2 钻机起升系统

石 油 钻 采 设 备—钻机起升系统
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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。 作用：起下钻具、下套管、控制 钻头送进等。 组成：包括井架、天车、游车、 大钩、游动系统钢绳、绞车和辅助刹 车等设备。
由于两腿间联系较弱，致使井 架整体稳定性较差。
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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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石 油 钻 采 设 备—钻机起升系统 4．桅形井架
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* 钻机井架未来发展趋势（海洋钻机）
（1）发展自升式K型特种井架，采用分段组装、分段 套装、垂直连接方式。安装空间小，作业高度可调。 （2）发展带有钻柱运动补偿结构的井架。分天车型运 动补偿，游车型运动补偿、绞车型运动补偿。 （3）完善井架配套结构、提高井架适应性。如设计顶 驱安装、设臵使用可靠的钻杆自动排放系统等。
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由上述分析可见：
其一，起下钻过程，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。 其二，起下钻过程，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。 定期将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.
2.天车的技术规范
技术规范中所列参数包含：
最大钩载、滑轮数、滑轮尺寸、 重量、安装尺寸。
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举例说明（TC-350）
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
1.钻井工作对大钩的要求：
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。
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石 油 钻 采 设 备—钻机起升系统 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。
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通常所说的游动系统结构，指的是游车轮数×天车 轮数。 “游动系统5×6”表示游车轮数为5，天车轮数为6。
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2.2.2游动系统钢丝绳与滑轮力学分析
1.运动分析
则钢绳速度依次为： Vf=V1=6V; V2=V3=4V; 0 4 V5=V4=2V; Ff Fd F1 F2 F3 F4 F5 F6 V6=Vd=0 Vf Vd V1 V2 V3 V4 V5 V6 则钢绳各段受力： (1)当静止不动时 c b Fr=F1=F2=…=Fd (2)起钻时 Fr>F1>F2>…>Fd(2) 图2-1 游动系统运动与受力 (3)下钻时 Fr<F1<F2<…<Fd 石油钻采设备
2.大钩结构特点：
钻井大钩有两大类：
一类是独立大钩，可与游 车分开拆装； 另一类是游车大钩，游车 和大钩为整体结构，二者不能 分开。
DG-350大钩如图所示， 主要配备于 ZJ45级钻机。
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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。 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。
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2.1 井 架
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井架:是一种具有一定高度和 空间的金属桁架结构。 在钻井或修井过程中，井架的 作用：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。 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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2)有足够的工作高度和 空间，足够的钻台面积。 （1）工作高度大，方便 起下立根。 （2）工作空间大，以安 装天车，并保证起下操作 时游动系统设备畅行无阻； （3）钻台面积够布臵设 备，安放工具，方便工人 操作，使司钻有良好的视 野。
图2-2 TC-350天车
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2.2.4游车
游车是靠钢绳悬在井 架内部作上下往复运动 的动滑轮组。
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可配用不同 规格的轮槽形状 的滑轮，便于用 11/4in，13／ 8in,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。
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* 瓶式塔形井架（海洋钻机） 井架采用塔形结构，二层台 以下井架立柱采用直立柱结构， 二层台立根以上位臵开始收口， 井架所有杆件形心相交。因而井 架稳定性好、抗风抗震能力强、 井口活动范围大，立根容量租、 二层台操作方便。
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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
结论：游动系统轮数越多，游动系统效率越低。
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2.2.3天车
天车是安装在井架顶部的定滑轮组。
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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* 海洋钻机井架双层底座（海洋钻机）
为了适应海上一个平台 钻多口井以及自升钻井平台 完井后要降平台启航，井架 需移离井口，移向平台的中 心位臵以满足平台的稳定性 的需要。因此井架底座应能 移动，移动方式有液压式和 齿条式两种。
双层底座原理图
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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。 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)都可以配臵此类井架。
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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：
塔形井架； 前开口井架； A形井架； 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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YC-350游车
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2.2.5大钩
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。
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大钩悬挂在游车下面。
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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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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。
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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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。
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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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)应保证拆装方便， 安全，移动迅速。 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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2.1.1概述 1.井架的基本组成 主要包括：井架主体，天车台，二层 台，立管平台，工作梯。 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。 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。
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（如下图所示）。
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1.天车的结构特点
三种基本结构形式： 滑轮轴共轴线，并且各滑轮相互平行； 滑轮轴线平行，快绳滑轮在另一根轴上； 滑轮轴不共轴线，并且快绳滑轮偏斜。
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2.2钻机游动系统
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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。