第二章钻机起升系统(第一讲).ppt

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,学习目标,1.理解起升系统的作用2.了解井架型号、井架的基本组成3.掌握天车的结构4.掌握钻井绞车的组成5.掌握液压盘式刹车的结构组成与工作原理6.辅助刹车的有哪些类型,重点：绞车的组成难点：液压盘式刹车的结构组成与工作原理,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。它主要由井架钻井架、天车、游车、大钩、游动系统钢绳、绞车和辅助刹车等设备组成。起升系统的作用主要是起下钻具、下套管、控制钻头送进等。,2.1井架,井架是一种具有一定高度和空间的金属桁架结构。井架是钻采机械的重要组成部分。它在钻井或修井过程中，用于安放天车，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。因此，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。,2)有足够的工作高度和空间，足够的钻台面积。工作高度大，起下立根长度长，速度快，可节省时间。井架上下底应有必要的尺寸，以安装天车，并保证起下操作时游动系统设备畅行无阻；便于在钻台上布置设备，安放工具，方便工人操作，使司钻有良好的视野。,3)应保证拆装方便，安全，移动迅速。为此，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。,2.1.1概述1.井架的基本组成及功用1）井架的功用主要用于安放和悬挂天车、游车、大钩、吊环、液气大钳、液压绷扣器、吊钳、吊卡等提升设备与工具，以及起下、存放钻杆，并需承受井中钻柱重量。2）井架的基本组成石油场矿用的各种井架主要由以下几部分组成：（1）井架本体1：空间桁架结构；（2）天车台5：安置天车和天车架；（3）天车架6：安装、维修天车；（4）二层台4：包括井架工进行起下操作的二层台，以及存靠立根的指梁；（5）立管平台2：装拆水龙袋的操作台；（6）工作梯3。,2.1.1概述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。,主要技术参数（1）钻台高度9m(30ft)（2）钻台面积12.5m12.3m(41ft40.4ft)（3）转盘梁底面高度7.7m(25.3ft)（4）井口中心至滚筒中心线距离3.76m(12.3ft)（5）转盘最大载荷3150kN(700,000lbs)（6）额定立根盒容量（41/2“钻杆、28米立根）180柱(180STANDS)（7）转盘最大载荷与额定立根载荷的最大组合：（8）额定立根载荷1800kN(400,000lbs),JJ/-,井架代号,最大钩载，以10KN为单位计,井架有效高度,井架型式：T-塔形井架；K-前开口井架；A-A形井架；W-桅型井架,改进序号：用阿拉伯数字表示,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,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：(1)塔形井架；(2)前开口井架；(3)A形井架；(4)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。,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。,(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。,用于海上钻机,2.前开口井架前开口井架亦称为形井架，如图所示。其主要结构特征是：1)整个井架主体是35段焊接结构组成。段间采用锥销定位和螺栓联接。,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。,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(即形)的不封闭空间结构，其整体稳定性较塔形井架差而较A形井架优。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。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。如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1560)都可以配置此类井架。,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。,两个大腿都是由35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。由于两腿间联系较弱，致使井架整体稳定性较差。,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。,4桅形井架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。,伸缩式井架,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。,2.1.3典型自升式井架简介JJ450/45-K4、JJ300/43-A和JJ225/43-KC1三种井架的结构特征、现场安装拆卸和起升方法及规程。2.1.4井架的维护和保养井架的润滑、维护保养的要点和规程，以及注意事项。,2.2钻机的游动系统,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。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56”，即表示游车轮数为5，天车轮数为6。