钻井机械1-6章教案

2012—2013学年度第2学期

常规钻井设备工具操作与维护教案

教材：钻井机械

教师：郑志刚

渤海石油职业学院石油工程系钻井教研室

-、教学目的、要求

1.熟悉钻机的结构原理。

2.掌握常规钻井基本方法流程。

二、教学重、难点

1.钻机的应用。

2.钻井方法。

三、复习旧课

沟通了解学生校外实习教学心得，畅谈内陆现场石油钻井的工艺流程，加以引导，导入我国常规石油

钻机的过去、现在与未来发展。

四、导入新课

石油钻井是一项系统工程，涉及到石油地质、油田化学、岩石力学、钻井机械与工具的现代设计技术,

以及电子技术、计算机技术与人工智能等在钻井测量及自动化、智能化钻井方面的应用。

五、讲授新课

第一章钻机概论

第一节钻井工艺对钻机的要求及钻机的特点

（一）钻井方法

1.顿钻钻井方法顿钻钻井方法又称冲击钻井方法。如图1一2顿钻钻井示意图。

其作用原理:是周期的将钻头提到一定的高度向下冲击井底，破碎岩石。在不断冲击的同时，向井内

注水，便停止冲击，下入捞砂筒捞出岩屑，然后再开始冲击作业。如此交替，加深井眼，直至钻到预定深

度为止。

用这种方法钻井，钻头功率小、效率低、速度慢而且不能进行井内压力控制，代之而起的便是旋转钻

井方法。

2.旋转钻井方法

（1）转盘旋转和顶驱旋转钻井方法

转盘旋转钻井方法的设备组成和工作原理如图1-3所示。

（2）井下动力钻具旋转钻井方法

从顿钻到转盘钻，是钻井方法上的第一次革命。但随着钻井深度的增加，钻杆柱在井中旋转消耗的功

率也越来越大，容易引起钻杆折断事故的发生，从而诞生了井下动力钻具旋转钻井法。

目前常用的井下动力钻具有涡轮钻具、螺杆钻具和电动钻具三种。

3.试验研究中的新钻井方法

新提出的钻井方法大致可分为：熔化及气化法、热胀裂法、化学反应法和机械诱导应力法四类。

（二）钻井设备的用途

1.具备往地层钻进的能力

2.具备及时冲洗井底钻屑的能力

3.具备起下钻柱和下套管柱的能力

4.具备短期超载处理事故的能力

5.具备良好的拆装与移运性能

根据钻探目的，当钻机需要在荒野、沙漠、海滩、沼泽、湖泊、山区、森林等艰苦的地方钻井时，必

需拆装搬迁方便。

（三）钻井设备的发展

现代深井转盘钻机装备情况如图—6所示

截止到目前，国外已研制与应用的新型石油钻机如下。

1.超深井钻机2.微型钻机3.顶部驱动钻机4.自动化钻机5.斜井钻机

6.丛式井钻机7.移动式钻机8.沙漠钻机9.直升飞机吊运的钻机10.封闭式钻机

11.80年代以来钻井设备的新进展

（四）目前国内在用钻机情况

1.钻井方法2.钻井设备的用途3.钻井设备的发展

（五）钻井工艺对钻机的要求

L具有旋转钻进能力。

2.具有起下钻具的能力。

3.具有清洗井底的能力。

（六）钻机的特点

1.一套钻机就是一套联合机组。

2.钻井作业是不连续的。

3.钻机的工作场所比较特殊。

六、小结

1•钻井方法有几种？

2.钻井设备有什么用途？

3.钻井设备发展的现状怎样？

七、作业

1•钻井方法有几种？

2.钻井设备有什么用途？

一、教学目的、要求

1.熟悉钻机的类型。

2.掌握钻机的组成。

二、教学重、难点

1.钻机的类型。

2.钻机的组成。

三、导入新课

石油钻机或油、气钻机是指用来进行油气勘探、开发的成套钻井地面设备，统称为钻机。一套钻机组

成一个井队，在辅助部门的配合下，独立完成钻井任务。

陆用转盘钻机是成套钻井设备中的基本型式，即通常所说的钻机，也称常规钻机。

四、复习旧课

1.钻井方法有几种？

2.钻井设备有什么用途？

五、讲授新课

第二节钻机的组成与类型

（一）钻机的组成

转盘钻机的各系统和部件示意图，如图2T所示。

1.动力与传动系统

动力系统是用来提供钻机工作的源动力。现代石油钻机使用的动力主要为柴油机，电动机两大类。

2.提升系统

为了起下钻具、下套管，控制钻压及钻头钻进等，钻机配备有一套提升设备，以辅助完成钻井生产。

这套设备主要由井架、天车、游车、大钩、绞车、钢丝绳等部件组成。

3.旋转系统

旋转系统山转盘、水龙头等组成。目的是转动井中钻具，带动钻头破碎岩石。常规钻机配备有转盘和

水龙头，顶部驱动钻机配的是顶驱装置而无转盘。

4.循环系统

为了及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁，钻机配有全套的钻井液的循环系统。循环系统由钻井泵、

