（机械工程专业论文）陆地自动化钻机的设计与研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：j i n gy uk a i s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gz u o l o n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 吣5删4 t 、 t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盎圣笠生日期：勘f f 年 ，月；日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：函，f 年月；日 日期：山if 年j 月弓归 ，：| l 摘要 随着我国钻机的发展，自动化钻机是陆地钻机的发展趋势。从钻杆的输送，到起下 再到钻杆的排放等，都可在操作室内完成，这样不仅简化了数据管理，减少了停工 ，而且大大的提高了钻机在钻进时的安全性。 本文针对自动化钻机的需要，设计一套具有井口机械化装备、钻杆输送、立根自动 排放机构以及自动送钻、起下钻的高自动化集成控制钻机，从而构建一个研究自动化钻 机集成控制的实验平台，为开展自动化钻机集成控制研究奠定基础。 文中利用机电液一体化技术、计算机三维建模技术和计算机仿真等技术，对陆地自 动化钻机进行机械结构设计，液电控制系统设计和元器件选型，对各个子系统液电控制 进行数字模拟仿真，研究解决钻机作业过程中，各子系统之间的协调控制问题，利用三 维建模技术进行自动化钻机的三维造型设计，将机械结构设计与驱动系统综合考量，并 结合实际钻机的驱动方案，对各功能模块进行合理布局和组合，完成自动化钻机整体方 案的设计。 根据最终确定的结构方案，提出合理的驱动控制方案，合理选择液压气动电动控 制元件，进而完成控制系统的设计及控制编程。利用仿真软件对液压控制系统和电器控 制系统进行建模仿真，根据仿真结果适当调整控制方案，集成控制研究构建一个实验研 究平台。 关键词：自动化钻机，集成控制，a m e s i m ，仿真 iif-lh 气 f o rt h en e e d so fa u t o m a t i cd r i l lr i g s ，t h i sp a p e rd e s i g nas e to fa t o pd r i v es y s t e m ，i r o n r o u g h n e c k s ，w e l l h e a dm e c h a n i c a le q u i p m e n t ，d r i l lp i p et r a n s m i s s i o n ，a u t oe m i s s i o n s i n s t i t u t i o n sa n dr o o t e df o ra u t o m a t i cd r i l l i n g ，d r i l lf r o mt h eh i g ha u t o m a t i o nd r i l l i n gr i g i n t e g r a t e dc o n t r o lm o d e lt ob u i l dai n t e g r a t e dc o n t r o lo fa u t o m a t e dt e s tp l a t f o r mr i g s ，f o rt h e b a s i so nc a r r y i n go u t i n t e g r a t e dc o n t r o lo fa u t o m a t i cd r i l lr i g s t h ep a p e ru s e dt h em e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ci n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ，c o m p u t e r3 d m o d e l i n ga n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n i q u e s ，o nt h el a n dd r i l l i n gr i gm e c h a n i c a ls t r u c t u r e d e s i g na u t o m a t i o n ，f l u i dp o w e rc o n t r o ls y s t e md e s i g na n dc o m p o n e n ts e l e c t i o n ，p o w e rc o n t r o