《石油钻机液压盘式刹车》标准技术分析.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1 年第 3 9卷第4期 ． ． 技 术讨论 石油钻机液压盘式刹车 标准技术分析 王新 忠 阎 伟 马俊江。 范永康4 邹 刚 李 国芳 1 ．中国石油勘探开发研究院2 ．中国石油技术开发公司 3 ．中国石油长城钻探顶驱分公司4 ．中国 石化 西南局 临盘钻 井公 司5 ．中国石 油渤海装备石油机械厂6 ．渤海钻探 塔里木第四勘探 工程公 司 摘要液压盘式刹车作为石油钻机的关键装置，其质量 的好坏直接关系到钻井作业能否安全 实施。因此 ， ． 急需制定一个高水平的石油钻机液压盘式刹车标准。阐述 了将制动力矩确定 为液压 盘式刹车型号主参数的根据和技术 内涵 ，确定 了石油钻机液压盘式刹车型号的表示方法。介绍 了 液压盘式刹车的制动方式、制动力矩的确定方法及制动力矩公式 中载荷的取值方法，得到 了 S Y ／ T 6 7 2 7 --2 0 0 8 石油钻机液压盘式刹车标准的基本参数。 关键词 石油钻机液压盘式刹车标准制订 技术分析 0 引 言 前几年 ，随着世界石油需求量 的增加 ，国内石 油钻井装备产量急剧增加 ，石油钻井装备生产厂家 大量涌现。但其技术积淀及生产制造基础可能还未 达到批量生产的要求 ，其 中也包括一些生产液压盘 式刹车装置的厂家 。液压盘式刹车装置作为石油钻 机的关键装置，其质量的好坏直接关系到钻井作业 能否安全实施 。因此 ，制定一个高水平的液压盘式 刹车标准迫在眉睫。 s Y ／ T 6 7 2 7 --2 0 0 8 石油钻 机液压 盘式刹 车 标准是国际上首个关于石油钻机液压盘式刹车的标 准 ，该标准的颁布实施标志着我国石油钻机 、修井 机和通井机绞车用液压盘式刹车的设计 、生产制造 和质量检验有了依据和规范。 1 标准主要 内容的确定 在石油领域 ，有关石油钻机用液压盘式刹车装 置的技术资料非常少 ，即使在国外 ，其可公开的技 术资料也基本找不到 ，而且在石油领域还没有液压 盘式刹车的标准 。而保证液压盘式刹车标准型号设 计 、参数确定的科学性是非常重要的。在标准起草 过程 中，中国石油勘探开发研究 院装备所曾先后多 次邀请石油机械、钻井界的老专家 、老教授一起讨 论 ，请国内石油机械专业知名教授多次对标准的草 稿进行审阅，在汇总大家建设性意见的基础上 ，确 定了标准的主要 内容。 1 ． 1 液压盘式刹车型号 液压盘式刹车的任务是减缓石油钻机绞车下放 大钩的速度 、刹住大钩载荷 ，因此将液压盘式刹车 的制动力矩设定为主参数 。与钻机参数结合 ，将钻 机最大钩载加到液压盘式刹车的型号中，体现了作 为钻机部件与钻机的统一。其型号表示方法见图 1 。 改 进序号 用英文字 母表示 ， 原 型不注 控 制方式 D为电控操 作， 未 标注 的为液控 操作 钻 机最 大钩载 k N 盘刹应达 到 的最, J 3 2 作制 动转矩 k N - m1 盘刹代号 图 1 S Y ／ T 6 7 2 7 --2 0 0 8中液压盘式刹车型号的表示方法 1 ． 2 液压盘式刹车制动力矩 1 ． 2 ． 1 制 动 方式 标准中所涉及的液压盘式刹车是指同时具有工 作钳和安全钳 的液压盘式刹车装置。该装置具有工 作制动 、驻 车制 动和紧急制动 3种制动方式。其 中，工作制动一般是 由工作钳刹车块在工作钳油缸 基金项 目全国石油钻采设备 和工具标准委 员会钻采设标 秘宇[ 2 0 0 6]4号文件 “ 2 0 0 6年全 国钻采设备 和工具标 准项 目制修订计 划 ” 。 2 0 1 1年 第 3 9卷 第 4期 王新 忠等 石油钻机 液压盘式刹车标 准技 术分析 的液压力作用下与刹车盘之间产生摩擦而实现的。 工作制动状态下 ，工作钳油缸的液压力可通过操作 工作制动刹车阀的控制手柄来调节大小，从而为主 机提供大小可调的刹车力矩 ，满足送钻 、起下钻等 不同工况的要求。 驻车制动是由安全钳刹车块在蝶形弹簧的弹簧 恢复力作用下与刹车盘之间产生摩擦实现的。驻车 制动状态下 ，在操纵 阀的控制下安全钳只有“ 松” 和 “ 刹”2个位置的工作状态 ，当安全钳油缸内油 压P 0时，安全钳刹车块在安全钳油缸 内置的蝶 形弹簧的恢复力作用下夹紧刹车盘 ，实现刹车；而 当安 全钳 油缸 内油 压 P ≠0时 ，安 全 钳 油 缸 液 压力 克服蝶形弹簧的恢复力压缩蝶形弹簧，通过杠杆作 用实现松刹。驻车制动主要用于司钻短时离开操作 位置或钻机处于长期停车的停车制动。 