地面高压管汇、立管、水龙带、方钻杆、钻杆、钻头、防喷器，振动筛、除砂器、清洁器、钻井液槽、池、

搅拌器、搅拌池等组合而成。

5.操作控制系统

为了指挥各工作机组间的协调工作，整套钻机配备有各种控制装置。常用的有机械控制、气控、电控、

液控和电、气、液混合控制。现代机械驱动钻机，普遍采用集中气控制。

6.井控系统

控制井内压力，防止地层流体无控制的流入井中。主要由防喷器组、防喷器管线、地面节流管汇、液

压、气压控制元件等组成。

7.钻机底座

底座是钻机的组成部分之一。用于安置钻井设备，方便钻井设备的移运。包括钻台底座和机房底座两

部分。

8.辅助系统

石油钻机因常年分散在野外从事钻井作业，为满足各种季节日夜连续作业的要求，每套钻机都配有发

电、照明、供水、供油、通讯、冬季保温及生活等辅助设施。

其中起升系统、旋转系统、循环系统被称为钻机的三大工作机组。

（-）钻机的分类

1.按用途分

根据钻机使用的不同目的分有：石油钻机、地质钻机、地震钻机、水井钻机等，其中以石油钻机应用

最广。

2.按钻井深度不同分为

（1）轻便钻机（2）大型钻机

大型钻机按钻井深度分：

中型钻机可钻井深为1000〜2500m,最大起重量800〜1600kN,也可用于修井。

重型钻机可钻井深为3000~5000m,最大起重量2000~2500kN,也称深井钻机。

超重型钻机可钻井深超过5000m,最大起重量超过2500kN,也称超深井钻机。

如图2-3所示

3.按钻井方法分

（1）顿钻钻机地面发动振动钻机是较早的一种钻机。

（2）转盘钻机由转盘通过钻具带动钻头旋转钻进的同时，可利用空心钻具循环钻井液不断清除所钻岩

屑，钻进速度快，成本较低，是目前国内外用的较多的一种钻井方法。

（3）井下动力钻机常用的有涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具及井底冲击振动钻具等。打定向井、水平