l o f e a c hs u b - s y s t e ms o l u t i o nf o rd i g i t a ls i m u l a t i o n ，s t u d ya n ds o l v et h ep r o c e s so f d r i l l i n g o p e r a t i o n s ，c o o r d i n a t i o nb e t w e e nt h ev a r i o u sc o n t r o ls u b s y s t e m sf o rt h ea u t o m a t e dd r i l l i n g t e c h n o l o g y ，u s i n g3 dm o d e l i n gf o rt h ed e s i g no fa u t o m a t e dd r i l l i n gr i g ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e d e s i g nw i t ht h ed r i v es y s t e mi n t oc o n s i d e r a t i o n ，c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ld r i l l i n gr i gd r i v e r p r o g r a m ，o nt h er a t i o n a ld i s t r i b u t i o no f v a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e sa n dc o m b i n e dt oc o m p l e t e t h eo v e r a l lp r o g r a mo f d e s i g n i n ga u t o m a t i o nr i g a c c o r d i n gt ot h ef i n a ld e t e r m i n a t i o no ft h es t r u c t u r ep r o g r a m ，ip r o p o s ear e a s o n a b l e d r i v ec o n t r o ls c h e m e ，ar e a s o n a b l ec h o i c eo fh y d r a u l i c p n e u m a t i c e l e c t r i cc o n t r o ld e v i c e ， a n dt h e nc o m p l e t et h ec o n t r o ls y s t e md e s i g na n dc o n t r o lp r o g r a m m i n g u s i n gs i m u l a t i o n s o f t w a r et om o d e la n ds i m u l a t eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma n de l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m s ， a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，ia d j u s t e dc o n t r o lp r o g r a ma n di n t e g r a t e dc o n t r o lo f b u i l d i n ga ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c hp l a t f o r m k e yw o r d s ：a u t o m a t i cd r i l lr i g s ，i n t e g r a t e dc o n t r o l ，a m e s i m ，s i m u l a t i o n 1 l i 目录 l 据1 l ：1 1 2 2 国内研究现状3 1 2 3 我国钻机的发展方向5 1 3 论文的主要内容5 第二章机械系统设计7 2 1 装置主要参数7 2 2 机械结构设计7 2 2 1 钻台7 2 2 2 地面机械手15 2 2 3 钻杆输送系统18 2 2 4 自动排钻杆系统。