第二章_钻机起升系统整理资料

第二章 钻机起升系统

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。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。

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。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 主要包括：井架主体，天车台，二层台，立管平台，工作梯。

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。 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：塔形井架、A 形井架、桅形井架、前开口井架。

1．塔形井架 塔形井架是一种横截面为正方形或矩形的四棱截锥体

空间桁架如图所示。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。

2、前开口井架 前开口井架亦称为K 形井架。其主要结构特征是：

1) 整个井架主体是3～5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。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。

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。 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。

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。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。

2.2 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。三种工况：大钩悬重静止、大钩起升、大钩下放。

设：Qs ，ηs 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 ‘，ηs ’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。Z 为有效绳数1）当大钩悬重静止时，各段游绳拉力相等，即： Ff=F1=F2=···=Fz=Fd ；2）当大钩起升时，有：Ff ＞F1＞F2＞···＞Fz ＞Fd 有效绳数越多，游动系统效率越低。3）当下钻时，有：Ff ‘＜F1’＜F2‘＜···＜Fz ’＜Fd ‘

2.2.3天车 天车是安装在井架顶部的定滑轮组。 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。 天车架是由钢粱焊接的矩形框架，用以安装天车滑轮轴并与井架顶部相连接。

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；②滑轮轴线平行，快绳滑轮在另一根轴上；③滑轮轴不共轴线，并且快绳滑轮相偏斜。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。

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。

2.2.5大钩 大钩悬挂在游车下面。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；一类是游车大钩，游车和大钩为整体结构，二者不能分开。

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。2.3.1概述1. 钻井绞车的功用： ①在钻进过程中，悬挂钻具，送进钻柱、钻头，控制钻压。②在起下作业中，起下钻具和下套管。③利用绞车的猫头机构紧、卸钻具和起吊重物。④作为转盘的变速机构和中间传动机构。⑤对于自升式井架钻机，用来起放井架。⑥利用绞车的捞砂滚筒，进行提取岩心筒、试油等工作。

2. 钻井绞车的组成：(1)滚筒、滚筒轴总成，这是绞车的核心工作部件。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；(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；(3)猫头和猫头轴总成，用以满足用大钳上、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；(4)传动变速系统(5)控制系统(6)润滑系统7) 支撑系统

2.3.2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。

2.4 绞车的刹车机构 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。 机械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。

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。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。

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 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 式中 D2为第二层缠绳直径；De 为最外层缠绳直径。 3）滚筒缠绳总长为：L=πD1n+Zl 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。

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。 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。 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。

制动力的确定

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。

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。

2.4.3液压盘式刹车的结构组成与工作原理1. 液压盘式刹车的结构组成

液压盘式刹车由刹车盘、开式刹车钳（安全钳）、闭式刹车钳（工作钳）、钳架、液压动力源、控制系统等组成。其中液压系统提供制动能量，刹车钳作为执行元件，刹车盘与刹车钳上的刹车块组成制动偶件。2. 刹车系统工作原理：按照刹车钳缸零油压时的制动状态可分为常开式钳和常闭式钳。 钻机盘式刹车全套工作钳由工作钳和应急钳组成。前者用于正常钻进操作(起下钻，钻进) 过程；后者作为安全保险用，亦称安全刹车钳。

3. 液压盘式刹车的特点 与带刹车相比，盘式刹车具有以下优点:

1) 刹车平稳、性能稳定、热衰退性较小。

2) 整体刹车盘，内部有水冷内腔，可把连续刹车产生的热量很快带到刹车盘外面，不使刹车盘过热，具有较好的刹车性能、摩擦系数稳定、使用寿命较长。

3) 采用高合金钢制造刹车盘，刹车盘表面具有较高的硬度，耐磨性能好，使用寿命长，更换易损件次数较少。

4) 钻井实践表明:盘式刹车具有充足的储备刹车力矩，特别是在水刹车或电磁涡流刹车出现故障时，也能刹住最大载荷。司钻的控制力小，具有灵敏的操作手感。

5) 液压系统工作压力为6.85MPa ，最大压力为13.7Mpa ，实际使用只需要四分之一的设计压力就可以刹住最大钻柱载荷，使用安全可靠。

6) 盘式刹车容易控制和掌握，刹车时没有噪音，对环境污染较少，工人劳动条件改善。 7) 更换刹车钳最多不超过15分钟，此外，由于刹车块寿命长，更换次数也大大减少。8) 盘式刹车与自动送钻装置相结合，可实现优良的自动送钻功能。9) 液压控制系统还可实现遥控盘式刹车10) 采用微机监控盘式刹车。

2.4.4辅助刹车

由于钻柱下放时要释放巨大能量。随着井深的增加，下钻时释放的能量愈来愈大，如果只是用绞车的机械刹车(主刹车) 来吸收这个能量显然是不能胜任的。因此各级钻机包括大型修井机都采用辅助刹车装置来辅助主刹车吸收钻柱下钻时所释放的能量。

钻机的辅助刹车过去多为水刹车，现在已逐渐被电磁刹车和依顿盘式刹车所取代。

1. 电磁涡流刹车：利用电磁感应原理进行无磨损制动。它的优点是制动性能好，使用寿命长，操作简单，无易损件。国内外钻机已广泛应用。

电磁涡流刹车结构特点： 电磁涡流刹车主要由左右定子和转子组成，定子中固嵌着激磁线圈。2. 盘式辅助刹车 美国依顿公司生产的

WCB 系列水冷却盘式刹车，是目前比较理想的辅助刹车。它特别适合于达转动惯量的制动以及快速散热。

依顿刹车主要由法兰组件、气缸、静动摩擦盘、复位弹簧、活塞、齿轮转子等组成。