井时，常用井下动力钻具。

4.按动力设备分

（1）蒸汽机驱动钻机

（2）机械驱动钻机或称柴油机驱动钻机由一台或几台内燃机提供动力，通过机械传动系统（如链条、

链轮、齿轮、三角胶带、离合器、轴等）将动力传给各工作机组的钻机。

电驱动钻机用直流或交流电动机驱动各工作机组的钻机。

直流电驱动钻机以直流电动机为动力，驱动工作机组工作。一般由柴油机或燃气轮机带动发电机

供电。供直流电的称为直流电驱动钻机，供交流电经过整流者称为交-直流电驱动钻机，多用于海上钻井。

交流电驱动钻机以交流电动机为动力直接驱动工作机或通过传动装置驱动工作机组工作。适用于

有工业电网的油田。

（3）液压钻机采用液压动力和传动，用液缸和液马达作为起升和旋转系统的执行机构，通过液一电控

制或液一液控制的钻机。

5.按传动方式分

根据钻机选用的主传动方式不同分有齿轮钻机、链条钻机、皮带钻机、万向轴传动钻机，另外有

新型全液压钻机、柔杆钻机等。

6.按移运方式分

根据钻机搬迁采用的方式不同分有整体搬运、分块搬运、飞机吊运、车载或拖挂自走式钻机等。

7.按使用地区条件分

根据钻机工作地区的环境条件不同分有陆地钻机、海上钻机

陆地钻机有撬装钻机、拖车钻机、车装自走钻机、沙漠钻机、地震区钻机、热带、寒带地区用钻

机等。它们都是根据地区特点能够适应搬迁和有利于钻井的正常进行而设计、制造的。

海上钻机有海洋钻机、海滩钻机、是在固定式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台或钻

井船上安装的钻机。

8.按钻井井身形式分

根据钻机所钻井眼的形状不同分有直井钻机、斜井钻机、斜直井钻机等。

9.按驱动方式分

根据钻机的驱动方式不同分为单独驱动、统一驱动、分组驱动。

单独驱动各工作钻机组单独选择大小不同的发动机驱动，多用于电驱动。

统一驱动绞车、钻机泵、转盘三大工作机组由同一台动力机组驱动。

分组驱动动力的组合介于单独驱动和统一驱动之间，三个工作机组可有两种方案，一是绞车、转

盘一起驱动，钻井泵单独驱动；另一是绞车、钻井泵一起驱动，转盘单独驱动。

六、小结

1.钻机的类型。

2.钻机的组成。

七、作业

1.钻机的类型有哪些？

2.钻机的组成有哪些？

一、教学目的、要求

1.熟悉钻机的系列标准。

2.掌握钻机的基本参数。

二、教学重、难点

1.钻机的系列标准。

2.钻机的基本参数。

三、导入新课

为了规范钻机的设计、制造、维修与设备供应，以达到生产、使用最经济合理，并有利于开展国际技

术交流与合作，我国根据油气勘探开发钻井的实际需要，选定主参数，将主参数系列化，也就是将钻机分

级，再据此拟定其它基本参数，形成钻机标准系列，经国家标准局批准，予以发布。

四、复习旧课

1.钻机的类型。

2.钻机的组成。

五、讲授新课

第三节钻机的基本参数及我国石油钻机系列标准

(-)我国石油钻机系列标准

1.钻机的驱动形式

1)机械驱动钻机

以柴油机为动力，通过液力变矩器、链条、齿轮、三角胶带等不同组合的传动方式所驱动的钻机称为

机械驱动钻机。

2)电驱动钻机

用电动机驱动的钻机称为电驱动钻机。

2.钻机级别

分为6级：ZJ15、ZJ20,ZJ32、ZJ45,ZJ60,ZJ80。

级别X100m即为该钻机的名义钻井深度。

3.钻机型号

我国钻机型号意义如下图2-4所示

ZJ□□□

-------厂家代号及改型序号

----------钻机特点：链条并车钻机无或为L；三角胶带并车钻机为J；齿轮传

动钻机为C；电驱动钻机为D；自行式车装钻机为Z；

1--------------钻机级别：以100m为单位计的钻机名义钻深范围的上限

1-----------------钻机代号

(二)钻机的基本参数

国标中规定的10个基本参数，如表2T所示：

对其中的几个参数作简要说明如下。

(1)名义钻井深度L在标准的钻井绳数下，使用127mm(5")钻杆柱可钻达的最大井深。

(2)名义钻深范围钻机在现定钻井绳数下，使用规定的钻柱时，钻机的经济钻井深度范围。即

最小钻井深度LE与最大钻井深度名义钻深范围下限与前一级的Lw有重叠，其上限即为该级钻

机的名义钻井深度，即La*=L。

(3)最大钩载Q的”钻机在规定的最大绳数下，起下钻、下套管、处理事故或进行其它特殊作业时，大

钩上不允许超过的载荷。

Q丽决定了钻机下套管和处理事故的能力，是核算起升系统零件静强度及计算转盘、水龙头主轴承静

载荷的依据。

(4)最大钻柱重量Q“s钻机在规定的最大钻井绳数下，正常钻进或进行起下钻作业时，大钩所允许承

受的最大钻柱在空气中的重量(质量)。其值为

Qstmax-QstL

式中Qst----每米钻柱质量，kg/m；

L——名义钻井深度，m。

规定：计算时按127mm(5")钻杆长度，加上80〜100m的7"钻铤，平均取qst=36kg/m。计

算后化整，便得到系列钻机的Q,3值。Qsmx是计算钻机起升系统零件疲劳强度和转盘、水龙头主轴承动

载荷的依据。

称为钩载储备系数,按国家规定K*=1.8〜2.08。钩载储备系数越大，表明该钻机下套

Qstmax

管、处理事故能力越强；但系数值过大会导致起升系统零件过于笨重，材料浪费。

(5)提升系统绳数Z、钻井绳数Z指钻井时用于正常起下钻、钻进时采用的有效提升绳数。Z皿指

钻机配备的提升轮系所提供的最大有效绳数，用于下套管或解卡作业。

(6)绞车最大输入功率即绞车的额功率。绞车在起升工作中，使用一定的游动系统时大钩最低速度(I

挡)能够起升的额定钻柱重量所需的功率。

(7)钢丝绳直径d“，用游标卡尺测得的钢丝绳的最大外径。

(8)钻井泵功率N,,单位时间内动力机传到钻井泵主动轴上的最大能量，也称为泵的最大输入功率或

泵的额定功率。

(9)转盘开口直径£>,.即第一次开钻时所用的最大钻头尺寸或海上钻机隔水管能顺利通过转盘的中心

通孔尺寸，它决定着转盘的尺寸和承载能力。

(10)钻台高度钻台上平面到地面的距离。

(11)井架有效高度是指从钻台上平面到天车梁底面的垂直高度。

六、小结

1.钻机的系列标准。

2.钻机的基本参数。

七、作业

1.钻机的系列标准是什么？

2.钻机的基本参数有哪些?