31 第三章液压系统设计4 0 3 1 液压系统设计4 0 3 1 1 地面机械手回路4 1 3 1 2 底座回路4 2 3 1 3 旋转拧口系统回路4 3 3 1 4 固定手回路“ 3 1 5 上下机械手回路4 5 3 1 6 二层台机械手回路4 6 3 2 主要液压元件的选型4 7 3 2 1 地面机械手回路液压元件选型4 7 3 2 2 底座回路液压元件选型4 9 3 2 3 旋转拧口系统液压元件选型5 0 3 2 4 固定手回路选型51 3 2 5 上下机械手回路液压元件选型51 i i i 4 3 2 陆地自动化钻机系统p l c 程序5 9 第五章液压回路仿真6 0 5 1a m e s i m 仿真软件简介6 0 5 2 固定手回路建模与仿真6 1 结论6 3 参考文献。6 4 附录6 6 陆地自动化钻机控制程序梯形图6 6 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 1 致谢7 2 l 3 4 5 5 5 6 7 8 8 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 型 一 选 一 付 一 一 一 一c 一 医 一 一 一 亡l 一 满足国内石油勘探开发 一直以来，国产钻机的 品牌没有走出国门，市场仅限于国内，产品定位不高。但是随着我国加入w t o 和全球 石油能源紧缺的要求迫使我国必须实施走出国门，放眼全球的石油战略思想。因此，在 新世纪，我国石油装备制造业的目标不仅是满足国内市场的需求，还要参与国际市场竞 争，在此双重压力的作用下，我们要充分利用现有资源，尽快的发展自己，还应找出自 己与国外先进钻机制造装备的差距，弥补自己的不足，早日建立中国石油装备制造业在 国际市场的地位【l - 2 1 。 纵观我国石油钻机的历史，主要由4 个因素决定了它的发展：一是钻探深度( 地质 构造) ，它决定钻机的市场方向是浅井、中深井还是深井；二是钻机的有效使用年限， 它决定其更新或改造周期：三是从钻机的效率和效益出发，决定钻机的结构型式是橇装 还是车装，驱动形式是电驱动或是机械驱动。以现在我国现役石油钻机来看，在结构方 式上以橇装为主；在钻深上，浅井钻机、中深井和深井钻机兼而有之，以中深井钻机较 多；在驱动型式上以机械驱动为主。四是市场的有效需求，钻井的市场销量的好坏对钻 机的技术的发展起重要作用，它决定我国钻机市场的发展规模。 在2 0 世纪末，随着科学技术的发展，我国钻机制造技术得到了很大的提高，研发 的速度也得到了提升，并朝系列化、标准化、多样化方向发展，研制成功了一系列的机 械驱动钻机电驱动钻机，例如，6 0 l 型、6 0 d 型和6 0 d s 型，而且钻机的性能也有了长 足的进步，均达到了国际水平。我国钻机自主研发成绩斐然，钻机的驱动方式多样化， 不但有柴油机驱动还有a c s c r - d c 驱动，钻机模块化程度提高，并且研发了拥有自主 知识产权的浅钻机采用自走式运载车、伸缩式井架，不但提高了我国钻机对环境的适应 性，而且降低了钻机运移的成本，对我国钻机打开国外市场起到了有力的推动作用【3 4 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外的自动化钻机起步时间比我们较早，现在技术上比较成熟，下面介绍几种国外 1 第一章绪论 新型的自动化钻机。 1 轻型自动化钻井系统 英国石油公司与美国的石油公司共同研制了一种自动化钻井系统( l a d s ) ，来解决美 国阿拉斯加地区钻井中遇到的问题。这种钻井系统不仅具有高度灵活性，而且质量轻， 既可以在狭窄井场进行钻井作业，也可在钻井完毕后随时搬迁，不用在考虑路况的因素 【5 卅。与常规钻机相比，l a d s 具有以下优点： ( 1 ) 结构设计十分紧凑，装机后占地面积小，能适用于窄小的井场； ( 2 ) 质量轻、移运方便快捷，可以非常容易地通过一些复杂的路况，包括解冻的砂砾 路、狭窄的桥和冻土带等； ( 3 ) 机械化、智能化程度高，易于操作，能为使用者提供一个更安全、更清洁的工作 环境。l a d s 自动化程度高，操作员工坐在操作椅上便可控制钻机的所有功能，它的易 于操作性表现在可以根据不同的场况，编写不同的程序，例如，根据用户提出的应用要 求，研究人员可以编写具有不同功能的软件，例如用于集成式管材处理程序和控制管材 吊臂的软件等，通过在现场使用的情况，可以改进软件的功能，从而不断提高钻机的自 动化程度。 图1 - 1 可移动式自动化钻机 f i g l - 1t r a n s p o r t a b l ea u t o m a t i cd r i l lr i g 2 德国b e n t e c 公司研制的自动化钻机 德国b e n t e c 公司研制的自动化钻机的自动化程度很高，钻机的自动排放钻杆系统等 工作可以在操作室远程操作，操作室位于钻台的一侧，可以很清楚的看到整个钻井场地， 它的主要控制装置都安装在操作椅上，钻井工人可以舒服的坐在操作室内完成整个钻井 过程，在场地内配有电视监测系统，钻井作业所需的操作都编写成软件存入控制系统内， 由控制系统来按照既定程序来完成整个钻井过程【7 - 9 。 