紧急制动是液压盘式刹车专 门为钻机在钻修井 过程中遇到紧急情况而设计的一种制动方式 。在紧 急制动方式下 ，所有工作钳和安全钳都参与制动， 此时工作钳油缸压力为液压系统的系统压力 ，故可 为钻机绞车提供最大的制动力矩 ，使液压盘式刹车 以最快的速度实现紧急刹车。紧急制动主要用于游 吊系统到达上碰下砸极限位置和突发紧急情况需要 尽快停止游动系统的制动 ，这种制动方式具有一定 的破坏性 ，在正常钻井过程中不宜采用。 1 ． 2 ． 2制 动 力 矩 的 确 定 标 准中制动力矩 是根据钻机工作状况来确定 的。钻机刹车机构的任务是刹慢或刹住被下钻载荷 所带动的滚筒 ，达到调节钻压 、送进钻具 、控制下 钻速度以及刹住 悬持钻具 的 目的 J 。钻井作业 过 程 中，司钻主要通过操作刹车机构的操作手柄来控 制钻进 ，因此要求刹车机构不但安全可靠还要操作 灵活、省力。这样标准中制动力矩的指标要设定合 适 ，够用即可 ，不能低也不能高。低 了会造成液压 盘式刹车装置制动力矩不足 ，存在安全隐患 ；高了 不但影响装置的经济性而且会造成工作制动的操控 性 不 强 。 从下钻动力学分析 ，下钻过程要经历加速段 、 匀速段和减速段等 3个阶段。在正常钻井作业过程 中，这 3个阶段的制动功能都是通过工作制动来实 现的，因此这是设定工作制动制动力矩的基础。驻 车制动由工作制动来完成 ，要求司钻采用工作制动 刹住大钩载荷后采用驻车制动 悬持游动系统 和钻 柱。该制动方式刹住的是静载荷，因此驻车制动的 制动力矩不但与动载系数无关 ，而且与系统效率无 关。驻车制动的制动力矩 静 悬力矩 采用下式 计算 j 1 式 中 。 钻机驻车制动力矩 ，k N m； Q 。 该级别钻机最大套 管柱重力 的 8 5 ％ 加游吊系统重力 最 大套管柱重力取 最大钩载 的 8 0 ％ ，k N； D 滚筒第 2层缠绳直径 ，m； z， 游动系统最多绳数 。 Q 是在井筒内钻井液的浮力作用下钻机绞车悬 持的最 大载荷 即最重套管柱重力 。这种工况 出 现在下套管时 ，游动系统采用钻机最多绳数。而悬 持位置考虑的是近井 口的钢丝绳缠绕直径 ，取滚筒 第 2层缠绳直径 ，使游动系统和钻柱处于近钻台的 位置。这是因为静悬工况是在司钻离开操作台的情 况，一旦将游动系统和钻柱处于高位停车是非常危 险的，在液压盘式刹车的使用中应严禁这种情况。 在下钻动力学的 3个阶段中，最大制动力矩 出 现在减速段 ，工作制动应满 足最大制动力矩要求 ， 此时制动力矩的表达式为 _ 1 ． 3 J D ， 惯 卢 毒 7 7 游 绞 2 式中 钻机在下钻过程 中最 大制 动力矩 ， k N m ； 储备系数 ，取 1 ． 5 ； Q 该级别钻机最大 钩载 Q ⋯ 的 7 0 ％ 加 游吊系统重力 ，k N； 叼 绮 绞车滚筒效率 ，取 0 ． 9 7 ； 叩 游 游动系统效率 ，按 S Y ／ T 6 6 6 6 --2 0 0 6 推荐值选取 ； z 钻机游动系统有效绳数。 其它参数同公式 1 。 最大钩载 Q 是指钻机在规定 的最大绳数下 ， 在解卡和下套管等作业时指重表不允许超过的载荷 极限值 ，包括动载荷 冲击载荷在内。Q 是在井 筒内钻井液的浮力作用下和钻柱下放过程中存在摩 擦力时钻机绞车悬挂 的最大载荷，包括动载荷 冲 击载荷在内，故在公式 中没有动载系数。因较重 型钻机配套液压盘式刹车均配置了双回路工作制动 系统 ，并且液压盘式刹车能最大限度地确保钻机工 作的安全性 ，故公式中考虑了 1 ． 5倍的储备 系数 。 紧急制动情况下，其制动力矩为最大工作制动力 矩与驻车制动力矩之和，但这一力矩并不是钻机工作 中需要的，只是液压盘式刹车设计时提供的一个具 有大量盈余 的力矩 ，因此在标准制定中并未考虑。 ．- 7 4- 石油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 4期 1 ． 3 公式中载荷的取值 在上述 2个公式 中，计算 载荷都根据 钻机标 准 规定的各级别钻 机最大钩载计算得 出，保证 了标准的统一性和科学性。有些文章也提出了工作 制动力矩和驻车制动力矩的计算公式 ，但公式中快 绳拉力的取值有待商榷。以 Z J 4 0钻机为例 ，其计 算工作制动力矩时取 1 2 0 0 k N的钻 柱重力 ，再乘 以 2倍的动载系数 ，这 明显超 出 z J 4 0钻机 2 2 5 0 k N的最大钩载限定 ；同时，在计算最大静悬快绳 拉力时以0 ． 8 5 Q 作为绞车计算载荷也不太合适 ， 因 P ⋯已含动载 ，乘 以 0 ． 