一、教学目的、要求

1.熟悉井架的结构类型。

2.掌握井架的维护保养。

二、教学重、难点

1.井架的结构类型。

2.井架的维护保养。

三、导入新课

钻井井架是是一种高耸的钢制建筑物，是起升设备的重要组成部分之%用它承受各个方向的载荷,

尤其是要承受可高达1000tf的大垂直载荷。因此，钻井井架必须具有足够的强度、刚度和整体稳定性。

四、复习旧课

1.钻机的系列标准。

2.钻机的基本参数。

五、讲授新课

第二章钻机的起升系统

第一节井架

(-)井架的功用

1.安放天车，悬挂游车、大钩及专用工具(如吊钳等)。在钻井过程中进行起下、悬持钻具、下套管等

作业。

2.起下钻过程中，用以存放立根，能容纳立根的总长度称立根容量。

(二)井架的结构类型

1.井架的分类

(1)按用途不同分

①水文钻探井架②煤田钻探井架③石油钻探井架④有色金属钻探井架

(2)按所钻的深度分

①浅井井架②中深井井架③深并井架④超深井井架

(3)按使用地区分

①陆地用井架②海洋用井架

(4)按井架的结构分

①塔形井架②A形井架

2.井架的结构

(1)结构组成如图3-146所不。

①井架主体井架主体是由立柱(弦杆)，横杆、斜杆等组成。

②天车台用于安放天车及天车架，并便于对天车进行维护保养工作。

③天车架安装、维修天车之用。

④二层台二层台是井架工起下钻操作的工作场所，它包括井架工进行起下钻操作的工作台和存放

钻具立根的指梁。员上下井架用。

⑤立管平台是安装高压水龙带及进行其它辅助工作的场所。

⑥工作梯供操作人员上下井架用。

(2)整体结构类型

(1)塔形井架塔形井架如图3-147所示。塔形井架整体结构型式主要特征是：

①井架本体是封闭的整体结构，整体稳定性好，承载能力大。

②整个井架是由单个构件用螺栓连接而成的可拆结构。井架尺寸可不受运输条件限制，允许井架内

部空间大，起下操作方便、安全。但单件拆装工作量大，高空作业，不安全。

（2）前开口井架图3T48所示为前开口井架。主要特征是：

①整体井架本体分为4〜5段，各段一般为焊接的整体结构，段间采用锥销定位和螺栓连接，地面

或接近地面水平组装，整体起放，分段运输。

②因受运输尺寸限制，井架本体截面尺寸比塔形井架小。

③井架各段两侧扇桁架结构形式相同。为保证司钻有良好的视野，背扇则采用不同的腹杆布置形式,

如菱形等。有些口形井架，背扇横斜杆是由销轴与左右侧片连接的可拆卸结构，便于井架分片运输。

（3）A形井架

①A形井架结构型式的主要特征

a.两大腿通过天车台、二层台及附加杆件连成“A”字形。在大腿的前方或后方有撑杆支承，或后方

有人字架支承，构成一完整的空间结构。整个井架在

地面或接近地面水平组装，整体起放，分段运输。

b.大腿可以是空间杆件结构，分成3〜5段。大腿断面依选用型材不同，-一般分为矩形和三角形。用

管材作大腿弦杆者多采用三角形，用角钢者多采用矩形，便于制造。撑杆有杆系柱结构、矩形断面板焊柱

结构或管柱结构。

c.A形井架的每根大腿都是封闭的整体结构，承载能力和稳定性较好。但因只有两腿，且腿间联系较

弱，致使井架整体稳定性不理想。

图3-149所示为A形井架的一种变形。上段做成封闭的整体结构，以增加井架的整体稳定性。

②A形井架起升方式基本有三种：

a.撑杆法b.人字架法c.扒杆法

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。

（四）井架的基本参数

1.井架的基本参数

1）最大钩载井架的最大钩载是指死绳固定在指定位置，用规定的钻井绳数，没有风载和立根载荷

的条件下大钩的最大起重量。最大钩载包括游车和大钩的自重（钻机的最大钩载不包括游车和大钩自重）。

2）立根载荷指立根自重及其承受的风载在二层台指梁上所产生的水平方向作用力。

3）井架高度井架高度根据其类型不同而定义。

①塔形井架其高度是指井架大腿底板底面到天车梁底面的垂直高度。

②前开口井架和A形井架是指井架下底角销孔中心到天车梁面的垂直高度。

③桅形井架其高度是指撬座或车轮与地面接触点到天车梁底面的垂直高度。

4）井架的有效高度指钻台上平面到天车梁底面的垂直高度。

5）二层台高度指由钻台面到二层台面的垂直高度。

6）二层台容量指二层台（安装在最小高度匕所能存放钻杆的数量。

7）上底尺寸和下底尺寸（仅限于闭式塔形井架）塔形井架的上底尺寸和下底尺寸分别指井架相邻

大腿上底和下底轴线间的水平距离。对于单角钢大腿，则指角钢外缘之间的距离。

8）大门高度（仅限于闭式塔形井架）塔形井架大门高度是指井架大腿底板底面到大门顶面的垂直

高度。大门高度都大于钻杆单根长度，对于海上井架，有的可高达18〜22mo

井架的型号含义为

JJ口口口

X------井架的形式

-----------井架的有效高度m

--------------井架的最大载荷吨

I--------------------井架的汉语拼音字头

（五）井架的维护保养规程

1.井架在使用过程中应定期检查立柱、斜横拉筋是否有变形或损坏；起升大绳有无锈蚀断丝主要受

力部位的焊缝有无开裂：销子、别针是否齐全；螺栓螺母有无松动：梯子、栏杆、走台是否完整、安全：

连在井架上的零件及悬挂件是否有跌落的危险等，如存在问题，应及时排除或修理。

2.在检查时损坏的部位和部件应做出清楚的、明显的标志，以便进行必要的修理。

3.未经许可不允许在井架上焊接、钻孔。

4.井架在正常使用期间一年保养一次，一般的情况下，井架主体下段以上各段至少每年应进行一次

除锈防腐处理，井架主体的下段每6个月应进行一次除锈防腐处理，遭受钻井液、石油、天然气饱和盐水、

碳化氢等侵蚀而腐蚀严重的部件应在每口井完钻后和搬家前进行一次除锈防腐处理。

5.井架的转动部位要定期润滑，各种滑轮、导绳轮应注意润滑。润滑周期为：每起放一次井架时应

对各润滑点加注7011"低温极压润滑脂，直至新油从滑轮端面溢出为止。

六、小结

1.井架的结构类型。

2.井架的维护保养。

七、作业

1.井架的结构类型有哪些？

2,井架的维护保养内容是什么？

一、教学目的、要求

1.熟悉起下钻操作。

2.掌握天车、游车的结构。

二、教学重、难点

1.起下钻操作。

2.天车、游车的结构。

三、导入新课

钻机的游动系统主要山井架、天车、游车、大钩和游动钢丝绳等组成。

四、复习旧课

1.井架的结构类型。

2.井架的维护保养。

五、讲授新课

第二节钻机的游动系统(一)