除了套管接头用自动胶带输送到钻井平台上以外，高低压隔水管、套管等管具系统、 2 图1 - 2 钻机的控制系统 f i g l 一2 c o n t r o ls y s t e mo f d r i l l 蹦铲 3 美国的现代钻机 为了促进h s e ( 健康、安全、环保) 的执行， 机称为f l e g r i g 。本钻机的设计具有以下特点： 带刹车被盘式刹车所取代，提高刹车能力， 以消除噪声污染； p l c 控制着所有的 和起下钻作业能在高 美国h & p 公司推出了一种新的陆地钻 增加游车静态性能，防止游车下降，可 转盘采用单独直流电机驱动，电机采用双速变速箱为了提高转矩和速度比； ( 1 ) 操作室增加更多的操作杆控制装置和电子控制装置，操作游车和猫头； ( 2 ) 增加自动送钻系统及游车控制系统。自动送钻系统可以使钻压保持稳定，从而提 高钻井效率，游车控制系统可使司钻控制游车速度，减少压力波动，防止吸入现象； ( 3 ) 使用9 7 0 k w 三缸钻井泵，可以减少液压元件的磨损，提高钻井效率与钻井作业； 此外，设置整体钻井液封拦装置，改善润滑系统环境，软管接头制作实现标准化， 可以使钻井液净化程度增高，有利于h s e 的实施。 1 2 2 国内研究现状 进入2 1 世纪以来，我国石油钻机的发展迅速，市场上的石油钻机无论品种还是质 3 第一章绪论 量基本上满足了国内钻井行业的需要，在国内一些区块的钻井中得到了认可，而且已经 有一部分钻机在国外进行服役【1 0 d 。随着国内市场的发展，钻机制造商根据自身的特点 和能力，逐渐行成了一定的产业布局，生产3 0 0 0 m 以下车装浅井钻机主要是江汉四机厂； 生产中深井钻机主要是兰州石油化工机器总厂、宝鸡石油机械厂、四川宏华公司等；生 产橇装模块式中浅井钻机主要是南阳石油机械厂。南阳石油机械厂在模块化钻机方面有 着一定的优势，它生产的钻机经过多井次的工业化实验，不断的改进。该厂生产的钻机 已经有2 0 多台在国外服役，其中和长城钻探合作生产的1 2 0 k 钻井已经在加拿大进行钻 井工作，得到了用户的好评【1 3 。1 4 l 。 加入w t o 后，钻机制造业与世界接轨，引进了许多外国先进的技术，包括先进的 顶驱技术和配套的软件，为我国石油钻机的发展推波助澜。在引进技术的同时，钻机制 造商还与科研院校合作，利用高校的科研资源，共同开发新型设备，例如南阳石油机械 厂与石油大学( 北京) 合作的盘式刹车技术已应用于3 0 0 0 m 钻机，并投放到胜利油田及墨 西哥市场【”j 。 但是我国钻机比国外的钻机还存在一定得差距，研发进程滞后，还应该大力地和石 油高校进行合作，充分利用科研资源，另外，机械化、自动化、智能化水平还不是很高， 这样既阻碍了钻井速度和井身质量的提高，同时也影响我国钻机制造业在国际市场上的 竞争力。 图l - 3 现役钻机 f i g l - 3 a c t i v ed r i l lr i g s 4 中国石油大学中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 2 3 我国钻机的发展方向 1 我们要正确的认识国内石油钻井装备制造业，在新的世纪里，我们的目标不单是 国内市场的需求，还要面向国际市场，让“中国制造 的钻机在更多的国外区块钻井作 业。 2 国家应专门建立一个用协调石油钻机行业的部门，这个部门的职责是从市场需求 出发，以国内油气藏条件为基础，集中优势，统筹安排，把钻机发展所需要的因素，如 科研、市场、计费等按照能力分配好，制定石油钻机的发展规划1 6 1 。 3 建立一套完整的钻井装备研发体系，集科研、生产、应用相结合，合理分配资源， 促进我钻井装备的发展。国内科研院所因为没有企业依托，虽然有较强的研发能力，但 是因研究经费不足，阻碍了对相关技术的研究和发展；制造企业虽有生产能力但研发能 力不足，现场因素考虑不足，产品有时无法解决现场出现的问题；作业单位对钻井技术 的发展及现场遇到的问题非常了解，但自身解决问题的能力有限，无法快速的解决问题。 如果采取一定的方式把三方面的优势有机结合在一起，统一协调，相互配合，将会大大 促进我国石油钻机制造业的发展。 4 应合理使用国内市场资源，国内市场销量提高将会带动钻机制造水平的提高。我 国的几大钻机制造商基本都由中石油和中石化两家公司控制，集团公司应大力扶持本土 石油钻机的产业化的发展，引进技术的同时，使本国钻机制造商吸收、消化，进而研发 出拥有自主知识产权的钻机，行成一种良性循环，这样就可以大大加快我国自动化钻机 的步伐，使我国的自动化钻机水平达到一个新的高度【1 7 1 。 5 重视与主机相配套的辅机和基础部件的研制开发，提高钻机成套生产的能力。 6 培养高素质石油钻机专门人才，这是我国石油钻机快速发展的根本。 