游动系统67，表示天车有7个滑轮，游动滑车有6个滑轮的系统结构。,1游动系统命名,游动系统名称：用YX或游动系统表示,游车滑轮数目：用阿拉伯数字表示,天车滑轮数目：用阿拉伯数字表示,第二章钻机主要设备的使用,2天车、游车、大钩的型号-,产品名称代号：TC-天车；YC-游车；DG-大钩,产品级别：以10KN为单位计的最大钩载,变型序号：用阿拉伯数字表示，原型不标,2.2.2游动系统钢丝绳与滑轮力学分析1.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2-1所示，设V为大钩速度，V1V6为各段钢绳速度，Vf和Vd为快绳和死绳速度，Z为有效绳数，D为滑轮直径,V和n为天车滑轮旋转的线速度和转速。,图2-1游动系统运动和钢丝绳拉力分析图,a,则钢绳速度依次为：Vf=V1=6V=ZV;V2=V3=4V;V5=V4=2V;V6=Vd=0（2-1）天车滑轮速度依次为：V1=ZV，n1=60ZV/(D);V2=4V，n2=604V/(D);V3=2V，n3=602V/(D);V4=0，n4=0（2-2）,由上述分析及(2-1)和(2-2)式可见：其一，在起下钻过程中，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，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。其二，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磨损愈严重。,因此,当对天车、游车进行检修时应将其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。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。,2.动力分析三种工况：大钩悬重静止、大钩起升、大钩下放。如图2-1所示，设：Qs，s为起升时游动系统起重量和效率；Qh为钩载；Gs为游动部件常量；Ff，F1，F2，Fz，Fd为快绳、各游绳和死绳的拉力；Qs，s为下钻时游动系统起重量和效率；Ff，F1，F2，Fz，Fd为下钻时快绳、各游绳和死绳的拉力。1）当大钩悬重静止时，各段游绳拉力相等，即：Ff=F1=F2=Fz=Fd；Qs=Qh+Gs=F1+F2+Fz=ZFf；Ff=Qs/Z（2-3）,在大钩起升和下放时，钢绳处于运动状态，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。2）当大钩起升时，有：FfF1F2FzFd设为一个绳轮的效率，则快绳拉力为Ff=Qs(1-)/(1-z)（2-4）游动系统效率为：s=(1-z)/Z(1-)（2-5）可见，有效绳数越多，游动系统效率越低。,3）当下钻时，有：FfF1F2FzFd则快绳拉力为Ff=Qsz(1-)/(1-z)（2-6）游动系统效率为：s=Zz(1-)/(1-z)（2-7）由上述分析可见，在起钻和下钻时各游绳拉力是不同的，其中起钻时快绳拉力为最大。当Z相同时可取ss，即：s=s=（z+1）/2（2-8）,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,2.2.3天车天车是安装在井架顶部的定滑轮组(见图2-2)。,天车主要由天车架、滑轮、轴承、轴承座和辅助滑轮等零部件组成。,（1）天车架由钢粱焊接的矩形框架，采用整体焊接结构。用以安装天车滑轮轴并与井架顶部相连接（如下图所示）。,（2）主滑轮总成：主滑轮总成由主轴、支座、滑轮、轴承等组成。每个滑轮内均装有一付内圈带油孔的轴承，轴端设有给每个滑轮加注润滑脂的M101黄油嘴，可方便地向轴承内加注润滑脂。在滑轮外缘装有挡绳架，可防止钢丝绳从滑轮槽内脱出,并给主滑轮总成安有护罩。（3）导向滑轮总成导向滑轮总成由轮轴、支座、滑轮、轴承等组成。轴端装有一个M101黄油嘴，可方便地向轴承内加注润滑脂。在支座上装有挡绳架，可防止钢丝绳脱出滑轮槽。（4）辅助滑轮总成天车上装有4组辅助滑轮，滑轮轴端均装有M101黄油嘴。辅助滑轮总成可分别用于两台气动绞车起吊重物、钻杆及悬吊液压大钳。,1.天车的结构特点三种基本结构形式：（1）滑轮轴共轴线，并且各滑轮相互平行；即可采用顺穿法，又可采用交叉法穿绳（2）滑轮轴线平行，快绳滑轮在另一根轴上；只能采用交叉法穿（3）绳滑轮轴不共轴线，并且快绳滑轮偏斜。只能采用顺法穿绳,TC-350天车、TC-350天车结构相同，主要由天车架、滑轮组和辅助滑轮等组，成均属于滑轮轴线平行天车。因快绳滑轮在另一根轴上，且位于两组滑轮中间，所以只能采用交叉法穿绳。TC-350天车主要配备于ZL45J和ZJ45钻机，TC-350天车主要配备于ZL32L和ZJ402250L钻机。,图2-2TC-350天车,TC-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2-2TC-350天车,TC315-10天车外形图,铭牌挡绳架导向轮总成主滑轮总成挡绳架护罩围栏天车架防碰梁总成支座支座起重架挡绳架登梯助力短节避雷针座辅助滑轮辅助滑轮安全绳捞砂轮总成挡绳架螺栓M12X25-8.8-Zn.D垫圈12螺栓M24X120-8.8-Zn.D螺母M24-8-Zn.D薄螺母M24-5-Zn.D开口销5X36-Zn.D螺栓M24X140-8.8-Zn.D标牌用钉3X10,TC315-10天车示意图,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。