(-)起下钻操作

1.起钻操作

(1)上提钻具全部方钻杆，用卡瓦将钻柱座在转盘上。

(2)旋下方钻杆，将方钻杆-水龙头置于大鼠洞中。

(3)用吊环扣住钻杆接头。

(4)挂合绞车滚筒，带动钻柱起升，提出卡瓦，将井中整个钻柱起升一立根高度，然后摘开离合器,

刹车。

(5)稍松刹车，下放钻柱，用卡瓦将钻柱卡在转盘上，或扣牢下卡瓦坐在转盘上。

(6)用大钳和猫头或上卸扣气缸，拉大钳崩松顶部立根接头丝扣。

(7)用转盘带动钻柱正转或用旋绳器卸扣。

(8)移立根入钻杆盒并靠在二层台指梁中，摘开吊卡。

(9)下放空吊卡至转盘上方刹住。

2.下钻操作

(1)挂吊卡，以高速挡提升至一立根高度。

(2)二层台处扣吊卡，稍提立根，移至井眼中心，对扣。

(3)拉猫头旋绳或用旋绳器上扣。

(4)用猫头和大钳紧扣。

（5）稍提钻柱，移出或提出卡瓦。

（6）用机械刹车和辅助刹车控制下放速度，将钻柱下放一立根的距离。

（7）借助吊卡或卡瓦，将钻柱座在转盘上，从吊卡上将吊环脱开。

（二）天车

1.天车的结构

天车，是安装在井架顶部的定滑轮组，工作时固定在井架顶部的天车台上。其结构如图3-76所示

2.天车的型号

天车的型号含义

TC）-□

1-------额定其重量吨

-------------设计方案变更序号

---------------天车汉语拼音字头大写

（三）游车

1.游车的结构

是若干个动滑轮组成的动滑轮组，工作时用钢丝绳悬吊在井架内部空间，作上下作往复运动。

其结构如图3-78所示。

2.游车的型号含义

YC1-□

I——额定其重量吨

_______设计方案变更序号

I___________游车汉语拼音字头大写

六、小结

1.起下钻操作。

2.天车、游车的结构。

七、作业

1.简述起下钻操作。

2.天车、游车的结构有哪些？

一、教学目的、要求

1.熟悉钻井用钢丝绳。

2.掌握大钩的结构。

二、教学重、难点

1.钻井用钢丝绳。

2.大钩的结构。

三、导入新课

钻机的游动系统主要由井架、天车、游车、大钩和游动钢丝绳等组成。

四、复习旧课

1.起下钻操作。

2.天车、游车的结构。

五、讲授新课

第二节钻机的游动系统（二）

（四）大钩

1.大钩的功用和类型

它的功用是在正常钻进是悬挂水龙头和钻具；在起下钻和下套管时悬挂吊环和吊卡等辅助设备工具,

可起下钻具或套管，并完成其它辅助起重工作。

国内外石油钻机使用的大钩种类很多，但从主要结构上看分有单钩、双钩和三钩(一个主钩及两个吊环

钩)。

2.大钩的结构

大钩主要由钩身、钩杆、钩座、提环、止推轴承和弹簧组成。其结构如图3-79所示为配用ZJ45钻机

的DG-350大钩，由兰石厂设计制造。

3.大钩的型号

DG1-□

II—额定工作负荷吨

_______设计方案变更序号

I_________大钩汉语拼音字头大写

(五)钻井用钢丝绳

1.钢丝绳在钻井现场的应用

钢丝绳在钻井作业始终处在极复杂、繁重的条件下承受拉伸、弯曲、扭转应力和磨损、挤压的作用。

具体见表3-14。

2.钢丝绳的结构

钢丝绳的绳芯分为纤维绳芯和金属绳芯两类。纤维绳芯有：油浸麻芯、油浸石棉芯，油浸棉纱芯，金

属绳芯主要是指软金属芯。

钢丝的作用是承担载荷。绳芯的作用是支撑绳股、储油、润滑保护钢丝、减少钢丝在工作时互相摩擦、

增加柔性、减少冲击力，延长钢丝绳的使用寿命。

目前，我国钻井现场广泛采用普通的D型6股19丝不松散的左向交互捻钢丝绳做游动系统大绳，如图

3-81所示。

同时，为进一步提高钢丝绳的柔性及耐磨性，国外广泛使用不同丝径及复合结构的钢丝绳做游动系统

大绳,如图3-81(d)。3.钢丝绳的类型。

3.钢丝绳的分类

(1)按钢丝绳的捻制方向分

①右捻②左捻

③钢丝绳的结构型式分为

普通型、外粗型、填充型和异型。

(a)(b)<c)

图3-84填充型钢丝绳结构

(a)纤维绳芯，绳6T(25)股，(1+6,6+12)；(b)金属绳芯,绳6T(25)+7义7,股(1+6,6+12)；(c)纤维

芯,绳6T(21),股(1+5,5+10)

4.钢丝绳的主要性能

①钢丝绳的捻角

钢丝中心线对绳股中心线或者绳股中心线对钢绳中心线之间的夹角，称为钢丝绳的捻角。

②钢丝绳的接触特性

当钢丝绳受外力作用时，组成钢丝绳的各钢丝之间的接触状况，称为钢丝绳的接触特性。

③钢丝绳的密度

组成钢丝绳的各钢丝断面积总和与钢丝绳断面积之比值，称为钢丝绳的密度。

④钢丝绳的柔性

钢丝绳在弹性变形范围内弯曲的能力，称为钢丝绳的柔性。它一般用钢丝绳公称直径与钢丝直径的比

值来表示。

⑤钢丝绳的强度

钢丝绳的强度是指钢丝绳受外力作用时破断拉力的大小。

5.钢丝绳的标记

①钢丝绳的型号

钢丝绳的型号是组成标记的第一部分，占有重要地位，是区别不同用途钢丝绳的主要标志。

钢丝绳的型号分以下六种类别：

D型——点接触钢丝绳（股内各钢丝直径相同）。

X型——线接触钢丝绳。

DX型——点线接触钢丝绳。

C型——填充式钢丝绳。

T型——外粗式钢丝绳（绳股中外层钢丝直径大于内层钢丝直径，且同层钢丝直径相同）。

Y型——粗细式钢丝绳（同层或不同层的钢丝直径不相同）。

②钢丝绳的股数。

③钢丝绳的每股丝数。

④钢丝绳的绳芯数。

⑤钢丝绳的公称直径，mm

⑥钢丝材料公称抗拉强度，kg/mm

⑦钢丝绳类别代号，见表3T6。

⑧国家标准代号。

六、小结

1.钻井用钢丝绳。

2.大钩的结构。

七、作业

1.钻井用钢丝绳有哪些？

2.大钩的结构是什么？

一、教学目的、要求

1.熟悉钻井用钢丝绳的安全系数。

2.了解游动系统的有关计算。

二、教学重、难点

1.钻井用钢丝绳的安全系数。

2.游动系统的有关计算。

三、导入新课

钻机的游动系统主要由井架、天车、游车、大钩和游动钢丝绳等组成。

四、复习旧课

1.钻井用钢丝绳。

2.大钩的结构。

五、讲授新课

第二节钻机的游动系统（三）

（六）游动系统的有关计算

1.游动系统大绳的总长L

游动系统所用的大绳总长是配备钢丝绳的主要依据，在生产中有较为实际的指导意义。

L=HX(Z+2)+nJIDis

式中L——游动系统大绳的总长，m；

H——井架有效高度，m；

Z——游动系统有效绳数；

n——滚筒上剩余的缠绳圈数，取10；

D筒——滚筒的原始直径，m。

2.游动系统中的钢丝绳与滑轮的运动分析

如图3-86所示，设V为大钩速度，V，为钢丝绳速度，V,为天车滑轮的切向速度，Z为除快绳、死绳

以外的游绳有效绳数，D轮为滑轮直径。

则钢丝绳速度由快绳侧至死绳侧依次为：

V'=VJ=6V=ZV

=V/=4V

VJ=Vs'=2V

Ve'=V?'=%=0

天车滑轮的切向速度V"和转速n依次为：

60ZV

V」=ZVm="O轮

60x4V

V2"=4Vn2="。轮

60x2V

VJ=2Vn：>="。轮

V./=0n<=0

通过上述分析可见：在起下钻过程中，快绳侧的滑轮转速要比死绳侧的高

数倍。所以，当天车、游车进行检修时，应将其滑轮及轴承相互倒换，以使

滑轮的磨损和轴承的使用寿命均衡。

在设计轴承选型计算时，应以快绳侧的轴承工况为依据。同样，在快绳侧

的钢丝绳由于弯曲次数比死绳侧多出数倍，前边的钢丝绳会提前疲劳断丝，

所以钢丝绳经过•定时间后，应从死绳端储绳卷筒中放出新绳，从滚筒上截

掉一段旧绳，然后重新固定缠好，即一段一段向滚筒方向补充新绳。

3.游动系统钢丝绳的拉力和效率

在图3-86中，设Qw、n为起升时游动系统的起重量和效率，Q阖、H»

