第二章钻机起升系统(第二讲)

钻井机械电子教案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月钻井机械电子教案2.3钻井绞车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设备，是钻机三大工作机之一。钻井机械电子教案绞车结构外形图钻井机械电子教案钻井机械电子教案2.3.1概述1.钻井绞车的功用(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)借助猫头进行上、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。(6)利用捞砂滚筒，进行提取岩芯筒、试油等工作。钻井机械电子教案2.绞车型号JC□□绞车代号绞车级别：采用114mm钻杆，以100m为单位计的名义钻深范围上限绞车型式Ｙ－液马达驱动绞车Ｄ－直流电驱动绞车ＤＪ－交流电驱动绞车ＤＢ－交流变频电驱动绞车钻井机械电子教案3.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。主要有水汽葫芦、刹车盘、滚筒体、滚筒轴和轴承等。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；钻井机械电子教案(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；下图为刹车机构示意图。钻井机械电子教案(3)猫头和猫头轴总成，用以满足大钳上、卸扣和其它辅助起重的需要。有的猫头轴上还装有捞砂滚筒，用以提取岩心筒；钻井机械电子教案(4)传动变速系统，引入并分配动力和传递运动，提供足够的档速；主要有齿轮减速箱、减速器输入轴、转盘链条箱和角传动箱、离合器、联轴器、万向轴等。(5)控制系统，包括牙嵌、齿式、气动离合器。它们一般都属于钻机控制系统的组成部分；(6)润滑系统，包括黄油润滑、滴油润滑和密封、飞溅或强制润滑；(7)支撑系统，有焊接的框架式支架或密闭箱壳式座架。中型绞车整体运输，其重量约在10吨以内;重型和超重型绞车要拆散成单元运输，运输的单元应在15吨以内，以便移运。钻井机械电子教案绞车主要由底座、支架、输入轴、输出轴、猫头轴、滚筒轴、高低速离合器和转盘传动箱组成；钻井机械电子教案2.3.2钻井绞车的技术特性参数钻井绞车的特性参数有绞车功率，快绳拉力，钢丝绳直径，档数，各档转速，滚筒的直径和长度，刹车毂直径等。2.3.3现代绞车的结构方案绞车的传动方案决定了它的结构类型，按绞车轴数大致可归纳为：单轴、双轴绞车（一般需配变速箱）；三轴和多轴绞车；独立猫头绞车；电驱动绞车。钻井机械电子教案1.单轴绞车和双轴绞车：这类绞车的特点是猫头直接装在滚筒轴两端，滚筒活装在滚筒轴上。为了提供不同的起升速度，在绞车外面设置变速箱分别传动绞车和转盘。单轴绞车(左图)单轴绞车结构简单，功率小，重量轻，移运方便，如C-1500型钻机绞车就是这种类型。其缺点是猫头转速偏高，位置过低，操作不便，且滚筒档速不能独立安排，影响起下钻速度。钻井机械电子教案双轴绞车(如左图）双轴绞车由猫头轴和滚筒轴组成，由于猫头和滚筒分轴，使猫头的速度和位置都得到改善，解决了猫头的操作不便问题。其仍然采取外变速方案。如ZJl5D和ZJ20-2型钻机采用此方案以使绞车结构简单，重量轻，便于移运。钻井机械电子教案双轴绞车,用于ZJ50DB钻机钻井机械电子教案2．三轴绞车这类绞车的特点是在双轴绞车的基础上增加了引入动力的传动轴，且猫头轴亦参加变速传动。大庆130钻机和ZJl30-1采用的JCl－14.5绞车即属此类(下图)。钻井机械电子教案JCl－14.5绞车能实现相互独立的三个低速档和一个高速档。由于三轴之间空间较大，不能设置倒档，该型钻机在机房设置有倒档齿轮箱。由于变速机构也兼顾转盘，取消了外变速箱，但绞车本身却复杂了，重达20吨，移运时折成三轴一架四个单元运输，移运和安装都不方便。