顶驱钻井装置倾斜液压机构临界载荷的精确解.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 6 期第 4 9页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 00 1 3 4 82 2 O1 O 06 0 0 49 03 顶驱钻 井装置倾斜 液压 机构 临界载荷 的精确解 蔡正敏 ， 张 军 ， 申朝廷 ， 张树佳 ， 陈香凯 中油长城钻探工程公 司 ， 北京 1 0 0 1 0 1 摘要 顶部 驱动 钻 井装置 管子 处理机 的倾 斜 液压机 构是 起 下钻过 程 中最 重要 且使 用频 率 最 高的 工 具之 一 ， 因此要 绝对保 证其 安 全性 。推 导 了管子 处理机 倾斜 液压机 构 的临界 载荷 公式 ， 并进 行 了实 例计算和分析， 为保障顶部驱动钻井装置的安全运行提供 了理论依据。 关键词 顶部 驱动 钻 井装置 ； 倾斜 液 压机构 ； 临界 载荷 中 图分 类号 T E9 2 2 文献标 识码 A Ca l c u l a t i o n o f Cr i t i c a l Lo a d s o f Ti l t M e c ha ni s m i n To p Dr i v e S y s t e m CAI Z h e n g mi n， ZHANG J u n， S HENG Ch a o t i n g， Z HANG S h u - j i a ， CHEN Xi a n g k a i Gr e a t Wa l l Dr i l l i n g Co mp a n y， Be i j i n g 1 0 0 1 0 1， Ch i n a Ab s t r a c t Ti l t m e c ha ni s m i s o n e of t he mos t i m p o r t a nt p a r t s o f t h e t op d r i v e s y s t e m． I t i s f r e q ue nt l y u s e d du r i ng d r i l l i ng a n d i t s s a f e t y i s ve r y i m p o r t a nt ．The f o r mul a f o r t he c r i t i c a l l o a d o f t he t i l t m e c h a ni s m i s p r e s e nt e d a nd c a l c u l a t i o n s a r e p e r f o r m e d f o r t h e a c t ua l t i l t m e c h an i s m ．The t he o r y i s u s e f ul f o r t he s a f e t y of t he t o p dr i v e s y s t e m． Ke y wo r d s t op d r i v e s y s t e m ； t i l t me c ha n i s m ； c r i t i c a l l o a d 顶 部 驱 动钻 井 装 置 是 2 O世 纪 8 O年 代 出 现 的 一 种新型钻井设 备 ， 目前 已在大多数 的海 洋钻 机 上使用。顶部驱动钻井装 置是 直接驱动钻柱进 行 旋转钻进 ， 并完 成循环 钻井液 、 接 钻柱 、 上 卸扣 和 倒划眼等 多种 钻井 操 作 的机 电液 一 体化 钻 井设 备 ， 可 以节约钻井时间 1 O ％～2 5 ， 大幅度减少事 故发生的概率 ， 特别是在大斜度井 、 水平 井体现 出 很大的优势 ， 降低勘 探开发的风险 ， 提 高了作业 的 安 全性 。 顶部驱动钻井装 置主要 由顶驱主体、 电气传动 与控制系统、 液压传动和控制系统、 司钻操作台和单 导轨与滑车等几部分组成。顶部驱动钻井装置在钻 井过程中不仅要承受几千米钻杆和钻头 的拉力， 还 要承受钻井过程中由地面设备和井下工具传递的强 烈振动 ， 因此对顶驱钻井装置的安全性提 出了很高 的要求 。 液压传递和控制系统作为顶部驱动钻井装置的 一 个重要组成部分 ， 如果出现变形和液压泄漏等事 故 ， 将给整个钻井进程带来很大的影 响。当管子处 理机的倾斜液压机构承受的轴向载荷达到或超过一 定限度 ， 即超过临界载荷 时会发 生失稳， 使机构失 效 ， 导致相关的装置发生破坏 。由于这种失效具有 突发 性 ， 会造成 灾 难 性 的后 果 ， 因此 ， 分 析 顶 部 驱 动 钻井 装置 的倾斜 液 压 机 构 的稳 定 性 十 分必 要 ， 并 对 工程应用有很好 的指导意义。 1 系统结构和受力分析 在实际工作过程 中， 吊环不 同的倾斜角度对顶 驱装置管子处理机的液压构件产生的作用力是不同 的， 因此整个倾斜机构液压缸部分的受力情况是很 复杂的。