1 3 论文的主要内容 针对自动化钻机的需要，设计一套井口机械化装备、钻杆输送、立根自动排放机构 以及自动送钻、起下钻的高自动化集成控制钻机，从而构建一个研究自动化钻机集成控 制的实验平台，为开展自动化钻机集成控制研究奠定基础。 文中利用机电液体化技术、计算机三维建模技术和计算机仿真等技术，对陆地自 动化钻机进行机械结构设计，液电控制系统设计和元器件选型，对各个子系统液电控制 进行数字模拟仿真，研究解决钻机作业过程中，各子系统之间的协调控制问题，利用三 5 第一章绪论 维建模技术进行自动化钻机的三维造型设计，将机械结构设计与驱动系统综合考量，并 结合实际钻机的驱动方案，对各功能模块进行合理布局和组合，完成自动化钻机整体方 案的设计。 根据最终确定的结构方案，提出合理的驱动控制方案，合理选择液压、电动控制元 件，进而完成控制系统的设计及控制编程。利用仿真软件对液压控制系统和电器控制系 统进行建模仿真，根据仿真结果适当调整控制方案，集成控制研究构建一个实验研究平 台。 6 计软件s o l i d w o r k s 设 的功能； ( 3 ) 钻机自动起下钻功能； ( 4 ) 井口实现自动化，替代井口工人。 2 1 装置主要参数 整个陆地自动钻机的原型参数为7 0 d 陆地钻机的参数： 钻台高7 5 m ； 井架高4 5 m ； 最大钻柱纵= 2 2 0 0k n ； 最大静载荷：q 一= 4 5 0 0 k n 。 2 2 机械结构设计 2 2 1 钻台 钻台是按照陆地钻机7 0 d 钻机的参数设计的，立于钻台上的井架为前开口井架，从 大腿销孔中心至天车梁下平面垂直高度计算，井架高度4 5 m ，通体为工字钢和角钢焊接 而成，在焊缝连接处有连接护板，保证了井架的强度和刚度。 井架的强度和刚度对陆地自动化钻机至关重要，因此，运用有限元分析软件a n s y s 对其进行了强度、刚度和抗风载能力的计算，如下： 一、钻机井架静力分析内容 根据相关设计技术资料和参数，严格按照最新a p is p e c4 f 标准( 2 0 0 8 年7 月1 日， 第3 版) 设计载荷要求，进行组合载荷设计计算。新a p l 4 f 标准载荷组合设计见下表 1 - 1 所示，其中环境载荷只考虑风载。 根据最新a p is p e c4 f 标准( 2 0 0 8 年7 月1 日，第3 版) ，井架风载的最小设计风 速见下表2 1 所示。 7 第二章机械系统设计 表2 - 1 最小设计风速m s ( 节) t a b l e2 - 1m i n i m u m d e s i g ns p e e do f w i n d 陆地海洋 作业和安装突发预期作业和安装突发预期 有绷绳轻便井架 1 2 7 ( 2 5 )3 0 7 ( 6 0 )3 8 6 ( 7 5 )2 1 6 ( 4 2 )3 6 ( 7 0 )4 7 8 ( 9 3 ) 无绷绳轻便井架 1 6 5 ( 3 2 )3 0 7 ( 6 0 )3 8 6 ( 7 5 )2 1 6 ( 4 2 )3 6 ( 7 0 )4 7 8 ( 9 3 ) 塔形井架 1 6 5 ( 3 2 )3 0 7 ( 6 0 )3 8 6 ( 7 5 )2 4 7 ( 4 8 )3 6 ( 7 0 )4 7 8 ( 9 3 ) 根据a p is p e e4 f 标准，对z j 7 0 4 5 0 0 l d b 钻机井架应做以下相关计算分析。 1 作业环境( 风速1 6 5 m s ) 、满钩载、满立根载荷下井架的强度计算分析 符合甜 a 一_ 1 1 - i 也谧： o 危ca 智，山e 、二，1 上 喜x 趔：1 一哺1 ， 1 1 4 f 标准( 2 0 0 8 年，第3 版) 设计载荷工况2 】； 3 突发风暴( 风速3 0 7 m s ) 、满立根、无钩载时井架的强度计算分析【符合a p is p e e 4 f 标准( 2 0 0 8 年，第3 版) 设计载荷工况3 a ； 二、z j 7 0 4 5 0 0 l d b 钻机井架主要技术参数 1 最大静载荷：= 4 5 0 0 k n ；最大钻柱= 2 2 0 0 k n ； 2 恒载：井架自重：1 0 3 7 0 3 k n ；天车自重：1 0 0 8 1 k n ；二层台自重：5 0 4 6 8 k n ； 游车自重：8 1 3 5 k n ；大钩自重：3 5 k n ；顶驱自重：9 0 k n ；钢丝绳自重：6 6 k n 。 3 井架工作高度：4 5 m ：井架高度：大腿销孔中心至天车梁下平面垂直高度：5 3 5 m 。 4 游动系统：6 7 ( 游车轮数天车轮) ； 5 二层台高度：2 6 5 m 、2 5 5 m 、2 4 5 m ；二层台容量：1 2 7 m m 钻杆、2 8 m 立根、7 0 0 0 m 。 