图3-86游动系统的运动和钢丝绳: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，R.P?……、P,

为游绳的拉力。

(1)当大钩静止悬重时，各段游绳拉力相等，即

P=Pl=P2.........Pz

(2)当起升时，由于滑轮轴承的摩擦阻力和通过滑轮时的弯曲阻力，使各绳拉力发生变化，即:

P>P.>P2>...>Pz.>Pz

设n为一个绳轮的效率，则有：

因为：Qis?=Pi+P2+........+P"

所以：

Q游=P(n+n_+....+n')

上式括号内为等比级数，又可写为:

P1-11'Pn(1-n)

Q

*而1-n

由于

Q*

PnN

所以起升时的游动系统效率为:

n.=n(IH)

Z(l-n)

(3)当下钻时，情况与起钻时相反，即：

,Zr|z(l-n)

i-n

4.大钩提升速度和挡数

从图3-85可见，某挡位下，绞车滚筒的转速为

式中n,.——提升的柴油机的输出轴的转速r/min

——绞车第1挡提升时从柴油机输出轴到滚筒轴的总传动比，是变矩器或减速器的本身传动比至绞

车输入轴，经变速轴在传至滚筒轴的各分传动比的连乘机。

某挡位下，大钩的提升速度为

式中修——某挡位下，大钩的提升速度，m/s；

D.——提升时滚筒缠至第i层钢丝绳时的工作直径，

5.大钩最大钻柱重量

大钩最大钻柱重量Q值、是指在规定的钻井绳数下，正常钻进或进行起下作业匀速起升时，大钩允许承

受的最大钻柱在空气中的重量。

钻柱在井内钻井液中的重量为Q林

Q枝=Kq在L

式中L——最大井深，m；

——平均每米钻柱在空气中的重量，kg/m；

K——考虑浮力、阻力的综合系数

K=Km(1)

式中Km——起钻时的摩擦阻力系数；

P浓——钻井液密度，g/cm*

Pm----钢的密度，g/cm3o

一般情况下，K加=1.25,P钠=7.85g/cn?

所以Q,"ux=Qn+G-；»

式中G造——起升系统大钩下不变的重量；

G常=G卡+G环+Gmo

G卡——吊卡的重量；

G环----吊环的重量；

G®o——井下钻铤比同长度钻杆多出的重量；

G铤o=L铤(q铤一q杆)

式中L«!——井下钻铤长度，m；

qus——钻铤每米在空气中的平均重量，kg/m。

现代钻机将Q.,、与Q村之比称为钻机的载荷储备系数，即

2羯=1.7、1.8

任意井深时

Q劭i=Kq柱L

式中Li—任意井深，m

在实际钻井中，井越深，则摩擦阻力系数K削越大，所用钻井液的密度P浓也越大，浮力增加，因而

使（1-骷）下降，实际K值的大小可查得。

6.游动系统起重量

游动系统的起重量包括大钩最大钻柱重量Q柱和游动系统不变载荷G»（即认为作用在天车上的载荷）。

在最大井深，钩载为最低起升工作挡时，游动系统起重量Q源为

Q源=Q柱+G济

式中G游——游动系统部件本身不变的重量

G游=G句+G游车+G绳

式中GHJ——大钩的重量；

G源车——游动滑车的重量；

G纯——游动系统钢丝绳的重量

Q»-q杵L+G®+G瀚=q杆L+Go

式中Go——不随井深变化的重量

Go=G常+G流

六、小结

L钻井用钢丝绳的安全系数。

2.游动系统的有关计算。

七、作业

1.钻井用钢丝绳的安全系数。

2.游动系统的有关计算（例1、2）。

一、教学目的、要求

1.熟悉绞车的结构。

2.掌握绞车的功用。

二、教学重、难点

L绞车的结构。

2.绞车的功用。

三、导入新课

钻井绞车不仅用于起下钻具和下套管，还用在钻进过程控制钻压，此外还充当转盘的变速机构和中间

传动机构，以及整体井架的起升、带捞砂滚筒的绞车担负着提取岩芯筒，试油等项工作。

四、复习旧课

1.钻井用钢丝绳的安全系数。

2.游动系统的有关计算。

五、讲授新课

第三节钻井绞车

(一)绞车的功用与要求

(1)具有足够大的功率，有提升最重钻柱和解卡能力。在最低转速下钢丝绳能产生足够大的拉力，

保证游动系统安全可靠；

(2)各提升部件具有足够的强度和刚度。滚筒、滚筒轴、轴承、各机构以及易损件具有足够的寿命；

(3)绞车滚筒具有足够的尺寸和容绳量，保证缠绳状态良好以延长钢丝绳寿命。捞砂滚筒要缠得下相

当于井深长度的细钢丝绳；

(4)能适应起重量的变化，具有足够的起升挡数，以提高功率利用率，节省起升时间；

(5)具有灵敏而可靠的刹车机构及强有力的辅助刹车，能准确地调节钻压，匀速送钻。在下钻过程中

能随意控制下放速度和省力地将最重钻柱载荷刹住。滚筒刹车鼓及刹带片应耐磨、耐热、寿命长.

