MZJ-15XY型斜井钻机提升系统研制

王卫华，张　宁，王建伟，李慎奎，刘士岩，吴国辉，王坤青

( 河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①



MZJ-15XY型斜井钻机提升系统研制

王卫华，张宁，王建伟，李慎奎，刘士岩，吴国辉，王坤青

( 河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

摘要：常规的钻机提升系统的结构复杂、不适用于斜井钻机。采用倒置缸筒做滑枕，结合上下滑轮组，通过钢丝绳特殊缠绕方式使其形成两组独立的增距动滑轮系。该结构可实现行程的倍增和上提、下压载荷的功能，从而取代绞车、天车、游车和大钩等组成的传统钻机提升系统，可适用于斜直井钻机，满足特殊钻井工况的需求。经过现场应用，各项指标均达到设计要求。

关键词：斜井；提升系统；滑车；动滑轮

随着我国对能源需求的不断增加，在石油、天然气及煤层气的勘探开发领域，正朝着戈壁沙滩，泥泞草地，河海滩涂，山地丘陵等道路条件差，井场面积受限的地区发展[1]。由于环境条件不允许，在上述地区仅钻常规直井，不能够满足勘探开发的需要，经常需要钻各种斜直井、斜定向井、斜丛式井[2]。

目前，国内钻机多为直井钻机，利用大量复杂的井下造斜、稳斜工具可以钻一定角度的斜井[3]。使用这种直井钻机钻斜井，施工难度大，周期长，费用高，特别不适宜在上述道路和井场面积都受限的地区进行钻井作业。其提升系统主要通过绞车缠绕钢丝绳，钢丝绳通过天车和游动滑车组成的滑轮组，带动大钩起升或下放放管柱。这种提升系统具有机构复杂、拆装运移困难等缺点，并且这种起升系统只有上提载荷的功能，不具备下压载荷的功能，不能钻浅层水平井。

河北华北石油荣盛机械制造有限公司在2011年研发新型斜井钻机MZJ-15XY，需要设计一种斜井钻机的提升系统，该系统可整体随着井架角度倾斜，始终与井架保持为平行，还具备下压载荷的能力，既能钻直井又能钻斜井。该系统试制后经过厂内试验、现场应用取得良好的效果。

1结构

1.1总体结构

提升系统是由上、下起重总成、提升滑车、导向扶正机构、液缸、上提钢丝绳和下压钢丝绳等组成，如图1所示。液缸倒置安装在井架内侧，活塞杆与井架连接板上的铰链座销钉连接，随动缸筒上的上法兰装有上起重总成，下法兰装有下起重总成，并在缸筒上安装有导向扶正机构，上提钢丝绳经提升滑车的绕绳机构绕过上起重轮，通过钢丝绳索具头固定井架底板上，下压钢丝绳通过下起重轮用下钢丝绳索具头一端固定于动力头或顶驱的运移小车上，另一端固定在井架上端合适位置。

1—液缸杆；2—提升滑车；3—液缸筒；4—上起重总成；

1.2上、下起重总成结构

上、下起重总成均主要由滑轮组、轴承、主轴和框架组成，结构如图2～3所示。滑轮组通过与轴承配合安装在主轴上，由主轴通过压板及螺钉与框架相连，框架上安装钢丝绳防脱装置。上、下起重总成框架底板通过螺钉与液缸缸筒上、下的法兰连接，区别是下起重滑轮位于缸筒两侧。巧妙地利用缸筒做滑枕，结合上下滑轮组，通过钢丝绳的特殊缠绕方式，使其形成两组独立的增距动滑轮，实现钻具的提升和下压。

图2　上起重总成

图3　下起重总成

1.3提升滑车

提升滑车主要包括框架、绕绳装置、连接板、空心轴、翘举液缸、和滚轮组成，结构如图4所示。提升滑车的滚轮连接板上下、前后对称安装两种方向垂直的滚轮，能够控制滑车在运移轨道左右和上下间隙的同时，还能将钻井时产生的反扭矩传递给轨道。

连接板可与动力头进行连接，其由空心轴和压盖通过螺钉连接到滑车框架上，并能绕空心轴转动；翘举液缸安装在提升滑车和动力头主体之间。上述结构能形成变幅机构，应用了曲柄摇块机构[4]的原理，能翘举动力头及管具绕空心轴旋转0～80°，满足了斜井钻机接卸钻具需求。

1—绕绳装置；2—空心轴；3—滑车主体；4—翘举液缸；

提升滑车的绕绳装置，能将上提钢丝绳的提升根数翻倍，进而提高了整个系统的提升能力。该装置是在上下固定板之间安装半轮和环半轮，还可通过增减环半轮个数改变提升系统的悬重钢丝绳数，调配整个提升安全系数和能力，结构如图5所示。

1—半轮；2—环半轮

1.4导向扶正机构

导向扶正机构主要由滚轮、连接轴、支架 和挡板组成，结构如图6所示。支架与液缸缸筒中部两个连接块用螺栓连接在一起，连接轴两端安装滚轮，与支架连接，并安装防转挡板。该机构的滚轮采用挡沿设计，在钻斜井情况下，能支撑液缸筒，使提升系统沿着轨道滑动同时，还能保证系统在滑动过程中的左右间隙。该扶正机构安装位置能够提高液缸整体的稳定性，其合理性可以通过压杆稳定性的欧拉公式进行计算。