三、z j 7 0 4 5 0 0 l d b 钻机井架计算模型的建立 井架模型共2 1 6 个节点，其中四个固定铰支点，划分3 9 4 个单元。 i 1 整体坐标系下的各节点坐标值 。 由工程图提供，直接通过a n s y s 有限元分析软件的前处理建立。利用活动坐标建 立节点、单元，变成轴侧视图，进行立体操作。 2 材料性质 弹性模量：e = 2 1 1 0 5 n r a m 2 ( 2 1 e lln m 2 ) 钢件密度：7 8 5 0 k g m 3 泊松比：o 3 3 构件的几何形状 8 ( 华东) 硕上学位论文 4 和p i p e l 6 单元，既承受轴向力又承受 ( s o l u t i o n ) 处理项来完成。 ( 一) 加约束 约束作为有限元解的边界条件，在a n s y s 有限元分析软件中，是作为位移载荷来 处理。包括三个位移约束和三个转动约束，分别为：u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 、 r o t z 。 ( 二) 加载荷 横梁各节点可能有均布载荷；集中载荷f x 、f y 、f z 、m x 、m y 、m z ；重力载荷： z 向重力加速度9 8 。 1 恒载 井架自重：1 0 3 7 0 3 1 ( n ： 天车重量：g 天车= 1 0 0 8 1k n ； 二层台自重：g 二台= 5 0 4 6 8k n 游动系统重量：g 游= g 顶驱+ g 钩+ g 游车+ g 绳= 9 0 + 3 5 + 8 1 3 5 + 6 6 = 2 7 2 3 5 k n 2 恒载分配 井架自重通过建模命令流中定义重力加速度直接载入计算中，由系统自动加载； 游动系统重量、天车重量平均分配到井架顶端的4 个节点上； 二层台和二层台悬吊重均分到二层台架体各相关节点上。 3 工作载荷 最大静载荷( 最大钩载) q 一= 4 5 0 0 k n ； 额定载荷( 最大钻柱重量) 纵= 2 2 0 0k n ； 工作绳垂直拉力： 一=掣=下2x(4500+27235)=7954kn； 9 第二章机械系统设计 = 孕= 1 2 x2 7 广2 3 5 = 4 5 4 k n ； 立根载荷 立根自重产生的垂直载荷和水平载荷组成了立根载荷。钻机的底座上有垂直载荷， 井架二层台的指梁上有水平载荷，指向二层台的两侧，立根排放示意图见下图2 1 所示。 立根对井架的水平力计算：珞水平= 去g ，刀- a g o ； 二层台容量：钻杆直径以1 2 7 m m ，q = 3 6 k g m ，立根2 8 m ，总立根7 0 0 0 m ，2 5 0 根立根。 ，= 2 8 m ：秒= 8 7 0 ； 水平2 寺3 6 9 8 2 8 2 5 0 c t 9 8 7 。= 6 4 7 1 k n ： 4 工作载荷分配 井架顶端4 个节点上平均分配有最大钻柱重量或最大钩载； 井架顶端4 个节点上还近似分配有工作绳垂直作用力； 二层台的指梁对应节点上平均分配有立根水平靠力。 5 自然载荷 分析本井架时，只考虑自然载荷即风载，不考虑由地震和温度所产生的载荷，考虑 井架承载情况下，前面支腿的应力最大，载荷加在井架的背面，即按照最恶劣工况计算。 五、z j 7 0 4 5 0 0 l d b 钻机井架有限元计算结果 ( 一) 二层台在自重的基础上额外增加1 t 重量。 1 计算工况之一 “作业环境( 风速1 6 5 m s ) 、满钩载、满立根载荷下井架的强度计算分析 井架顶部承载： q = q k + 9 天车+ g 游+ p 巍= 4 5 0 0 + 1 0 0 8 1 + 2 7 2 3 5 + 7 9 5 4 = 5 6 6 8 5 6 k n ： 该工况下，井架应力图如图2 1 ，变形图如图2 2 ，最大应力位于井架主力柱5 4 号 单元，最大应力值为1 9 4 m p a ，材料为q 3 4 5 - b ，屈服极限值为盯，= 3 4 5m p a ，安全系数 为1 7 8 ，大于a p i 规定的安全系数为1 6 7 的要求。 1 0 图2 - 1 井架应力云图 f i 9 2 - 1s t r e s sd i a g r a mo fr i g 图2 - 2 井架变形云图 f i 9 2 - 2d e f o r m a t i o nd i a g r a mo fr i g l l 5 4 号 单元，最大应力值为8 0 3 m p a ，材料为q 3 4 5 - b ，屈服极限值为仃，= 3 4 5m p a ，安全系数 为4 3 0 ，大于a p i 规定的安全系数为1 6 7 的要求。 