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1、第二章鉆機起升系統(tǒng)概述:鉆機的起升系統(tǒng)實質(zhì)上是一臺重型起重機,它是鉆機的核心。它主要由 井架鉆井架、天車、游車、大鉤、游動系統(tǒng)鋼繩、絞車和輔助剎車等設(shè)備組成。起升系統(tǒng)的作用主要是起下鉆具、下套管、控制鉆頭送進等。2.1 井 架 井架是一種具有一定高度和空間的金屬桁架結(jié)構(gòu)。 它在鉆井或修井過程中, 用于安放天車,懸掛游車、大鉤、吊環(huán)、吊卡等機具,以及起下、存放鉆桿、油管及抽油桿, 并需承受井中鉆柱重量。對井架的要求如下:1)應具有足夠的強度、剛度和整體穩(wěn)定性。以保證起下一定深度的鉆桿柱、套管或油管柱。2)有足夠的工作高度和空間,足夠的鉆臺面積。3)應保證拆裝方便, 安全,移動迅速。為此,結(jié)構(gòu)應簡
2、單、輕便,并盡可能采用分段或整體運輸,水平安裝及整 體起放的安裝移運方法。2.1.1 概述1.井架的基本組成主要包括:井架主體,天車臺,二層臺,立管平臺,工作梯。2.井架的基本參數(shù):井架的基本參數(shù)是反映井架特征和性能的技術(shù)指標,亦是設(shè)計、選擇和使用井架的依據(jù)?;緟?shù) 主要包括:井架高度、最大鉤載、二層臺立根容量、抗風能力等。2.1.2井架結(jié)構(gòu)類型 井架按其主體結(jié)構(gòu)形式可分為四種基本類型:塔形井架、A形井架、桅形井架、前開口井架。1.塔形井架塔形井架是一種 橫截面為正方形或矩形的四棱截錐體空間桁架如圖所示。 塔形井架的主要特點:(1)井架主體部分為封閉結(jié)構(gòu),整體穩(wěn)定性好,承載能力大。(2)整個
3、井架由許多單一構(gòu)件用螺栓聯(lián)接而成,制造簡單,運輸方便。(3)井架內(nèi)部空間大,起下操作方便,安全。(4)拆裝工作量大,高空作業(yè)不安全,搬遷不方便。塔形井架適用于較少搬遷 而要求承載能力大,穩(wěn)定性好的鉆機,如海洋鉆機、超深井鉆機。2、前開口井架 前開口井架亦稱為 K形井架。其主要結(jié)構(gòu)特征是:1)整個井架主體是 35段焊接結(jié)構(gòu)組成。段間采用錐銷定位和螺栓聯(lián)接。2)通常采取水平拆裝,整體起落和分段運輸?shù)霓k法搬遷井架。搬遷方便、安全、迅速。3)因受運輸尺寸限制,井架主體截面尺寸較小,使井架內(nèi)部空間比較狹窄。4)井架各段兩側(cè)桁架結(jié)構(gòu)形式相同,背扇則采用特殊腹桿布置形式,如菱形,以保證司鉆視野良好。3 .