(6)具有稳固的支架和底座，整个绞车不应超重、超宽、超长、超高，以免给运输造成困难。传动部

分应有严密的防护罩，充分润滑。易损件拆卸、更换方便；

(7)采用集中控制，使控制手柄、刹把、指重表等集中在司钻控制台上，便于司钻的操作。

(二)绞车的结构组成及技术规范

1.绞车的结构组成

图3-13所示的ZJ45J型钻井绞车为例，绞车一般由以下几部分组成：

(1)支撑系统固定和安装绞车各零部件。有焊接的框架式支架或密闭箱壳式座架。

(2)传动系统引入、传递并分配动力。由2~5根绞车轴承总成即滚筒轴总成、传动轴总成、猫头

轴总成、转盘中间传动轴、链条、链轮、齿轮、轴系零件等，滚筒轴总成这是绞车的核心部件。

(3)制动机构即刹车机构。用于控制下钻速度和刹车。包括主刹车和辅助刹车。

(4)卷扬系统用以缠绕钢丝绳，实现上卸丝扣起吊重物。包括滚筒、捞砂滚筒、各种猫头等。

(5)控制系统用于控制绞车和转盘运及变速。包括牙嵌式、齿式、气动离合器，司钻控制台，控

制阀件等，一般都属于钻机控制系统的组成部分。

(6)润滑及冷却系统用于绞车各运转部位轴承、链条等的润滑。包括黄油润滑、滴油润滑和密封

传动时的飞溅或强制润滑。

2.绞车的技术规范

钻井绞车已制定有标准，标准规定了绞车的主要参数为名义并深。

钻井绞车的型号为

JC□□

1-----绞车形式机械绞车无，电驱动绞车为D

--------绞车级别以100m为单位计的绞车名义钻深范围的上限

------------绞车代号

(三)绞车的结构类型与选用

1.绞车的结构类型

(1)单轴绞车CT500绞车如图3T0所示，绞车前装有带正倒挡的齿轮变速箱，绞车外变速，转盘

不通过绞车传动。这类绞车的特点是：

①猫头直接装在滚筒两端，滚筒活装在轴上。

②绞车外变速，如CT500绞车，另有一齿轮变速箱。结构简单，重量轻，便于装运；但功率小，管

理维修不方便。猫头转速偏高，位置偏低，且滚筒高挡不能独立安排，影响起下钻速度。适用于中型钻机,

如By-40钻机绞车，CT500钻机绞车。

(2)双轴绞车ZJ15D双轴绞车传动示意如图3T1所示，山滚筒轴外加一猫头轴组成。不仅加高了

猫头高度，而且还在两轴间装了高低速传动链条，使齿轮变速箱的挡速加倍。双轴绞车仍为绞车外变速，

猫头轴的转速通过滚筒轴转换而来，比单轴绞车方便。适用于中、重型钻机。

(3)三轴绞车图3T2所示为ZJ130T三轴绞车，其传动方案

特点是；多加了一根引入动力的传动轴，绞车采用内部链条变速传动，并兼顾转盘。取消了外带的变

速箱，但绞车本身变得复杂了，尺寸与重量都较大，重达20t,运输时一般要拆成三轴••架4个单元，安

装也不方便。

(4)多轴绞车将4轴以上的绞车称多轴绞车。图3-13所示为ZJ45、ZJ45J钻机用的JC-45五轴绞

车，内变速，链条传动。由输入轴、中间轴(变速轴)、猫头轴、滚筒轴、转盘中间轴等组成。绞车内齿

轮倒车，水刹车装在滚筒轴上，通过齿套离合器实现离合。总重达303运输时，分成两个单元运输。

(5)独立猫头轴-多轴绞车现代深井、超深井用钻机的钻台越来越高。重达20〜30t左右的绞车，

要吊升到4〜8nl高钻台上是不容易的，且由于钻台与机房高差越来越大，传递大功率的爬坡链条不能适

应要求，于是出现了独立猫头轴-多轴绞车结构，如F320-3DH钻机的绞车即是，如图3-14所示。

一般是独立猫头轴与转盘传动装置构成一个单元，置于钻台上，因猫头只进行紧卸扣和辅助起重作业,

功率小结构简单，重量轻，上钻台容易，而将主滚筒连同链条变速箱组成另一单元，置于机房底座上，这

就大大改善了大功率链传动的工作条件，便利了安装和移运。

(6)电驱动绞车某些电驱动的超深井钻机，利用直流电机分别驱动滚筒轴和猫头轴，主滚筒和猫

头轴均自成独立单元，或将绞车分解为滚筒绞车和猫头绞车(轴上装有捞砂滚筒)两个独立单元。

2.绞车的选用

(1)功率大小主滚筒是否上钻台，如何安装移运。

(2)变速方式绞车变速在内还是在外，这与整机传动方案有关，要统一考虑，轻、中型钻机多为

绞车外变速；重型、超重型钻机则多采用绞车内变速。

(3)倒车方式绞车倒车在外还是在内。

(4)猫头种类与数量猫头轴是否有惯性刹车；离合器数量及布置。

(5)功用是否充当转盘中间机构、变速机构。

(6)润滑方式黄油、滴油、飞溅或是强制润滑。

(7)控制方式一般都采用集中气控制、气排挡。

(8)驱动类型机械驱动还是电驱动。

六、小结

1.绞车的结构。

2.绞车的功用。

七、作业

1.绞车的组成有哪些？

2.绞车的功用是什么？

-、教学目的、要求

L熟悉液压盘式刹车的结构、类型。

2.掌握带式刹车的功用、结构。

二、教学重、难点

1.液压盘式刹车的结构、类型。

2.带式刹车的功用、结构。

三、导入新课

现场不止一次因刹车不可靠而发生重大溜钻事故，造成设备损失、井下事故，甚至危及工人的人身安

全。生产实践表明：刹车机构是钻机的重要的部件，石油矿场机械工作者对此切不能等闲视之。

四、复习旧课

1.钻井用钢丝绳的安全系数。

2.游动系统的有关计算。

五、讲授新课

第四节绞车的刹车机构(一)