图2 3 井架应力云图 f i 9 2 - 3s t r e s sd i a g r a mo fr i g 1 2 图2 - 4 井架变形云图 f i 9 2 - 4d e f o r m a t i o nd i a g r a mo fr i g 3 计算工况之三 “突发风暴( 风速3 0 7 m s ) 、满立根、无钩载时井架的强度计算分析 q = g 天车+ g 游+ p 绳= 4 1 8 5 6 k n ： 该工况下，井架应力图如图2 5 ，变形图如图2 - 6 。最大应力位于井架主立柱5 4 号 单元，最大应力值为1 0 1 7 m p a ，材料为q 3 4 5 b ，屈服极限值为仃。= 3 4 5m p a ，安全系 数为3 3 9 ，大于a p i 规定的安全系数为1 6 7 的要求。 1 3 图2 - 5 井架应力云图 f i 9 2 - 5 s t r e s sd i a g r a mo f r i g 图2 - 6 井架变形云图 地面机械手是自动化钻机的重要组成部分，无论是立根的接成还是钻具的提升，都 需要机械手来完成，它是整个动作的开始部分。它主要由夹紧手、摆动缸、拉动油缸、 拉动油缸支座、曲形摆臂和机械手底座组成。在我国大部分地区，无论是钻进时向钻台 输送钻杆，还是钻井完毕后，从钻台卸下钻杆，都是用钻井工人来完成，效率低，危险 性大，对工人的身体容易造成伤害。地面机械手可以替代传统上用人力来装卸钻杆的弊 端，节省了大量的人力资源，而且增加了安全性。 2 3 4 5 6 图2 - 7 地面机械手 f i 9 2 - 7m e c h a n i c a la r mo nt h eg r o u n d l - 曲形摆臂：2 拉动油缸；3 夹紧手；4 摆动缸；5 拉动油缸支座；6 机械手底座 抓取钻杆是由两部机械手为一组，如图2 8 ( b ) ，同时协调完成工作。工作时，先 由摆动缸把夹紧手摆送到适当的位置如图2 8 ( a ) 所示，调整拉动油缸，把夹紧手的角 度调整合适，使钻杆处于夹紧手内部，然后夹紧手的三个油缸伸出，将钻杆紧紧抓住。 抓紧后，达到指定的压力，机械手上的压力力传感器发出信号，两个机械手同步动作， 将钻杆向后摆起，直到摆动到如图2 8 ( b ) 的位置，拉动油缸动作，调整夹紧手的角度， 15 第二章机械系统设计 位置传感器发出信号，然后下落到底座上，停止摆动，最后夹紧手上的三个油缸同步 回，把钻杆放开，机械手沿原动作的相反顺序返回，这样送钻杆的动作就完成了；将 杆接到料架上的动作与送钻杆的动作相反，机械手先把钻杆在底座上夹紧，摆动缸将 杆摆动至料架一侧，当摆动到指定位置，传感器发出信号，停止摆动，机械手松开， 杆落在料架上。 2 ( a ) 图2 - 8( a ) ( b ) 为机械手工作图 f i 9 2 - 8 m e c h a n i c a la r mi nw o r k 3 4 图2 - 9 夹紧手 f i 9 2 - 9c l a m p i n gh a n d 1 油缸；2 侧夹紧牙；3 中间夹紧牙；4 连接板 夹紧手由三个油缸、三个夹紧牙和连接板组成，其主要作用是在机械手摆动时夹紧 钻杆，两侧的夹紧牙主要是防止钻杆向外滑出，中间夹紧牙主要是推紧钻杆，防止其晃 动。 2 受力分析及关键部件的计算 在摆动过程中，曲形摆臂的强度和刚度至关重要，因此，对曲形摆臂进行了受力分 1 6 中国石油大学中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 析和校核。 ( 1 ) 机械手与曲形摆臂连接处受力分析 当摆臂摆到水平位置时，摆臂所受到的力最大，若此时能满足使用要求即可，受力 分析如图2 1 0 所示，g = 2 2 0 0 n ，可得 f = g 宰c o s 7 0 。= 2 2 0 0 0 3 4 2 = 7 5 2 4 4 n ： = g s i n 7 0 。= 2 2 0 0 毒o 9 4 = 2 0 6 7 3 2 n ： 式中，g 一机械手和钻杆二分之一重量之和； 卜拉动油缸的拉力； n - 一曲形摆臂的支反力； 6 图2 1 0 机械手受力分析图 f i 9 2 - 1 0 f o r c ea n a l y s i so fm e c h a n i c a la r m ( 2 ) 曲形摆臂的校核 经分析可知，曲形摆臂的的主要受力为前端夹紧手处的压力，其他的力在此忽略不 计，由s o l i d w o r k s 自带的应力分析软件进行分析，分析结果如下： 嚣：嚣：慧笔。，。 嚣器黯聃 k ： 图2 n 曲形摆臂应力图 f i 9 2 - 1 1 s t r e s sd i a g r a mo fs w i n ga r m 1 7 - i l l m e 恤h m 燃罴 嵯 i ：= ：= ： l e i t h ，并h 删 2 2 3 钻杆输送系统 x 0 7 n m 2 ，屈 钻杆输送系统是陆地自动化钻机的重要组成部分，此系统的主要功能是实现了把钻 杆在地面上从单根接成立根，再把立根从地面输送到钻台的功能。 