顶驱钻井装置倾斜液压机构临界载荷计算分析.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 3 期第 4 8页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD E QUI P ME NT 文 章 编 号 1 O 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 0 0 3 0 0 4 8 0 3 顶驱钻井装置倾斜液压机构临界 载荷计算分析 蔡正敏 ， 张 军 ， 申朝廷 ， 张贵德 ， 张树佳 中石油长城钻探公司 ， 北京 1 0 0 1 0 1 摘 要 为保 障顶部 驱动 钻 井装 置 管子处理 机 中倾 斜机 构 的绝对 安全 可靠 ， 利 用 能量法 给 出了倾 斜机 构 临界 栽荷 的近似 计算 公式 ， 并对 D Q一 5 0 L HT Y 型顶 部驱动 钻 井装置倾 斜 机 构的 临界 载荷 进行 了 计 算 ， 为 实际工程 中倾斜 机构 的设计 及安 全使 用提供 了理 论依据 。 关键 词 顶 部驱 动钻 井装 置 ； 倾斜 机构 ； 能量 法 ； 临界 载荷 中图分 类号 T E 9 2 2 文献标 识码 A Ap pl i c a t i o n o f En e r g y M e t h o d i n Ca l c u l a t i o n o f Cr i t i c a l Lo a d o f Ti l t M e c h a n i s m i n To p Dr i v e S y s t e m CAI Z h e n g mi n， Z HANG J u n， S HE N Ch a o t i n g， ZHANG Gu i d e ， ZHANG S h u j i a Gr e a t Wa l l Dr i l l i n g C o mp a n y， Be i j i n g 1 0 0 1 0 1， C h i n a Ab s t r a c t Ti l t m e c h a ni s m of t he t o p d r i v e s y s t e m i s on e of t he mos t i mp or t a nt a nd f r e q u e n t l y u s e d t o o l s du r i ng d r i l l i n g，a nd i t s s a f e t y i s v e r y i mp or t a nt ．I n t hi s p a p e r ，t he a pp r ox i ma t e f o r m u l a f o r t h e c r i t i c a l l o a d o f t h e t i l t me c ha n i s m i s g i v e n o n t he b a s i s o f t he e ne r g y me t ho d． Ca l c ul a t i o ns we r e p e r f o r me d f o r t h e c r i t i c a l l o a d o f t h e t i l t me c h a n i s m o f t h e DQ一 5 0 LHTY t o p d r i v e s y s t e m． Ke y wo r d st o p d r i ve s ys t e m ； t i l t me c ha n i s m ； e ne r g y me t h od； c r i t i c a l l o a d 顶部 驱动钻 井装 置是 2 0世 纪 8 0年代 国际钻井 领域 中兴起的一种新型钻井部件 ， 是旋转钻井技术 的一 次重 大突破 ， 受 到 世 界各 国石 油 公 司 的 高度 重 视 ， 在 国际石油 工 业 中得 到 了迅 速 的发 展 。与转 盘 旋转钻井相比， 顶部驱动钻井 装置之所以能够较快 地被广泛使用 ， 主要是它能够提高钻井效率 ， 特别是 在大斜 度井 、 水 平 井 时 可 以发 挥 出很 大 的优 势 。顶 驱钻井 系 统将 常规 水 龙 头 与钻 井 马 达相 结 合 ， 配 备 一 种 结构新 颖 的钻 杆 上 卸扣 装 置 ， 从 井 架 空 间上 部 直接旋 转 钻柱并 沿 井 架 内专 用 导 轨 向下 送 进 ， 是 可 以完成旋转钻进 、 循环钻井液、 接钻杆和上卸钻柱各 种钻井操作 的机 电液一体化 的钻井装置 ， 能够节约 钻井时间 1 0 9 ／ 6 ～2 5 ， 可大幅度地减少钻井事故发 生的概率 ， 降低勘探开发的风险， 提高钻井作业的安 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 。液压传递和控制机构作 为 顶驱装 置 的重要 组成 部 分 ， 如 果 出现 变形 和 液 压 泄漏等事故， 将给整个钻井的进程带来很大的影响。 当液压构 件承 受 的轴 向载荷达 到或超 过一定 限度 即 临界载荷 时会 发生失 稳 ， 使 构件 失效 ， 从 而 导致相 关 的装 置发 生破 坏 。 由于这 种 失 效具 有 突发 性 ， 常 常 造成 灾难 性 的后果 ， 因此 分 析顶 驱 装 置 管子 处 理 机 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 。对 于截 面变 化 比较 复杂 的压 杆 ， 利用 精确 解法 计算 临 界 载荷 通 常 很不 方 便 ， 需 要 借 助数值方法求解超越方程 ， 而基于能量法能够给出 近 似 的解 析解 。本 文基 于能量 法对顶 部驱 动装置 管 子处理机的倾斜机构进行 了稳定性分析 ， 给出了倾 斜机构的临界载荷近似计算公式 ， 并对工程实际中 使用的 DQ 一 5 0 LHT Y 型顶部驱动钻井装置管子处 收稿 E t 期 2 0 0 9 0 9 1 4 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． 