钻井机械电子教案三轴绞车,用于ZJ40/2250CD钻机钻井机械电子教案3.多轴绞车左图所示为JC-45绞车。将四轴以上的绞车称为多轴绞车，其特点是猫头轴不参加变速传动，猫头中间空出来的位置可加装辅助捞砂滚筒，而另设中间轴解决变速和传动的要求。一般可实现6正2倒的滚筒速度，ZJ32J、ZJ45、ZJ45J、ZJ60D等国产钻机都采用这一方案。钻井机械电子教案18四轴绞车,可用于ZJ50/3150CD钻机钻井机械电子教案四轴绞车,用于ZJ50D钻机钻井机械电子教案技术参数:额定输入功率1470kW最大快绳拉力485kN档数4,无级调速钢丝绳直径φ38mmJC70D绞车结构特点:绞车由2台800kW直流电机驱动。主刹车采用液压盘式刹车，刹车力矩大,安全可靠。辅助刹车为电磁涡流刹车,下钻时平稳省力、易控制、增加可靠性,能有效延长刹车盘和刹车块的使用寿命。滚筒开有绳槽，排绳整齐。配有过卷阀防碰装置,增加了钻机的安全性钻井机械电子教案JC70DB绞车结构简图钻井机械电子教案2.4绞车的刹车机构钻井机械电子教案钻井绞车的刹车包括主刹车和辅助刹车。主刹车用于各种刹车制动，辅助刹车仅用于下钻时将钻柱下放速度刹慢。主刹车是机械式的，主要采用带刹车，即通常所说的刹车机构。盘式刹车以良好的性能正逐渐为钻井绞车所接受。由于带式刹车结构简单，使用方便，因而今后相当长的时间内完全有可能是带刹车和盘式刹车并存。图2-5所示为PS系列盘式刹车。钻井机械电子教案图2-5PS系列盘式刹车钻井机械电子教案刹车的功用是刹慢或刹住被钻柱载荷所带动的滚筒，达到控制滚筒转动，以调节钻压，送进钻具，控制下钻速度或达到悬持钻具的目的。钻井过程中司钻总是手不离刹把，如果刹车机构不够灵活省力，将加重司钻的体力劳动强度，带来操作不便。同时刹车不可靠容易引发重大溜钻事故，造成设备损失，井下事故，甚至危及人身安全。所以刹车是绞车上最重要的部件，因此要求它灵活省力，安全可靠，寿命长。钻井机械电子教案2.4.1带刹车的结构原理1.带刹车的结构组成主要由控制部分、传动部分、制动部分平衡梁和气刹车等组成。图2-6所示为单杠杆刹车机构。图2-6单杠杆刹车机构钻井机械电子教案钻井机械电子教案2.刹把调节与刹带、刹车块的调整随着刹车块磨损量的增加，刹把终刹位置逐渐降低，影响操作时就需调节刹带使刹把终刹位置恢复至合适高度。当磨损到一定程度后，刹车带需进行整圆或更换新带。刹车块磨损量达到一定厚度时就要更换。3.刹车机构的润滑要按规定对各部件注入润滑脂或润滑油，保持机构润滑状况良好。钻井机械电子教案2.4.2带刹车机构的基本计算1.绞车的工作计算1）滚筒的缠绳直径滚筒任意一层缠绳直径可表示为：De=D0+d+2(e-1)ψ·d（2-9）式中D0为滚筒直径；e为缠绳层数；De为任意一层(或最外层)缠绳直径；ψ为修正系数；d为钢绳直径。2）滚筒的平均工作直径为：Da=(D2+De)/2（2-10）式中D2为第二层缠绳直径；De为最外层缠绳直径。钻井机械电子教案3）滚筒缠绳总长为：L=πD1n+Zl（2-11）式中D1为第一层缠绳直径；n为层缠绳圈数；Z为有效绳数；l为立根长度。4）快绳速度为：Vfmin=πD2n/60（2-12）Vfmax=πDen/60（2-13）Vfa=πDan/60（2-14）5）大钩速度为：Vfmin=Vfmin/=πD2n/60Z（2-15）Vfmax=Vfmax/πDen/60Z（2-16）Vfa=Vfa/πDan/60Z（2-17）钻井机械电子教案2.绞车的制动计算下钻操作的特点是在起钻过程中作为系统负载的钻柱载荷成为下钻过程中系统的动力，带动整个系统运动，而绞车上必须装置包括机械刹车和辅助刹车的制动装置来吸收钻柱下放时释放的能量。制动装置把吸收的能量转变为热能逸散到冷却水或空气中。图2-6下钻操作示意图钻井机械电子教案开始下钻前要稍提钻柱，撒掉吊卡(或卡瓦)，摘开离合器，刹住钻柱。下钻开始时，司钻将刹把抬起，完全松开刹带，整个系统在钻柱作用下以接近自由落体加速度加速。