1)天车基本参数,2)主要技术参数型号TC315-10大钩钩载3150kN适用钢丝绳直径32mm(11/4)主滑轮外径1270mm(50)导向轮外径1524mm(60)主滑轮数6个导向轮数1个捞砂绳直径14.5mm辅助滑轮外径400mm辅助滑轮数4个辅助滑轮适用的钢丝绳直径19mm(3/4)外形尺寸（长宽高）3325mm2775mm2320mm理论重量8540kg配套井架型号JJ315/45-K9井架,3.天车的维护保养（1）检查各滑轮转动是否灵活，有无阻滞现象，以一个人用手指能自由旋转为宜。当旋转任一滑轮时，其相邻滑轮不应随着转动。（2）检查各螺母是否松动，防止螺丝松动用的开口销、铁丝是否装配牢固。在解卡、顿钻等重大事故后，要仔细对天车进行全面检查。（3）检查护架、栏杆是否可靠，管座上的焊缝有无碰裂现象。,（4）要按规定时间用1、2号锂基润滑脂对各滑轮轴承进行润滑。（5）检查各润滑轴承的温升，不得大于50。（6）应定期用检查滑轮槽磨损的量规对滑轮槽测量，测量滑轮槽的槽宽和深度，当滑轮槽产生偏磨或严重磨损时，应将滑轮倒换180使用或更换滑轮。,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。(见图23),图2-3YC-350游车,图2-2，2-3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11/4in，138in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。,1游车的组成游动滑车与天车、大钩、水龙头、吊环等配套使用。在钻井过程中，主要用于悬吊和起下钻柱杆、更换钻头、下套管等作业。主要由吊梁、滑轮、滑轮轴、左侧板组、右侧板组、侧护板、提环、提环销等组成。吊梁通过吊梁销连接在侧板组的上部，吊梁上有一吊装孔，用于游动滑车的整体起吊。,游车结构原理,YC315游动滑车,YC315游动滑车是钻机ZJ40DB的重要配套部件。YC585游动滑车是钻机ZJ70DB的重要配套部件。,主要技术规范型号YC315最大钩载3150kN(350tons)滑轮数5滑轮外径1270mm(50)钢丝绳直径32mm(11/4)外形尺寸(长宽高)26591350700(mm)理论重量5045kg(11120lbs),.游车基本参数,使用、维护与保养游动滑车在工作期间应经常仔细检查以下各项：（）轴承在使用前及工作期间是否按规定加注好润滑脂。轴承应每周加注两次ZL-3锂基润滑脂。（）轴承应运转正常，无任何异常噪音。轴承温升不得大于40,最高温度不超过70。（）在使用过程中，轴承发出噪音及由不平稳运动造成的滑轮抖动，是双列圆锥滚子轴承间隙增大造成的。轴承因润滑不当会导致磨损的加剧。滑轮不稳和抖动会降低钢丝绳的寿命。为了避免事故，应及时更换磨损了的轴承。,（）滑轮转动是否灵活，有无阻滞现象，正常情况下，转动滑轮其两侧的滑轮不应转动。（）如果侧护板变形会影响滑轮的正常转动，应按要求校正侧护板的形状。（）如果滑轮边缘破损，钢丝绳就可能跳出滑轮槽，使钢丝绳发生剧烈跳动，损坏钢丝绳，所以在这种情况下应及时更换滑轮。,（）滑轮槽表面如果产生波纹状的沟槽，则滑轮组启动或制动时，会对钢丝绳起挫削作用而造成严重磨损。发现这种危险迹象时，应将轮槽重新车光或更换滑轮。在更换滑轮时，应落实新滑轮的材质是否满足承受预定负荷足够的强度。（）滑轮槽形状对钢丝绳寿命有很大影响定期用量规对滑轮槽进行测量。,2.2.5大钩大钩悬挂在游车下面。大钩按减震形式分为：单弹簧减震大钩，单弹簧减震加液压减震大钩，双弹簧加液压减震大钩。,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。,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。,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；重型钻机大多采用此大钩。另一类是游车大钩，游车和大钩为整体结构，二者不能分开。轻型钻机采用此结构.DG-350大钩如图2-4所示，主要配备于ZJ45级钻机。,图2-4DG-350大钩,大钩结构及工作原理,大钩是起升钻具的重要设备，由钩身、杆、筒体、提环、止推轴承及弹簧组成，钩身能转动，钩口和侧钩有闭锁装置，大钩有缓冲减振功能。大钩与游车结合成一体，称为游钩，是目前使用的主要形成。,DG450大钩结构图1-吊环2-钩杆3-吊环销4-螺栓M16455-铁丝1.56-弹簧密封圈180220157-油封座8-定位盘9-弹簧10-上衬套11-吊环座12-螺母13-螺钉M122514-垫圈1215-上筒体16-下筒体17-销轴18-内弹簧19-外弹簧20-0型密封圈4558.621-下衬套22-弹簧座23-定位块24-制动装置25-掣子26-顶杆27-弹簧28-安全销体29-安全销销轴30-钩身,DG450大钩结构图1-吊环2-钩杆3-吊环销4-螺栓M16455-铁丝1.56-弹簧密封圈180220157-油封座8-定位盘9-弹簧10-上衬套11-吊环座12-螺母13-螺钉M122514-垫圈1215-上筒体16-下筒体17-销轴18-内弹簧19-外弹簧20-0型密封圈4558.621-下衬套22-弹簧座23-定位块24-制动装置25-掣子26-顶杆27-弹簧28-安全销体29-安全销销轴30-钩身,3大钩基本参数,结构特点:钩体内装有液压缓冲装置。钩口处装有可靠的安全装置.配有制动装置，能灵活可靠的锁紧或松开钩身.主要受力件均经无损探伤检验.大钩设计和制造符合APISPEC8A规范.,.技术规范最大钩载4500KN弹簧工作行程200mm弹簧负荷行程开始时30.60KN行程终了时56.50KN主钩口直径180mm副钩口直径120mm主钩口开口尺寸220mm钩身旋转半径510mm外形尺寸(长x宽x高)2953mmx890mmx880mm质量3496Kg,.大钩的使用与维护（）大钩的使用：钻井时，用操纵杆将制动装置“止”端的手