现役钻机的钻杆输送基本上都是单根输送，输送时，钻井工人先将钻杆抬到输送架 上，然后由天车顺下钢丝绳，套住钻杆的接箍之后，将钻杆起升到钻井平台上，由钻井 工人推动单根至小鼠洞位置，顶驱的吊环前摆，卡瓦夹住钻杆的接箍处，由顶驱完成上 扣，之后进行钻进。 钻井完毕后，钻杆以立根的形式存放在钻杆盒内，顶驱将钻杆起升n - 层台的高度， 吊环前摆，将立根送到钻井工人可接到的位置，在平台上的钻井工人先推动立根至钻井 平台的钻杆盒内，然后钻井工人用绳索将立根上部套住，吊卡松开，钻井工人将立根拉 到二层台的相应的指梁之间。 中间排放立根的过程全是由钻井工人完成的，这样的钻杆进给和排放方式不但危险 性高，而且是单根进给，效率低下，大大地限制了钻进的速度，影响钻采效率。 钻杆输送系统可以在地面上将单根接成立根，再由二层台机械手自动排放n - 层台 钻杆盒内，避免了钻井工人高空作业的危险，大大提高了工作安全性和工作效率，很有 实用价值。 钻杆输送系统是由起升架、底座、底部拧口系统、上下机械手和滑轮系统组成。起 升架初始时平放在底座上，起升后如图2 1 2 所示，底部拧口系统在起升架的正下方， 机械手位于起升架内，通过起升架顶端的小天车来上下移动。 钻杆输送系统的工作过程：输送钻杆时，先由地面机械手将钻杆移动到底座上，之 后底座底部油缸缩回，接触到钻杆后，传感器发出信号，锚头上的小摆动马达转动，使 锚头上的盖板扣住钻的接箍，可防止钻杆在移动过剩中滑出轨道。然后油缸带动锚头推 动钻杆，直到移动到底座的指定位置，位移传感器发出信号，起升架内下机械手动作， 夹紧钻杆，然后底部的卷扬机启动，下机械手带动钻杆上升。 当上升到一定高度后停止，上部机械手开始下降，抱住钻杆后，下部机械手松开， 上机械手上升至指定位置，下机械手退回到原始位置，再带动一根钻杆上升，等到钻杆 1 8 中国石油大学中国石油大学( 华东) 硕：l 二学位论文 竖直后下降，将钻杆接箍放到完全没入底部拧口系统中，上机械手下降，直到两根钻杆 的接箍接触好后，上机械手停止，固定器将上部机械手固定好，这样可以把反扭矩传递 到起升架上；底部拧口系统将下面的钻杆夹紧，下部机械手松开到一定程度后，下降到 钻杆中部，起扶正作用，拧口系统开始旋转，将两根钻杆接在一起。 接好后，、上机械手上升，下机械手再带动第三根钻杆，重复接第二根钻杆的过程， 最后按同样的步骤把三根钻杆接成立根。由立根拆成单根时的工作顺序和接立根时的顺 序相反，当卸扣时，钻杆底部没入拧口系统中，下机械手在立根的最下面一根的接箍处 扶正，上机械手夹紧中间一根，这样就可以安全卸扣了。 2 3 图2 1 2 钻杆输送系统 f i 9 2 - 1 2d r i l lp i p et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m 1 起升架；2 底部拧口系统；3 底座；4 滑轮系统；5 上机械手；6 下机械手 1 9 第二章机械系统设计 1 起升架 起升架是由两套井架组成，底部起升架高1 2 m ，长宽均为1 7 m ，上部起升架高为 1 2 m ，长宽均为1 3 m ，起升后总高在2 1 m 左右，如图2 1 3 。 起升架设计为后开口桁架。即面向钻台的一侧为开口方向，在面向钻台的一侧，除 了为上下机械手滑动焊接的滑轨外，没有横梁，这是因为立根接成后，将会在这一侧被 二层台机械后提升至钻台。为了保证起升架的稳定性，它的前面和两侧都焊接后加固的 斜撑。起升架通体由矩形钢管和钢板焊接而成，重要的结合处都有护板连接，保证了起 升架的强度和刚度。 起升架为完成立根接送提供支撑，它上面安装有滑轮系统和轨道，为上下机械手提 供工作的空间和支架。在起升架的上架和下架上有配合使用的起升滑轨，方便起升，在 上架和下架的正面都安装有给上下机械手滑动用的滑轨，在接立根时，也可以固定机械 手，将反扭矩传动到起升架上。 当钻杆输送系统不工作时，上起升架置于下起升架内，平放于底座上；当需要输送 钻杆时，其动作顺序如下： 首先，底座两侧的油缸伸出，将起升架推起，待起升到竖直，用销子将下起升架固 定好，待起升用的钢丝绳挂在上起升架的吊钩上之后，两侧的卷扬机开始工作，钢丝绳 通过安装在下起升架上的滑轮收起，此时里面的上起升架丌始沿轨道上升，当到达指定 的起升高度后，在上起升架底部安装的起升架固定手工作，工作油缸伸出，固定手放平， 卷扬机反转，使上起升架微落，将固定手搭接在下起升架上，起升架安装完毕之后，将 钢丝绳卸下，固定手牢固地将上面的起升架固定。 起升架收起时，动作顺序与起升时相反，钢丝绳穿过下架上的滑轮，钩住上起升架 的吊钩，卷扬机丌始工作，先向上起升一段距离，待固定手与下架脱离后，停止起升， 固定手油缸缩回，扣爪摆起之后，再使上架下落，待下落完毕后，收起钢丝绳，拔出固 定下架的销子，起升油缸缓缓回落，待起升架放平后，起升架拆卸完成。 2 0 中国石油大学中国石油大学