許長生

摘 要：隨著陸地鉆機在石油開采等行業(yè)中的普遍應用，讓企業(yè)工作效率得到了很大的提高。不過隨著鉆孔深度的增加，鉆機鉆桿起升成為了一個技術(shù)性較強的工作環(huán)節(jié)，從目前來看，我國部分企業(yè)仍舊采用氣動絞車或吊車來實現(xiàn)鉆桿的起升，這樣不僅存在一定的不穩(wěn)定性，同時工作效率也較低。本文從陸地鉆機的角度出發(fā)，在傳統(tǒng)鉆桿起升基礎上，對陸地鉆機鉆桿自動起升系統(tǒng)的設計與優(yōu)化進行探討與思考。

關(guān)鍵詞：陸地鉆機；自動起升；設計與優(yōu)化

中圖分類號：TE922 文獻標識碼：A

一、鉆桿自動起升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

陸地鉆機鉆桿自動起升系統(tǒng)的組成元素有旋轉(zhuǎn)臂總成、豎直桁架?？傮w來看，可以將旋轉(zhuǎn)臂總成當作是一種特殊的指令執(zhí)行元件，主要是在自動起升系統(tǒng)的最后節(jié)上執(zhí)行其相對應的程序命令，當這種程序命令通過系統(tǒng)發(fā)出的時候，旋轉(zhuǎn)臂總成就會按照提前設定的程序指令及指令內(nèi)容執(zhí)行其指令動作，進而將鉆桿由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，從而形成自動起升系統(tǒng)的核心組件。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，旋轉(zhuǎn)臂以及起升架共同在起升系統(tǒng)中組成了旋轉(zhuǎn)臂總成，而旋轉(zhuǎn)臂由鉆桿夾具手、旋轉(zhuǎn)手臂等零部件組成；起升架由起升架本體、導向機構(gòu)和液壓缸等零部件組成。旋轉(zhuǎn)臂前段上部端點與液壓缸活塞鉸接，下部與起升架裝置進行支點鉸接，在液壓缸的作用下發(fā)生0°～90°的旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)臂在起升架的限制與輔助作用下發(fā)生上下的位移移動，從而通過旋轉(zhuǎn)臂的作用實現(xiàn)了鉆機鉆桿鉆臺的輸送工作。

在陸地鉆井的具體過程中，通過旋轉(zhuǎn)臂的作用將鉆桿輸送至鉆臺，當旋轉(zhuǎn)臂在其自身與起升架間發(fā)生支點鉸接旋轉(zhuǎn)的時候，鉆桿即發(fā)生由水平到垂直的位置改變，相反當鉆井結(jié)束時，旋轉(zhuǎn)臂在液壓作用下進行收縮，又由垂直轉(zhuǎn)換到水平位置，從而實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)臂輸送鉆桿從水平到垂直的變換。

在實際工作中，起升架的主要構(gòu)成元素有：起升裝置本身、導向輪子以及利用液壓原理進行工作的液壓缸三部分。對于起升架的上部而言，它主要是通過上部的鋼絲繩實現(xiàn)其驅(qū)動；另外考慮到起升架的工作原理及在實際工作中的重要特性，針對其上部與下部及不同位置的頂點位置，及各自的特性分布進行了導輪與滾輪的合理設計，從而實現(xiàn)起升架的良性工作；當起升架處于提升狀態(tài)下的時候，導輪會依附于豎直桁架，并呈現(xiàn)出豎直上升的運動狀態(tài)，這種狀況下，滾輪就會在內(nèi)壁上表現(xiàn)出較強的導向效果，不僅如此，滾輪還及時對起升架左右自由度進行了限制，讓起升架能夠保持正常運作狀態(tài)。