8 5仅仅考虑 了浮力 的影 响是有疏漏的。经计算并 圆整后 S Y ／ T 6 7 2 7 --2 0 0 8 石油钻机液压盘式刹车 的基本参数见表 1 。 表 1 S Y ／ T 6 7 2 7 --2 0 0 8石油钻 机液压盘式 刹车的基本参数 2 结束语 在多次与业界专家 、学者进行深入探讨的基础 上 ，从钻井行业特点和技术发展程度出发 ，以成熟 理论为根据 ，以钻机标准为参照，确定 了石油钻机 液压盘式刹车型号的表示方法。介绍了液压盘式刹 车的制动方式 、制动力矩的确定方法及制动力矩公 式 中载荷 的取 值 方 法 ，得 到 了 s Y ／ T 6 7 2 7 2 0 0 8 石油钻机液压盘式刹车标准的基本参数 。该标 准可指导国内液压盘式刹车的设计和制造 ，使其生 产更加规范 、技术水平不断提高，从而推动我国石 油钻井装备向前发展。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 华东 石油 学 院矿 机 教研 室 ．石 油 钻采 机 械 上 册 [ M]． 北京石油工业出版社，1 9 8 0 l 8 2 l ，9 3 ． 陈如恒，沈家骏 ．钻井机械的设计计算 [ M]．北 京 石油工业 出版社 ，1 9 9 51 3 4 1 3 7 ． S Y ／ T 6 7 2 7 --2 0 0 8 石油钻机液压盘式刹车 [ s ]． 2 0 0 8 ． 高向前 ，齐明侠，张作龙，等 ． J 1 0 A P s 2 5型通井机 盘式刹车的设计与研制 [ J ]．石油大学学报自然 科学版 ，1 9 9 5，1 9 1 5 6～ 6 0 ． S Y ／ T 5 6 0 9 --1 9 9 9 石油钻机型式与基本参数[ s ]． 1 9 9 9． 第一作者简介王新忠，工程师，生于 1 9 6 9年，2 0 0 3 年于中国石油勘探开发研究院获硕士学位，现从事石油钻 采设备 方面的研究工作 。地址 1 0 0 0 8 3 北京 市海淀 区。电 话 0 1 0 8 3 5 9 8 2 7 5 。Em a i l w x z h p e t r o e h i n a ． e o m ． e l l 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 21 0 本文编辑丁莉萍 上接第 7 1页 2 用连续 管携带控 制工具控 制井下开关 阀 的原理基本可行。连续管携带控制工具进行井下控 制时，对井下开关 阀的打开和关闭情况的验证比较 方便 ，打开和关闭井下开关 阀可靠 ，达到 了 “ 打 开一关闭一安全解卡 ”试验 目的。但要对控制工 具进行改进 ，降低井下遇卡的可能性。 3 连续管 的钩载 能力有 限 ，管体本身不 能 够旋转 ，处理井下事故有局限性。 参考文献 [ 1 ] 魏发林 ，刘玉章，李宜坤 ，等 ．割缝衬管水平井堵 水技术现状 及发展 趋 势 [ J ]．石 油钻采 工艺， 2 0 0 7 ，2 9 1 4 0 4 3 ． [ 2 ] B o u ma l i A，Wi l s o n S ，A m i n e D M，e t a 1 ． C r e a t i v e C O ． mb i n a t i o n o f n e w c o i l e d t u b i n g t e c h n o l o g i e s f o r s t i mu - l a t i o n t r e a t me n t s 『 R] ． S P E 9 2 0 8 1．2 0 0 5 ． Ma r t i n J G，C o r d o n R J M． I n n o v a t i v e wa t e r s h u t o ff S O l u t i o n s u s i n g c o i l e d t u b i n g c o n v e y e d i n fl a t a b l e d e v i c e s f R1． S P E 7 6 7 0 9 ，2 0 0 2 ． 第一作者简介 王子健 ，生于 1 9 8 0年 ，2 0 0 7年获 中国 石油大学 北京 硕士学位 ，现 为 中国石 油勘探开 发研究 院在读博士生，主要从事采油采气装备的研究工作。地址 1 0 0 0 8 3 北 京 市 海 淀 区 。E m a i l w a n g z i j i a nr i p e d l i v e ．e n。 收稿 日期 2 0 1 0一l 1 1 7 本文编辑丁莉萍