第二章钻机起升系统(第一讲)

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表2-1给出了钻机游动系统的效率值，可直接选取。 表2-1 游动系统效率
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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，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。
钻井机械电子教案 两个大腿都是由3～5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。
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第二章钻机起升系统
天津石油职业技术学院
徐建功 2013年7月
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学 习 目 标
1. 理解起升系统的作用 2. 了解井架型号、井架的基本组成 3.掌握天车的结构 4.掌握钻井绞车的组成 5.掌握液压盘式刹车的结构组成 与工作原理 6.辅助刹车的有哪些类型
重点：绞车的组成 难点：液压盘式刹车的结构组成与工作原理
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(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。
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——用于海上钻机
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2. 前开口井架 前开口井架亦称为Π形 井架，如图所示。 其主要结构特征是： 1)整个井架主体是3～5 段焊接结构组成。段间采 用锥销定位和螺栓联接。
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伸 缩 式 井 架
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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Π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。
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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。
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2.1 井 架
钻井机械电子教案 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。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，以及起下、 存放钻杆、油管及抽油杆，并需 承受井中钻柱重量。 因此，对井架的要求如下： 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。
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3）当下钻时，有： Ff„＜F1‟＜F2„＜· · · ＜Fz‟＜Fd„ 则快绳拉力为 Ff„=[Qs„ηz(1-η)]/(1-ηz) （2-6） 游动系统效率为： ηs„=[Zηz(1-η)]/(1-ηz) （2-7） 由上述分析可见，在起钻和下钻时各游绳拉力是不同 的，其中起钻时快绳拉力为最大。 当Z相同时可取ηs≈ ηs„，即： ηs=ηs„= η（z+1）/2 （2-8）
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3.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
井架型式：T-塔形井架；K-前开口 井架；A-A形井架；W-桅型井架
井架有效高度
最大钩载，以 10KN为单位计
改进序号：用阿拉 伯数字表示
井架代号
JJ □ / □ - □ □
钻井机械电子教案 2.1.2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： (1)塔形井架； (2)前开口井架； (3) A形井架； (4)桅形井架. 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。
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1游动系统命名
游车滑轮数 目：用阿拉 伯数字表示
天车滑轮数目： 用阿拉伯数字 表示
游动系统名称： 用YX或游动系统 表示
□ □×□
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第二章钻机主要设备的使用
2天车、游车、大钩的型号
产品名称代 号：TC-天车； YC-游车； DG-大钩
产品级别：以 10KN为单位计 的最大钩载
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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。
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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，井架主体作成前扇敞 开，横截面为开口矩形(即Π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15－60)都可以配置此类井架。
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0 Ff
4 Fd
Vf
F1
V1
F2
V2
F3 F4 F5
V3 V4
F6
Vd
V5 V6 a
c
b
图2-1 游动系统运动和钢丝绳拉力分析图
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则钢绳速度依次为： Vf=V1=6V=ZV; V2=V3=4V; V5=V4=2V; V6=Vd=0 天车滑轮速度依次为： V1‘=ZV， n1=60ZV/(πD); V2’=4V， n2=60×4V/(πD); V3‘=2V， n3=60×2V/(πD); V4’=0， n4=0
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2.1.1概述 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。
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主要技术参数
（1）钻台高度
（2）钻台面积
9m(30ft)
12.5m×12.3m(41ft×40.4ft) 7.7m(25.3ft)
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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。
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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。
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2.1.3典型自升式井架简介 JJ450/45-K4、JJ300/43-A和JJ225/43-KC1三种井架的 结构特征、现场安装拆卸和起升方法及规程。 2.1.4井架的维护和保养 井架的润滑、维护保养的要点和规程，以及注意事项。
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2.2 钻 机 的 游 动 系 统
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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。
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4．桅形井架 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。
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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 输方便。
（3）转盘梁底面高度
（4）井口中心至滚筒中心线距离 3.76m(12.3ft) （5）转盘最大载荷 3150kN(700,000 lbs) （6）额定立根盒容量（4 1/2“钻杆、28米立根） 180柱(180 STANDS)
（7）转盘最大载荷与额定立根载荷的最大组合： （8）额定立根载荷 1800kN(400,000 lbs)
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在大钩起升和下放时，钢绳处于运动状态，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。 2）当大钩起升时，有： Ff＞F1＞F2＞· · · ＞Fz＞Fd 设η为一个绳轮的效率，则快绳拉力为 Ff=[Qs(1-η)]/[η(1-ηz)] （2-4） 游动系统效率为： ηs=[η(1-ηz)]/[Z(1-η)] （2-5） 可见，有效绳数越多，游动系统效率越低。
钻井机械电子教案 2.2.1概述 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5×6”，即表示游车轮数为5，天车轮数为6。 游动系统6×7，表示天车有7个滑轮，游动滑车有6个滑轮的系统 结构。
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2.1.1概述 1.井架的基本组成及功用 1）井架的功用 主要用于安放和悬挂天车、游车、大钩、吊环、液气大钳、 液压绷扣器、吊钳、吊卡等提升设备与工具，以及起下、存放钻 杆，并需承受井中钻柱重量。 2）井架的基本组成 石油场矿用的各种井架主要由以下几部分组成： （1）井架本体1：空间桁架结构； （ 2）天车台5：安置天车和天车架； （ 3）天车架6：安装、维修天车； （ 4）二层台4：包括井架工进行起下操作的二层台，以及存靠 立根的指梁； （ 5）立管平台2：装拆水龙袋的操作台； （ 6）工作梯3。
（2-1）
（2-2）
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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。
变型序号： 用阿拉伯数 字表示，原 型不标
□
□ - □
钻井机械电子教案 2.2.2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2-1所示，设V为大钩速度，V1～V6 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。
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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。
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2.动力分析 三种工况：大钩悬重静止、大钩起升、大钩下放。 如图2-1所示，设： Qs，ηs为起升时游动系统起重量和效率；Qh为钩载； Gs为游动部件常量； Ff，F1，F2，· · · ，Fz，Fd为快绳、 各游绳和死绳的拉力； Qs„，ηs‟为下钻时游动系统起 重量和效率； Ff„，F1‟，F2„，· · · ，Fz‟，Fd„为下钻时快绳、各游绳 和死绳的拉力。 1）当大钩悬重静止时，各段游绳拉力相等，即： Ff=F1=F2=· · · =Fz=Fd ； Qs=Qh+Gs=F1+F2+· · · +Fz=ZFf； Ff=Qs/Z （2-3）