()刹车机构的类型和功用

1.刹车机构的类型

绞车的刹车机构是绞车的核心部件。它包括主刹车和辅助刹车。

主刹车按作用原理可分为带式刹车、块式刹车、盘式刹车等，石油矿场主要用带式刹车，盘式刹车近

年来也有较快地发展。

辅助刹车有水刹车和电磁刹车两种。

2.主刹车刹车的功用与使用要求：

1）功用下钻、下套管时，刹慢或刹住滚筒，控制下放速度，悬持钻具；正常钻进时，控制滚筒转

动，以调节钻压，送进钻具。

2）使用要求安全可靠，灵活省力，寿命长。

（二）带式刹车的结构组成与工作原理

带式刹车机构有单杠杆刹车机构和双杠杆刹车机构之分。

1.单杠杆刹车机构

图3-44为单杠杆刹车机构示意图。该刹车机构是由控制部分（刹把4）、传动部分（传动杠杆或称刹车

分（刹带1、刹车鼓2）、辅助部分（平衡梁6和调整螺钉7）、气刹车等组成。

刹车时，操作刹把4转动传动杠杆3,通过曲拐拉拽刹带1的活动端使其抱住刹车鼓2o扭动刹把手

柄可控制司钻阀5启动气刹车。气刹车起省力作用。平衡梁6用来均衡左、右刹带松紧程度，以保证受力

均匀。当刹块磨损使刹带与刹鼓间隙增大导致刹把的刹止角过低时，可通过调整螺钉7调整到初始间隙。

刹带1是由弹簧板制成，用带弹簧的螺钉挂在绞车外壳上，不工作时可均匀脱离刹车鼓；耐热耐磨的

刹车块则卸在钢带上。

绞车广泛采用双杠杆机构，力比大，操作非常省力。

2.双杠杆刹车机构

双杠杆刹车机构又叫做复式杠杆刹车机构。在两套单杠杆之间。用浮动连杆将他们较连在一起，组成

双杠杆刹车机构。

（三）液压盘式刹车的结构、类型

1.液压盘式刹车的结构、类型

液压盘式刹车系统由液压控制部分（简称液控部分）和液压制动钳（简称动钳）两部分组成。液控部分由

液压泵站和操纵台组成，它是动力源和动力控制机构，为制动钳提供必需的液压。制动钳是盘式刹车的动

力执行机构，为主机提供大小可调节的正压力，从而达到刹车目的。制动钳根据工况不同分为工作钳和安

全钳。

绞车盘式刹车的典型结构如图5-8所示。

刹车钳的结构方案可以分为杠杆钳和固定钳两种。前者中心液缸在刹车盘外缘，双活塞反向动作。后

者两个对置液缸分居刹车盘外侧，活塞直接对刹车块加压。而每一种又可以分为用液压加压的常开式和用

弹簧加压（用液压松刹）的常闭式两类，如图5-10所示。

(d)

图5-10刹车钳结构方案

（a）杠杆钳液压加压式；（b）杠杆钳弹簧加压常闭式；（c）固定钳液压加压式;

(d)固定钳弹簧加压常开式；

2.液压盘式刹车的功能：

①工作制动：通过操作刹车阀的控制手柄，控制工作钳对制动盘的正压力，从而为主机提供大小可

调的刹车力矩，实现大钩负载物的提升和下放。

②紧急制动：假如泵组、刹车阀、工作钳等组成的工作油路，任•处突然失灵，造成工作制动失效,

这时，拉下紧急制动手柄，给安全钳卸压，依靠碟簧恢复力刹车。

③过卷保护：当大钩提升重物上升到某位置，由于操作员失误或其它原因，应该工作制动而未实施

制动时，过卷阀会自动换向，实施紧急刹车，避免碰天车事故。

④驻车制动：当主机不工作或司钻要离开工作台时，拉下紧急制动手柄，安全钳刹车，以防大钩滑

落。

3.液控系统的原理、结构

工作钳工作原理

如图5-9(a)所示，当向油缸内给入油压时，产生油压力P=pA,式中A为活塞有效工作面积，p为油

压。在压力P的作用下，活塞与缸体分别向左、右两侧移动，进而推动杠杆使得刹车块压向刹车盘，压力

P便通过刹车块作用，该力即为正压力N。在N力作用下产生摩擦力，即制动力。制动力与油压p成正比，

油压P越大，制动力也越大，当油压p达到一定值时，刹车盘处于全制动状态；随着p值降低，P(N)值也

随之降低，当油压p=0时，在复位弹簧的作用下，拉动杠杆使得刹车块离开刹车盘，刹车钳处于完全松

刹状态。

安全钳的工作原理

见图5-9(b)所示，安全钳是常闭式安全型刹车钳：当安全钳油缸没有油压时，碟簧力通过两个杠杆传

递给刹车块而作用于刹车盘上，产生正压力N,实现刹车；当安全钳油缸有油压P时，该油压力克服碟簧

力而使碟形弹簧压缩，从而通过杠杆带动刹车块松刹。

4.盘式刹车的优缺点

盘式刹车与带式刹车相比有以下优点：

①刹车盘为中空，有的带通风叶轮式，散热性好，整个盘面积只有不到1/10在摩擦发热，而其余

面枳都在交替散热。盘和块的热稳定性好(热衰退小)，摩擦系数稳定，制动力矩乎稳。

②由于盘块间的比压大和盘的离心作用，盘块间不易存水和油污物，所以刹车块的吃水稳定性好。

③刹车盘的热变形小，热疲劳寿命较长；刹车盘上比压分布均匀，摩擦副的寿命较长。

④正反向刹车力矩一样，刹止的时间短，反应灵敏。

⑤每个刹车钳皆可独立刹止全部钻杆柱重量，且有应急钳，刹车的可靠性大大提高，刹把力只有100

N左右，操作省力。

⑥更换刹车只需20min。

但盘式刹车存在两个缺点：--是比压比带式大2倍，摩擦表面温度高，对块的材料要求高；二是多了

液压装置及其密封圈等易损件。

5.盘杀的检查与维护

优质可靠的液压系统是针对无故障使用寿命长而设计的，它仅需要很少的维护。但是这少量的维护对

于得到无故障工作来说却是很重要的。因为实践经验证明高达80%的失效和损坏是由于污染、维护不足和

油液选用不当造成的。

1)液面

必须经常检查液面并及时补油。

2)油温

液压油