第 3 9卷第 3期 蔡正敏 ， 等 顶 驱钻井装 置倾 斜液压机构临界载荷计算分析 理机倾 斜机 构 的临 界 载荷 进 行 了计 算 ， 并 与 精 确 解 进行 了 比较 。 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 伸 缩臂 ， 倾 斜 液 压 缸 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 。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 0 角 度 时 的 状 态 。假 设 ABL ， ADL 。 ，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 。随着 吊环旋转 角度 的变化 ， 活塞 杆 的长度 L 不断 发生 变化 。 则 a 静止状 态 b吊环旋转 0 角度 图 1 管子处理机结构 由几何关系可知 c o s p - -O 一一 L1 L2 L 3 L4 fl a r c ta n S1 n 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 问 的 间 隙很 小 ， 因 而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 。 当活塞杆完全抽出， 即吊环后倾至最大位置时最易 失稳 ， 此 时可 以将倾 斜 液 压 机 构 简 化 为 2级 阶梯 状 的两端铰支压杆， 如 图 2 所示 。坐标轴 z向右为正 ， 挠度 甜 向上为正 ， DC段和 C B段 的弯 曲刚度分别 为 E 和 E ， B D 杆 受 到轴 向压 力 F 。 作 用 。为 了便 于研究 ， 不 考虑 活塞 杆与 缸筒 的质 量_ 8 ] 。 1E I ／ d 2 w] d 一 字 d ㈤ 一 ㈤ d 2 w M z 一 6 。一．J’ o f＼ d x ＼] d ‘z一 ．f L。 d w d ．z z 。 L 丽 1 卅 矗 z 令 一 器一 7 可 以 写 为 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 3月 一 蕊 ㈦ 讪一 s i n 9 。一 cos 出 f 争 。 f L 1 n 。 出 则 一 ⋯ 一 1 n -- 1 一 1 2 当倾斜 液压 机构 的临界 载荷 确定后 ， 由∑MA 一 0可 知 ， 顶 部驱 动 钻 井 装置 管 子 处 理机 的临 界 载荷 为 Gc r 一 由稳 定 条件 ， 管 子 处理 机 后倾 至 最 大位 置 时许 用 的提取重 力为 [ G ] 一G ／ ， 其 中 为稳 定 安全 系数 。 3工程实例计算 本 文 对 天 意 D Q一 5 0 L HT Y 型交 流 变 频 顶 部 驱 动钻井 装置 的倾斜 机 构 进 行 了计 算 ， 管 子 处 理机 的 几 何 尺寸和 材料参 数分 别如 表 1 ～2 。 表 1 D Q一 5 0 J HT Y型顶驱装置管子处理机几何尺寸 m 表 2 DQ5 0 J HT Y型顶驱装置管子处理机 材 料 的 弹 性 模 量 GPa 根 据 DQ． 5 0 L HTY 型 交 流 变 频 顶 部 驱 动 钻 井 装 置管子 处理 机 的设 计 参 数 ， 其前 倾 和后 倾 的角 度 在 3 O 。 ～ 一5 5 。 之 间变化 。本 文 利用 式 1 1 计算 得 管子 处 理 机 后 倾 5 5 。 时 ， 倾斜 液压 机 构 的失 稳 临 界 载荷 为 P 一 7 9 5 ． 8 2 6 k N； 利 用 式 1 3 计 算 得 管 子 处理 机后倾 5 5 。 时 ， 管子 处 理 机 的 临界 载 荷 为 G 一 5 9 ． 3 2 0 k N。对 于 结 构 中 的压 杆 ， 稳 定 安 全 系 数 通 常取 为 1 ． 8 ～3 ． 0 ， 则管 子处 理 机许 用 的提 取 重力 为 [ G ， ] 一1 9 ． 7 7 3 ～ 3 2 ． 9 5 6 k N。精 确解 预 测 的倾斜 液 压机构 和 管 子 处 理 机 的 临界 载 荷 分 别 为 P 一 7 6 2 ． 6 6 2 k N 和 G 一 5 6 ． 8 4 8 k N， 能量 法 与 精 确 解 吻合较好 ， 使用能量法预测 的临界载荷相对误差为 4 ． 3 5 ， 能 够很 好地 满足 工程要 求 。 4 结语 本文采 用 能量法 给 出 了顶 部驱 动钻井 装置 管子 处 理 机倾斜 液压 机 构 的 临界 载 荷 的 表 达式 ， 计 算 简 单 、 方便 ， 避 免 了求 解 超 越 方程 的繁 琐 ， 为 实 际工 程 中顶部 驱动 钻井装 置 中倾 斜机 构 的设 计及 安全 使用 提 供 了理论 依据 。 参 考 文献 [ 1 ]李荫棠．顶部驱动钻井装置在陆地亓 油钻机上 的应用 [ J ] ．石油机械 ， 1 9 9 8 ， 2 6 1 0 5 1 5 3 ． [ 2 ] 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 ． [ 3 ]李传华 ， 刘 鹏 ， 刘百红．浅述 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 ． [ 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 ． [ 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 [ J ] ．石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 12 1 7- 2 0． [ 6 ] 陈朝达．顶部驱动钻井 装置 一 [ J ] ．石油矿 场机械 ， 2 0 00， 2 9 31 - 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