力学的目的是：①确定最大制动载荷；②了解辅助刹车匀速下钻的原理。

一、下钻运动学和动力学下钻操作系统如图3-17所示。下钻速度图、制动力矩图如图3-18所示。下钻操作可分为加速段、匀速段、减速段三个阶段。1.加速段（时间t1）此阶段分为松带加速段AB和轻刹加速段BC。2.匀速段（时间t2）M制=M静，M惯=0。由于浮力的影响，CD稍倾斜。3.减速段（时间t3）M制增加到Mmax，ω=0。最大制动力矩Mmax发生在刹住钻柱的一刹那。讨论：⑴最大制动力矩Mmax发生在刹住钻柱的一刹那(E点)。Mmax=M静+M惯Mmax大小取决于Q、V下、t3；⑵核算刹车机构、滚筒强度以Mmax为依据；⑶操作时，提前减速，平稳刹车，减小动载。

二、最大制动力F制max1.最大制动力矩MmaxMmax=M静+M惯=βM静2.最大制动力F制maxF制max是计算刹车机构载荷和刹把力的依据。三、用水刹车辅助下钻的原理1.水刹车的制动特性M制=α1n2D5N制=α2n3D5式中D5=D5外-D5内

分析：⑴影响水刹车制动力矩的因素：①尺寸大，M制大；②叶片多，M制大；③液面高，M制大；④转速高，M制大；⑵转速增加的足够大时，M制、N制与下钻的M下、N下平衡，实现匀速下钻；⑶n=0时，M制=0、N制=0，无制动能力。因此，只用水刹车不能刹死钻柱。

2.水刹车匀速下钻原理如图3-19所示，下钻时，完全松开带刹车，载荷Q游′自由下落使水刹车转子轴加速。水刹车的制