钻机起升系统

为了减少机动起升时间，国产新系列钻机加大 了绞车功率(见表5-2)，使最小起升工作速度V1从原 来的0.2米/秒提高到0.4～O.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，快绳速度和操作水平的限制。一般钻机Vk为 1.4～1.8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1～2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。
Z Z（ －） 1 1 Z（ －） 令： ’＝ 1 ’ （ －） Q P＝Q游 ＝ 游 Z Z 1－ Z 1－ Z 1－
Z
P＝
Q
’ 游
Z
’ 游
(1 ) Z（1－） 将 游 ＝ Z Z(1 ) 1－
Z Z ’ 游
＝
’ 游 ’ 游
Z+1 ’ 游
由：
P (1 Z ) Q游 1
P Q游 (1 )
∴
Q游 · (1 ) Z P Z (1 Z ) ∴
(1 )
Z
(1 Z ) 游 Z(1 ) 令
得：
P
Q游 Z游
（8－5）
在下钻时有： 下钻快绳拉力：
P ＜P ＜P ＜＜P ＜P
如图3.1所示，
设Q游 、η游为起升时游动系统的静载荷和效 率， Q游 ’、 η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，P1··PZ，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。 P＝P ＝P ＝P ＝P
1 2 Z d
’ ’ 1 ’ 2 ’ Z－1
’ Z
P
’
Q Z
’ ’ 游 游
（8－6）
Q ＝P1＋P2＋P3 PZ＝P(
’ 游
1
1
2


1

3

1

Z
）
a1 (1 q ) 由等比数列求和公式：sn 1 q
n
1－ Q ＝P Z （ －） 1
Z ’ 游
Z ’ 游
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。 压缩弹簧在起钻时能使 立根松扣后向上弹 起。
因游与 的值很接近，故令游＝ 所以游 ＝ ＝
2 游
Z+1
Z+1
所以游＝
2
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：
(1 ) Z（1－） 将 游 ＝ Z Z(1 ) 1－
Z Z ’ 游
则钢绳速度为：VF’=V1’=4V=ZV
V2’=V3’=2V
V4’=VZ’=0 (8-1)
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。
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 凹槽并被卡住，钩身即可 转动。
8.2起升速度、档 数和起升立根数 8.2.1起升速度和 档数
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： G0＝G游 +G铤0。
为了充分利用绞车功率，使机动起升时间最少， 各挡所起升的立根数Si为： N绞 N绞 G0 G0
N绞
Si＝Yi－Yi－1＝ － －（ － ） 10qlVi ql 10qlVi－1 ql 1 1 ＝ （ － ） （8－11） 10qlVi Vi Vi－1
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)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。
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。
8.1.2、游动系统效率和快绳拉力
第八章 起升系统 8.1 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。
8.1.1 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5×6，即表示游车轮数 为5，天车轮数为6。
P
Q游 Z
（8－4）
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。 在起钻时：
P＞P1＞P2＞＞PZ－1＞PZ P Q游 Z游 （8－5）
设η为一个滑轮的效率，
∵P1/P＝ η ∴P1＝Pη ∵ P2/P1＝η ∴P2＝P1η＝ Pηη＝Pη2 同理： P3＝P2η＝ Pη2η＝Pη3 PZ＝ PηZ ··· Q游＝P1 ＋P2 ＋P3 ····＋PZ ··· ＝Pη＋ Pη2 ＋Pη3＋····＋PηZ ··· ＝ P（η＋ η2 ＋η3＋····＋ηZ)
＝
’ 游 ’ 游
Z+1 ’ 游
因游与 的值很接近，故令游＝ 所以游 ＝ ＝
2 游
Z+1
Z+1
所以游＝
2
（8－7）
游动系统效率主要决定于单轮效率η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η=0.98～0.97，若用 硬性钢绳(钢丝芯，逆绞)可取η＝0.96;而对于 装滑动轴承的滑轮，则η=0.95。
JC-350天车六个滑轮 分为两组，中间由一个轴 套隔开。
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8-2，8-3所示的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，13／8in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。
为方便计，把Qi折合为大钩对应档所能起的立根数 Yi(见图8-6) ：
Qi 10(Yi ql＋G 0 )
KN
(8－9)
Qi－10G 0 Qi G0 Yi＝ ＝ － 10ql 10ql ql N绞 把（8－8式) Qi Vi 得 G0 Yi＝ － 10qlVi ql N绞
带入上式， （8－10）
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，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3-1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。
VA＝AC×ω＝（AO＋OC）×ω＝AO×ω＋OC×ω ＝D/2 ×ω＋V VB＝BC×ω＝（BO－OC）× ω ＝ BO× ω－ OC× ω ＝ D/2 ×ω－V 所以： D/2 ×ω＝VB＋V 所以： VA＝D/2 ×ω＋V ＝（VB＋V）＋V ＝ VB＋2V
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。
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。
8.2.2 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
Qi
N绞 Vi
（8－8)
式中：Qi－i档可能起升的载荷； N绞－绞车额定输入功率， KW； η－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， m／s。
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
表8.1给出了钻机游动系统的效率值，可直接选取。
8.1.3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。(见图 8－3)。
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。
括号内为等比数列，
• 等比数列的求和公式为：
a1 (1 q ) sn 1 q
n
··· • 对 Q游＝ P（η＋ η2 ＋η3＋····＋ηZ)而言，括号 中的对比数列的： Z (1 ) • a1＝η，q＝η ∴ sn
1
• 得：
P (1 Z ) Q游 1
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；
出于安全的考虑，最高档速Vk限制为一定值，所 以最高档能起的立根数为：
G0 SK＝YK＝ － 10VK ql ql
N绞
（8－12）
8.3 钻井绞车 8.3.1 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。