到此时开始刹车，由于制动装置即滚筒吸收了能量，随着制动力矩的增大，下落加速度逐渐减小。图2-7下钻示意图钻井机械电子教案当钻柱下放至接近立根行程终点时，司钻压住刹把减速下放，此时制动装置制动力矩大于钻柱静力矩，加速度为负值（惯性力为正，向下）。直至到达终点，完全刹住钻柱。M＝M静＋M动钻井机械电子教案一般安全操作时下钻速度应控制在2～2.5米／秒以内。在不具备安全可靠，灵活的刹车装置的情况下，下钻速度过大，容易发生溜钻砸转盘事故，损坏设备。显然，如果钻柱下放速度较大，且在下放终点前急刹车，就会产生很大的冲击载荷。因此，司钻在下钻行程结束前4～5米就开始刹车减速，降低钻柱的下放速度，然后刹住钻柱，这样就可以把冲击载荷减小到最低限度。钻井机械电子教案1.制动力的确定（1）最大制动力矩由于减速下放所产生的惯性力矩，当下钻终了刹住钻柱时刻的制动力矩达到最大。最大制动力矩为：Mmax=βM静=β[(Qs'D2)/(2Z)]ηsηd(2-18)（2）最大制动力因Mmax=FbmaxDd/2，即Fbmax=βFb=β[(Qs'D2)/(ZDd)]ηsηd(2-19)钻井机械电子教案式（2-18）和（2-19）中的β为动载系数，其值取决于下钻操作。这是因为最大制动力矩产生于钻柱刹止时，此时作用在快绳上的载荷为钻柱的静载荷、惯性载荷、振动载荷及冲击载荷。其中上述前三种载荷与操作无关，而刹止时的冲击载荷则完全取决于下钻操作，当下钻速度低(如以1m／s速度下放)，行程结束前提前4～5米就开始减速平稳刹住钻柱，冲击载荷很小，β＝1.5；如以高速(2m／s)下放，并在终点急刹车，冲击载荷较大，β＝2.5。钻井机械电子教案2.刹带两端的拉力刹带两段端拉力的关系：T=teua制动力与两端拉力的关系：T=t+Fb所以得：tmax=Fbmax/(eua-1)Tmax=Fbmaxeua/(eua-1)3.刹车杠杆传动比刹车杠杆指刹把、曲拐轴、曲拐连杆等构件，其作用是将刹把上的操作力放大若干倍以满足刹止钻柱时活端总拉力t的需要。（1）单杠杆刹车机构为：i=t/F=(l/r)·ηcosα/sin(α+β)(2-20)（2）双杠杆刹车机构为：i=t/F=(l/r)·ηb(cosα)/a[sin(α+β)](2-21)钻井机械电子教案图2-8单杠杆带刹车机构示意图钻井机械电子教案图2-9双杠杆带刹车机构示意图钻井机械电子教案刹车机构主要由制动部分(刹带1，刹车鼓2)、控制部分(刹把4)、传动部分(传动杠杆或称刹车曲轴3)、辅助部分(平衡梁6和调整螺钉7)、气刹车等组成。钻井机械电子教案刹车时，操作刹把4转动传动杠杆3通过曲拐拉曳刹带1活端使之抱紧刹车毅。刹把4同时转动司钻阀5以启动、调节气刹车8的气缸压力。气刹车对传动杠杆的作用与刹把相同，故起省力作用。钻井机械电子教案平衡梁6是用来均衡左右两刹带的松紧程度，以保证它们受力均匀。当刹车块磨损使刹带与刹车鼓之间的初始间隙增大，导致刹把刹止角过低时，可以通过调整螺钉，将刹带与刹车鼓之间的间隙调整到合适的初始间隙。钻井机械电子教案刹带由弹簧钢板制成，用带弹簧的螺钉挂在绞车外壳上，松开刹车时，弹簧使刹带均匀脱离刹车鼓;刹车块铆接在刹带上，它由耐热、耐磨，具有较大摩擦系数的石棉塑胶或石棉编制品压制而成。钻井机械电子教案通过上述分析，可以得出以下结论:1)带刹车的制动力矩与刹带和刹车鼓之间的围抱角和摩擦系数有关。对于采用单杠杆机构的带刹车，常采用较大的围抱角(如11π/6)。即使如此，在刹住最大钻柱时，也需很大的刹把力。2)采用双杠杆机构既省力，又安全。3)结构简单紧凑，便于维修。4)只能用于单向制动。5)活动端和固定端刹车块磨损不一致。钻井机械电子教案2.4.3液压盘式刹车的结构组成与工作原理目前国内外在用的石油钻机绞车上，广泛应用着带刹车系统。但由于带刹车系统的固有工作特性的限制，已不能充分满足深井和超深井作业和紧急状态下刹车的需要，例如:刹车力矩不足，性能不稳定，操作费力，刹车不灵敏，耐热衰减性能差等，致使