4、A形井架 它是由兩個等截面的空間桿件結(jié)構(gòu)或管柱式結(jié)構(gòu)的大腿靠天車臺和二層臺及 附加桿件連接而成的“ A”字形空間結(jié)構(gòu)。A形井架的每根大腿都是封閉的整體結(jié)構(gòu),承載能力強和穩(wěn)定性好。井架內(nèi)部空間大,鉆臺寬敞,司鉆視野開闊。4 .桅形井架 桅形井架是一節(jié)或幾節(jié)桿件結(jié)構(gòu)或管柱結(jié)構(gòu)組成的單柱式井架,有整體式和伸縮式兩種。這種井架一般利用液壓缸或絞車整體起放, 分段或整體運輸,拆裝移運很方便。 桅形井架結(jié)構(gòu)簡單,輕便,但承載能力小,只用于車裝輕便鉆機和修井機。2.2鉆機的游動系統(tǒng)2.2.1概述 鉆機的游動系統(tǒng) 由天車、游車、鋼絲繩和大鉤組成。它實質(zhì)上是用鋼絲繩把天車和游動滑車聯(lián)系起來組成的動滑輪系統(tǒng)。它可
5、以大大降低快繩拉力,從而大為減小鉆井絞車上的載荷。通常所說的游動系統(tǒng)結(jié)構(gòu),指的是游車輪數(shù)X天車輪數(shù)。三種工況:大鉤懸重靜止、大鉤起升、大鉤下放。設(shè):Qs, Y s為起升時游動系統(tǒng)起重量和效率;Qh為鉤載;Gs為游動部件常量;Ff, F1,F2, ,F(xiàn)z, Fd為快繩、各游繩和死繩的拉力;Qs刀s'為下鉆時游動系統(tǒng)起重量和效率;Ff F1', F2 ,F(xiàn)z', Fd '為下鉆時快繩、各游繩和死繩的拉力。Z為有效繩數(shù)1)當大鉤懸重靜止時,各段游繩拉力相等,即: Ff=Fl=F2= =Fz=Fd ; 2)當大 鉤起升時,有:Ff>F1>F2> - &
6、gt; Fz>Fd有效繩數(shù)越多,游動系統(tǒng)效率越低。3)當下鉆時,有:Ff '< F1' v F2 '< v Fz' < Fd '2.2.3 天車 天車是安裝在井架頂部的定滑輪組。天車主要由天車架、滑輪、軸承、軸承座和輔助滑輪等零部件組成。天車架是由鋼粱焊接的矩形框架,用以安裝天車滑輪軸并與井架頂部相連接。1.天車的結(jié)構(gòu)特點三種基本結(jié)構(gòu)形式:滑輪軸共軸線,并且各滑輪相互平行;滑輪軸線平行,快繩滑輪在另一根軸上;滑輪軸不共軸線,并且快繩滑 輪相偏斜。2.天車的技術(shù)規(guī)范 技術(shù)規(guī)范中所列參數(shù)包含:最大鉤載、滑輪數(shù)、滑輪尺寸、 重量、安裝尺
7、寸。2.2.4 游車 游車是靠鋼繩懸在井架內(nèi)部作上下往復運動的動滑輪組。2.2.5 大鉤 大鉤懸掛在游車下面。 鉆機大鉤一般皆為三鉤,主鉤懸掛水龍頭,副鉤懸掛吊環(huán)。大鉤主要由鉤身、鉤桿、鉤座、提環(huán)、止推軸承和彈簧組成。1.鉆井工作對大鉤的要求:1)應具有足夠的強度和工作可靠性;2)鉤身能靈活轉(zhuǎn)動,以便上、卸扣;3)大鉤彈簧行程應足夠補償上、卸扣時鉆桿在垂直方向上的位移;4)鉤口和側(cè)鉤的閉鎖裝置應絕對可靠,啟閉方便;5)具有緩沖減振功能,能減小拆卸立根時的沖擊。2、大鉤結(jié)構(gòu)特點:鉆井大鉤有兩大類:一類是獨立大鉤,可與游車分開拆裝;一類是游車 大鉤,游車和大鉤為整體結(jié)構(gòu),二者不能分開。2.3鉆井絞