管子处理机 的结构如 图 1所 示 ] ， AE为 吊环， B C为倾斜液压缸 ， C D 为活塞杆， 倾斜液压缸 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 - 0 2 作者简介 蔡正敏 1 9 6 9 一 ， 男 ， 湖北武汉人 ， 博 士后 ， 主要研究 方 向为结构 强度与振 动 ， E - ma i l c a i z h e n g mi n y a h o o ． c o rn． 石油 矿 场机 械 2 O 1 O年 6月 和伸缩臂组成倾斜液压机构 ， A点为 吊环与旋转头 的铰接点 ， B点为倾斜液压机构与旋转头的铰接点， D点为倾斜液压机构与 吊环 的铰接点 ， AB为 吊环 与倾斜机 构和旋转头连接点 的距 离。其 中 ， 图 1 a 是顶驱管子处理机的静止状态 ； 图 1 b是管子处理 机 吊环旋转 角度时 的状态 。假设 ABL ， AD L ， BC L 。 ， C DL ， DEL ， 提 取 的钻 杆 重 力 为 G； 当旋转角 度为 0时 ， AD与 B D 的夹 角为 口 。随 着 吊环旋转角度 的变化 ， 活塞杆的长度 L 不断发 生 变化 。 a静止状态 b 吊环旋转0角度 图 1 管子处 理机 结构 由 h 1 可关 糸 口 J 知 韭 一c o s p -- 一 O 一 旦 L1 L1 L 3 L4 则 一a r c t a n 1 2 3 2 力学模型 的建 立和 临界载荷 的计算 由于顶驱装置管子处理机倾斜液压缸的缸套与 活 塞之 间 以及 活塞 杆 与 导 向套 之 间 的间 隙很 小 ， 因 此 在此 不考 虑各密 封副 的 间隙 。倾 斜液 压机 构失 稳 的临界载荷是 由缸筒与活塞杆的整体刚度决定 的， 吊环后倾至最大位置时倾斜液压机构最易失稳 ， 计 算简图如图 2 所示。倾斜液压机构简化为两级阶梯 状的两端铰连接压杆 ， 其中坐标轴 z向右为正， 挠 度 叫向上为正 ， DC段和 C B 段的弯曲刚度分别为 E I 和 E ， E 、 E 和 J 、 工 分别为活塞杆 和液压 缸体材料的弹性模量和形心主惯性矩 ， B D 杆受到 轴向压力 FB D 作用。为了便于研究 ， 不考虑活塞杆 与缸 筒 的质量 。 ] 。 设 DC段和 C B段的挠度分别为 和 。 ， DC 和 C B段的挠 曲轴近似微分方程分别为 u ] E1 I 1 F肋硼1 0 E2 J 2 F肋叫2 0 4 图 2 计算简 图及 坐标 系 式 4 亦 可写 为 n k 0 叫 一0 2k 。 硼2 0 其 一 嚣,k 2 。 式 5 的通 解分 别为 叫1 一C 1 s i n √ 志 z1 c 2 C O S 4 - k x 1 叫2 c 3 s i n k x2 c 4 c o s k x 2 式中， c 、 C 。 、 C 。和 C 分别为待定系数。 BD杆的位移边界条件和连续条件为 当 ．7 2 1 0时 ， 讪1 0 当 S C 1 一z 2 一L 4时 ， 砌1 一训 2 当 ．7 2 1 一z z L 4时 ， 硼 训 ， 当 ．7C 2 一 L 3 L 4 时 ， 2 0 由式 6 ～ 7 可知 5 6 7 8 9 1 0 C 2 0 11 由式 8 ～ 1 0 和式 6 可知 C 1 s i n ,f k L 4 一c 3 s i n k L 4 c 4 c o s k L 4 C 1 √ ， z c o s , f n - k L 4 一 c o s k L 4 --C 4 s i n k L 4 C 3 s i n L 3 L 4 ] c 4 c o s E k L 3 L 4 ] 一0 1 2 方程 1 2 是关 于待定系数 c 、 c 3和 C 的线性齐 次方程组 ， 有非零解 的条件是该方程的系数行列式 为零 ， 即 s i n J n k L 4 --s i n k L 一c 0 s 忌 L 4 √ c O s L 4 --c o s k L , s i n k L 4 0 s i n ／ - 3 L 4 ] c o , O k 厶L 4 ] 一 0 1 3 化简后得到关于倾斜液压机构临界载荷的超越 方 程 ， 即 t a n , ／ k L 4 √ t a n k L 3 一0 1 4 第 3 9卷第 6期 蔡正敏 ， 等 顶驱 钻井装置倾斜液压机构临界载荷 的精确解 5 1 由式 1 4 可以解 出 k ， 进一步可以求出倾 斜液 压 机构 的临界 载荷 F 肋， 为 F肋． 一k n E1 1 1 5 当 B D杆的临界载荷 F肋， 确定后 ， 由图 1 b可 知 ， ∑Ma 一0 ， 顶部驱 动钻 井装 置管 子处 理机 承 受 的 临界 载荷 G 为 G ． -- 击 由稳定 条件 ， 管 子处理 机允 许提 取 的重力 为 E G ] 一G ／ ， 其中 为稳定安全 因数。 