二、陸地鉆機鉆桿自動起升系統(tǒng)工作原理

概括而言，陸地鉆機鉆桿自動起升系統(tǒng)主要是借助自動起升控制系統(tǒng)，將鉆桿從放置位置輸送到鉆臺，然后在鉆井工作結(jié)束的時候，又將鉆桿從鉆臺位置轉(zhuǎn)移到儲存位置。陸地鉆機鉆桿自動起升系統(tǒng)首先實現(xiàn)了鉆桿輸送的自動化操作，不僅能夠有效進行遠程控制監(jiān)控，同時與傳統(tǒng)的啟動絞車或吊車相比，鉆桿自動起升系統(tǒng)充分消除了鉆桿墜落、鋼絲繩斷裂等物體碰撞傷害，使得鉆桿起升過程中安全風險大大降低，并通過自動化操作提升了工作效率，在一定程度上降低了成本費用。

在陸地鉆機鉆桿自動起升系統(tǒng)中，起到關(guān)鍵性作用的部件主要是旋轉(zhuǎn)臂，具體流程是旋轉(zhuǎn)臂上的夾具抓手握住鉆桿，然后在液壓作用下提升至相應高度，而后通過鉸接旋轉(zhuǎn)變換，最終將鉆桿輸送到相應的位置。旋轉(zhuǎn)臂的工作流程如下：

1 鉆井過程中旋轉(zhuǎn)臂工作流程：抓取鉆桿——提升鉆桿——旋轉(zhuǎn)鉆桿——鉆桿垂直——傳遞鉆桿——旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)下降，最后復位。

2 鉆井結(jié)束后旋轉(zhuǎn)臂工作流程：抓取鉆桿——旋轉(zhuǎn)鉆桿——鉆桿水平——鉆桿下降——排放鉆桿——旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)上升，最后復位。

三、有限元分析優(yōu)化

1 靜力學計算

當鉆桿處于水平狀態(tài)的時候，假設其旋轉(zhuǎn)臂裝配體自重為G1=4.42kN，副旋轉(zhuǎn)臂、連接臂、拉桿、夾具及夾具安裝制作的重量之和為G2=1.68kN，起升架總裝配體、液壓缸及銷軸的重量和G3=5.18kN，單針鉆桿的自重G4=3.4kN，提升力為F0，導向輪與桁架法向作用力為F1，則由此可得出左下側(cè)導向輪與桁架之間的摩擦力f1=λF1，λ=0.15，則右上側(cè)導向輪與桁架間的摩擦力f2=λF2

2 結(jié)構(gòu)分析

為了進一步從安全可靠方面，對鉆桿起升系統(tǒng)進行相應的理論與實踐測試，我們借助ANSYS有限元分析軟件對豎直桁架、起升架及旋轉(zhuǎn)臂進行結(jié)構(gòu)分析。具體來說，假定旋轉(zhuǎn)臂材質(zhì)型號為16的錳鋼，其屈服極限為210MPa，設定1.20為其旋轉(zhuǎn)臂的安全系數(shù)，從而利用有關(guān)的計算公式得出許用應力為168.22MPa，另外由結(jié)構(gòu)分析原理得出旋轉(zhuǎn)臂和起升架的鉸接部分的最大應力為150MPa，最大變形位移為2.54mm，小于許用應力，滿足強度要求。

3 模擬分析

為了進一步通過試驗模擬分析得到起升系統(tǒng)的振型及相對應的頻率，本文對旋轉(zhuǎn)臂進行模擬分析。我們從結(jié)構(gòu)本身的前三個階段提取出8.768Hz、11.422Hz、26.425Hz這三個固有頻率，然后對旋轉(zhuǎn)臂在X-Y平面內(nèi)發(fā)生擺動的狀況進行模擬分析，對第三固有頻率整體旋轉(zhuǎn)臂機構(gòu)繞Y軸發(fā)生擺動進行相應的模擬分析。通過相應的模擬分析得出其結(jié)論：旋轉(zhuǎn)臂整體機構(gòu)在低階頻率范圍內(nèi)做平面擺動，整體變形較小，剛度儲備能量較大，滿足安全使用的要求。

結(jié)語

陸地鉆機鉆桿自動起升系統(tǒng)的設計，與傳統(tǒng)的鉆桿起升系統(tǒng)相比，顯然具有一些不可比擬的優(yōu)點，它不僅為石油企業(yè)最大程度上節(jié)省了鉆桿起升成本的投入，同時也在很大程度上確保了施工安全，大大降低了其風險系數(shù)。

參考文獻

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