8、車 鉆井絞車不僅是起升系統(tǒng)的執(zhí)行部件,而且也是整個鉆機的核心設(shè)備,是鉆機三大工作機之一。2.3.1概述1.鉆井絞車的功用:在鉆進過程中,懸掛鉆具,送進鉆柱、鉆頭,控制鉆壓。在起下作業(yè)中,起下鉆具和下套管。利用絞車的貓頭機構(gòu)緊、卸 鉆具和起吊重物。作為轉(zhuǎn)盤的變速機構(gòu)和中間傳動機構(gòu)。對于自升式井架鉆機,用來起放井架。利用絞車的撈砂滾筒,進行提取巖心筒、試油等工作。2.鉆井絞車的組成:(1)滾筒、滾筒軸總成,這是絞車的核心工作部件。滾筒應有足夠的容 繩量,保證纏繩狀態(tài)良好以延長鋼繩壽命;(2)絞車具有靈敏可靠的主剎車機構(gòu)及性能良好的輔助剎車,使其能準確地調(diào)節(jié)鉆壓,均勻送進鉆具,在下鉆過程中隨意控制下
9、鉆速度和省力地將最重鉆柱載荷剎?。唬?)貓頭和貓頭軸總成,用以滿足用大鉗上、卸扣和其它輔助起 重的需要。有的貓頭軸上還裝有撈砂滾筒,用以提取巖心筒;(4)傳動變速系統(tǒng)(5)控制系統(tǒng)(6)潤滑系統(tǒng)7)支撐系統(tǒng)2.3.2 鉆井絞車的特性參數(shù) 有絞車功率,快繩拉力,鋼絲繩直徑,檔數(shù),各檔轉(zhuǎn)速,滾筒 的直徑和長度,剎車轂直徑等。2.3.3 絞車的傳動方案決定了它的結(jié)構(gòu)類型,按絞車軸數(shù)大致可歸納為:單軸、雙軸絞車(一般需配變速箱);三軸和多軸絞車;獨立貓頭絞車;電驅(qū)動絞車。2.4絞車的剎車機構(gòu)鉆井絞車的剎車包括 主剎車和輔助剎車。主剎車用于各種剎車制動,輔助剎車僅用于下鉆時將鉆柱下放速度剎慢。主剎車是機
10、械式的, 主要采用帶剎車,即通常所說的剎車機構(gòu)。機械剎車的功用是剎慢或剎住被鉆柱載荷所帶動的滾筒,達到控制滾筒轉(zhuǎn)動,以調(diào)節(jié)鉆壓,送進鉆具,控制下鉆速度或達到懸持鉆具的目的。2.4.1 帶剎車的結(jié)構(gòu)原理 1.帶剎車的結(jié)構(gòu)組成 主要由控制部分、傳動部分、制動部分/平衡梁和氣剎車等組成。2剎把調(diào)節(jié)與剎帶、剎車塊的調(diào)整:隨著剎車塊磨損量的增加,剎把終 剎位置逐漸降低,影響操作時就需調(diào)節(jié)剎帶使剎把終剎位置恢復至合適高度。當磨損到一定程度后,剎車帶需進行整圓或更換新帶。剎車塊磨損量達到一定厚度時就要更換。2.4.2 構(gòu)的潤滑:要按規(guī)定對各部件注入潤滑脂或潤滑油,保持機構(gòu)潤滑狀況良好。2.4.3 帶剎車機構(gòu)
11、的基本計算 1.絞車的工彳計算:1)滾筒的纏繩直徑:滾筒任意一層纏繩直 徑可表示為:De=D0+d+2(e-1)3 d式中D0為滾筒直徑;e為纏繩層數(shù);De為任意一層(或最外層)纏繩直徑;3為修正系數(shù);d為鋼繩直徑。2)滾筒的平均工作直徑為:Da=(D2+De)/2式中D2為第二層纏繩直徑;De為最外層纏繩直徑。3)滾筒纏繩總長為:L=TtD1n+Zl式中D1為第一層纏繩直徑;n為層纏繩圈數(shù);Z為有效繩數(shù);l為立根長度。2.絞車的制動計算:下鉆操作的特點是在起鉆過程中作為系統(tǒng)負載的鉆柱載荷成為下鉆過程 中系統(tǒng)的動力,帶動整個系統(tǒng)運動,而絞車上必須裝置包括機械剎車和輔助剎車的制動裝置 來吸收鉆柱