3 工程 实例计算 本文 对 DQ 一 5 0 L HTY 型 交 流变 频 顶 部 驱 动 钻 井装置管子处理机的倾斜液压机构进行了计算 ， 管 子处理机的几何尺寸如表 1 ， 其前倾和后倾 的角度 在 3 O 。 ～5 5 。 之 间变 化 。 表 1 顶部驱动钻井装置管子处理机的几何尺寸 m 吊环 、 活塞 杆 、 液压缸 材 料 的 弹性模 量 均 为 2 1 0 GPa。 根据 DQ 一 5 0 LHTY 型 交 流 变 频 顶 部 驱 动钻 井 装置 中管子处理机的设计参数 ， 本文利用式 1 5 计 算得管子处理机后倾 5 5 。 时的倾斜液压机构 的临界 载荷为 P 一7 6 2 ． 6 6 2 k N； 利用式 1 6 计算得管子 处理机后倾 5 5 。 时， 管子处理机 的临界载荷为 一 5 6 ． 8 4 8 k N。稳 定安 全 因数 通 常 取 为 1 ． 8 ～ 3 ． 0 ， 则 管子 处 理 机 允 许 提 取 的重 力 为 1 8 ． 9 4 9 ～ 3 1 ． 5 8 2 k N， 可 以满足 工程 安全 作业 。 4 结语 由于顶部驱动钻井装置管子处理机倾斜液压机 构是在复杂的受力情况下工作 ， 因此对倾斜液压机 构的安全性提出了很高的要求 。本文推导 了管子处 理机和倾斜液压机构临界载荷精确解 的计算公式， 并进行了工程实例计算 ， 为实 际操作过程 中保证装 置的安全提供 了很好的理论指导 。 参考 文献 E 1 ] 李 荫棠 ．顶部驱动钻井装置在 陆地 石油钻机 上的应用 E J ] ．石油 机械 ， 1 9 9 8 ， 2 6 1 0 5 1 5 3 ． E z J 沈泽俊．采用 顶驱钻 井作 业 提高工 作 的安全 性 [ J ] ． 石油工业 技术监督 ， 2 0 0 6 1 4 5 4 7 ． E 3 3 李传 华 刘鹏 ， 刘 百红．浅述 国外顶部驱 动装 置的性 能与应用[ J ] ．石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 7 3 0 3 3 ． E 4 ] 李传 华 ， 刘丙瑞 ， 刘 百红 ．引起顶 驱钻机振 动的原因分 析与解决方法 [ J ] ．石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 7 5 7 6 0 ． E 5 ] 刘清友 ， 龙 永辉 ， 张毅超 ， 等．在海 洋修井 机上安装 顶 驱装置 的可 行 性 研 究 E J 3 ．石 油矿 场 机 械， 2 0 0 7 ， 3 6 1 2 1 7 2 0 ． E 6 3 陈朝 达． 顶部 驱动 钻井装 置 一 E J 3 ． 石 油矿 场机 械 ， 2 0 0 0， 2 9 3 1 5 ． E 7 3 孟祥 卿 ， 宋彦波．顶 部驱 动钻井 系统再凝析 E J 3 ．石油 矿场机械 ， 2 0 0 3 ， 3 2 6 1 4 - 1 6 ． C 8 ] 蔡正 敏 ， 张 军 ， 申朝廷 ， 等． 顶 驱钻井装 置倾斜液压 机 构临界载荷计算分析 E J 3 ． 石油矿场机 械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 3 48 5 0． E 9 3 郭铁桥．液压缸 临界载荷 的近似计 算公 式口] ．水利 电 力机械 ， 1 9 9 5 1 2 1 4 1 5 ． E ] o 3 董世 民．长细液压缸稳 定性校 核的新方 法E J 3 ．工程 机械 ， 2 0 0 0 3 3 2 3 3 ． [ 1 1 ] 单辉祖． 材料 力学E M3 ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 4 ． 况雨春等 付玉坤等 王定 亚等 王海 娟等 宋花平 等 刘克 旺等 黄青松等 张丽娟等 李英等 栾 国华等 陈坚等 陈浩等 王 霞等 邓忠彬等 赵奇 祥 吴耀达等 邱家友等 曾玉斌等 廖大林等 张积 明等 李庆海等 下期部分 目次预告 钻井水力参数优化方法及应用现状 高压井控楔 形节流 阀三维流 场模拟及 阀芯失 效 分析 海洋钻井隔水管系统配套技术研究 应 用空气锤 钻进 提高钻速机理分析 冲击载荷作用下 无 限长 圆管塑性 动力 响应 及失 效 分析 基 于虚 拟样机技术 的游梁式抽 油机参数分析 宝浪油 田高含水期杆管偏磨研究及 防治措施 Y2 4 1型封 隔器分压 管柱 可靠性分析 环形调压 阀压力波动原 因分析及改进 玻璃钢混合杆柱设计方法及 防冲距计算 螺杆钻具定子电解加工阴极计算机辅助设计 安装助抽减载装置的多级抽油杆力学行为分析 煤层气井专用井 口装置额定工作压力计 算 海洋钻井多参数仪系统设计研究 新 型投捞式 恒流配水器设 计与应用 P 1 1 O陶瓷 内衬 复合 油管 管端 的感 应加 热强 化 处 理 安塞油 田直线 电机元杆采 油工艺试验效果分析 S S VH 井 口安全液压截断系统 w 型曳引抽油机技术研究 抽油杆助抽扶正器研制 新型可控多功能底 阀抽油泵研制与应用