1—滚轮，2—连接轴，3—挡板，4—支架。

2工作原理

2.1上提过程

当液缸伸出时，上提钢丝绳一端连接在滑车上，一端绕过上起重总成的滑轮组，固定在井架的下端，此时上起重总成的滑轮组相当于动滑轮，假设液缸的行程6 m，液缸伸出到最大行程6 m时，上起重的滑轮组也上升6 m。根据动滑轮的倍增工作原理，钢丝绳带动提升动滑车、动力头及钻具上升的距离就是12 m，从而实现行程的倍增，此时利用液缸塞腔力提升钻柱，整个过程中下压钢丝绳随动，不产生作用力。在该过程中，提升滑车还能辅助完成接单根操作。

2.2下压过程

当液缸缩回时，下压钢丝绳一端连接在滑车上，另一端绕过下起重总成的滑轮组，固定在井架上部的死绳点，此时下起重的滑轮组相当于动滑轮，液缸缩回，行程6 m，下起重的滑轮组也下移6 m，根据动滑轮的倍增工作原理，钢丝绳带动滑车、动力头及钻具下降的距离就是12 m，从而实现行程的倍增，此时利用液缸的杆腔力下压钻柱，实现表层加压钻井，整个过程中上提钢丝绳随动，不产生作用力。在该过程中，提升滑车还能辅助完成卸单根操作。

3主要技术参数

提升系统的主要技术参数如表1所示。

表1　主要技术参数

4创新技术

1)该提升系统结构简单，省掉了传统的绞车系统、天车、游车和大钩，可整体随着井架角度倾斜，始终与井架保持为平行，既能钻直井又能钻斜井。

2)该提升系统利用倒置液缸缸筒随动，在其上、下分别安装起重滑轮，通过特殊绕绳方式使其形成两组独立的增距动滑轮系。该系统中有钢丝绳过渡装置和导向扶正机构，从而实现了行程的倍增、承重绳数的增加，以及提升能力的提高和提升装置稳定性的提高。

3)提升系统可沿轨道整体进出井架，仅需对钢丝绳和液缸的销钉进行操作，就可完成整个系统的拆装，方便快捷。

5厂内试验及现场应用

2012-06，提升系统借助提升试验台进行了提升载荷900 kN和下压载荷120 kN 的厂内测试，并进行了提升滑车的翘举试验和接卸口试验，试验结果符合设计要求。

2012-12，中石油渤海钻探公司在荣盛试验1X井中采用了该提升系统，进行了45°斜直井钻井作业，达到使用要求。

2014-10，方圆科技发展有限公司在中石油华固34-1、34-2井钻井作业中使用该提升系统，并在现场利用该提升系统和地面安装滑轮组完成撬装钻机在井场内井位变换，作业顺利完成，符合现场使用要求。图7为现场照片。

图7　钻井现场

6结论

1)当液缸行程选定后，该提升系统能使钻机顶驱或动力头的工作行程翻倍，而运输总体长度仅比选定液缸安装距稍长，既满足了钻井工作需要又方便了运输。

2)该系统具备主动下压的能力，可以实现表层加压钻进，提高了钻进速度。在水平井下套管(筛管)遇阻时，提供一定的下压力，提高套管完井效率。

3)现场应用表明，该提升系统既可应用于斜井，又可应用于直井，为我国钻采浅层稠油[5]、井场密集丛式井开发、复杂地况钻井等工程作业提供了一种简单可靠的提升系统，具有一定工程应用优势。

参考文献：

[1]刘卓钧，李绪炎，甄启民，等.关于开发斜直井采油技术装备的几个问题[J].石油矿场机械，1990，19(3)：21-25.

[2]张连山.国内外斜井钻机的应用及技术发展方向[J].石油机械，1989，17(6)：45-50.

[3]方德彭 贾学明.用斜直井钻机的钻井完井技术[J].石油钻探技术[J].1993，21(2) ：7-11.

[4]成大先.机械设计手册：1卷[M].北京：化学工业出版社，2007.

[5]张伯英.斜直井钻机可在重油勘探开发中发挥较大作用[J].钻采工艺，1993，16(2)：43.

MZJ-15XY Development of Slant Drilling Rig Hoisting System

WANG Weihua，ZHANG Ning，WANG Jianwei，LI Shenkui，LIU Shiyan，WU Guohui，WANG Kunqing

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062252，China)

Abstract：The conventional hoisting system is complex and not applicable to slant drilling rig.Using the reverse mounted hydraulic cylinder as sliding pillow，combining with upper and lower pulley blocks，they are made to form two independent distance increasing movable pulley system with special wire rope winding method.The configuration can realize the multiplication of stroke and lift upwards loading or press downwards loading，thus replace the traditional hoisting system including draw works/crown block/traveling block and hook etc.It is a rig hoisting system that can be used in slant and straight drilling rigs，and meets the requirement of special drilling conditions.All of test indexes meet the design requirements in field application.

Keywords：slant well；hoisting system；traveling block；movable pulley

中图分类号：TE922

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.010

作者简介：王卫华(1981-)，男，河北任丘人，工程师，2006年毕业于河北工业大学机械设计制造及其自动化专业，现在从事石油钻采设备研发工作，E-mail：mlwwh@sina.com。

收稿日期：①2014-09-14

文章编号：1001-3482(2016)02-0046-04