12、下放時釋放的能量。制動裝置把吸收的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芤萆⒌嚼鋮s水或空氣中。開始下鉆前要稍提鉆柱,撒掉吊卡(或卡瓦),摘開離合器,剎住鉆柱。一般安全操作時下鉆速度應控制在 22.5米/秒以內(nèi)。在不具備安全可靠,靈活的剎車裝置的情況下,下鉆 速度過大,容易發(fā)生溜鉆砸轉(zhuǎn)盤事故,損壞設(shè)備。制動力的確定剎車時,操作剎把4轉(zhuǎn)動傳動杠桿3通過曲拐拉曳剎帶 1活端使之抱緊剎車毅。 剎把4同時 轉(zhuǎn)動司鉆閥5以啟動、調(diào)節(jié)氣剎車8的氣缸壓力。氣剎車對傳動杠桿的作用與剎把相同, 故 起省力作用。通過上述分析,可以得出以下結(jié)論:1)帶剎車的制動力矩與剎帶和剎車鼓之間的圍抱角和摩擦系數(shù)有關(guān)。對于采用單杠桿機構(gòu)的帶剎車,常采用
13、較大的圍抱角 (如11兀/6)。即使如此,在剎住最大鉆柱時,也需很大的剎 把力。2)采用雙杠桿機構(gòu)既省力,又安全。3)結(jié)構(gòu)簡單緊湊,便于維修。4)只能用于單向制動。5)活動端和固定端剎車塊磨損不一致。2.4.3液壓盤式剎車的結(jié)構(gòu)組成與工作原理1.液壓盤式剎車的結(jié)構(gòu)組成液壓盤式剎車由剎車盤、開式剎車鉗(安全鉗)、閉式剎車鉗(工作鉗)、鉗架、液壓動力源、控制系統(tǒng)等組成。其中液壓系統(tǒng)提供制動能量,剎車鉗作為執(zhí)行元件,剎車盤與剎車 鉗上的剎車塊組成制動偶件。2.剎車系統(tǒng)工作原理:按照剎車鉗缸零油壓時的制動狀態(tài)可分 為常開式鉗和常閉式鉗。鉆機盤式剎車全套工作鉗由工作鉗和應急鉗組成。前者用于正常鉆進操作(
14、起下鉆,鉆進)過程;后者作為安全保險用,亦稱安全剎車鉗。3.液壓盤式剎車的特點與帶剎車相比,盤式剎車具有以下優(yōu)點:1)剎車平穩(wěn)、性能穩(wěn)定、熱衰退性較小。2)整體剎車盤,內(nèi)部有水冷內(nèi)腔,可把連續(xù)剎車產(chǎn)生的熱量很快帶到剎車盤外面,不使剎 車盤過熱,具有較好的剎車性能、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用壽命較長。3)采用高合金鋼制造剎車盤,剎車盤表面具有較高的硬度,耐磨性能好,使用壽命長,更 換易損件次數(shù)較少。4)鉆井實踐表明:盤式剎車具有充足的儲備剎車力矩,特別是在水剎車或電磁渦流剎車出現(xiàn) 故障時,也能剎住最大載荷。司鉆的控制力小,具有靈敏的操作手感。5)液壓系統(tǒng)工作壓力為 6.85MPa,最大壓力為13.7Mp
15、a,實際使用只需要四分之一的設(shè)計壓 力就可以剎住最大鉆柱載荷,使用安全可靠。6)盤式剎車容易控制和掌握,剎車時沒有噪音,對環(huán)境污染較少,工人勞動條件改善。7)更換剎車鉗最多不超過 15分鐘,此外,由于剎車塊壽命長,更換次數(shù)也大大減少。8)盤式剎車與自動送鉆裝置相結(jié)合,可實現(xiàn)優(yōu)良的自動送鉆功能。9)液壓控制系統(tǒng)還可實現(xiàn)遙控盤式剎車10)采用微機監(jiān)控盤式剎車。2.4.4輔助剎車由于鉆柱下放時要釋放巨大能量。隨著井深的增加,下鉆時釋放的能量愈來愈大,如果只是用絞車的機械剎車(主剎車)來吸收這個能量顯然是不能勝任的。因此各級鉆機包括大型修井機都采用輔助剎車裝置來輔助主剎車吸收鉆柱下鉆時所釋放的能量。鉆機的輔助剎車
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