陆地钻机钻杆自动起升系统的设计与优化

许长生

摘 要：随着陆地钻机在石油开采等行业中的普遍应用，让企业工作效率得到了很大的提高。不过随着钻孔深度的增加，钻机钻杆起升成为了一个技术性较强的工作环节，从目前来看，我国部分企业仍旧采用气动绞车或吊车来实现钻杆的起升，这样不仅存在一定的不稳定性，同时工作效率也较低。本文从陆地钻机的角度出发，在传统钻杆起升基础上，对陆地钻机钻杆自动起升系统的设计与优化进行探讨与思考。

关键词：陆地钻机；自动起升；设计与优化

中图分类号：TE922 文献标识码：A

一、钻杆自动起升系统结构概述

陆地钻机钻杆自动起升系统的组成元素有旋转臂总成、竖直桁架。总体来看，可以将旋转臂总成当作是一种特殊的指令执行元件，主要是在自动起升系统的最后节上执行其相对应的程序命令，当这种程序命令通过系统发出的时候，旋转臂总成就会按照提前设定的程序指令及指令内容执行其指令动作，进而将钻杆由一种状态转换到另一种状态，从而形成自动起升系统的核心组件。从内部结构来看，旋转臂以及起升架共同在起升系统中组成了旋转臂总成，而旋转臂由钻杆夹具手、旋转手臂等零部件组成；起升架由起升架本体、导向机构和液压缸等零部件组成。旋转臂前段上部端点与液压缸活塞铰接，下部与起升架装置进行支点铰接，在液压缸的作用下发生0°～90°的旋转，并且旋转臂在起升架的限制与辅助作用下发生上下的位移移动，从而通过旋转臂的作用实现了钻机钻杆钻台的输送工作。

在陆地钻井的具体过程中，通过旋转臂的作用将钻杆输送至钻台，当旋转臂在其自身与起升架间发生支点铰接旋转的时候，钻杆即发生由水平到垂直的位置改变，相反当钻井结束时，旋转臂在液压作用下进行收缩，又由垂直转换到水平位置，从而实现了旋转臂输送钻杆从水平到垂直的变换。

在实际工作中，起升架的主要构成元素有：起升装置本身、导向轮子以及利用液压原理进行工作的液压缸三部分。对于起升架的上部而言，它主要是通过上部的钢丝绳实现其驱动；另外考虑到起升架的工作原理及在实际工作中的重要特性，针对其上部与下部及不同位置的顶点位置，及各自的特性分布进行了导轮与滚轮的合理设计，从而实现起升架的良性工作；当起升架处于提升状态下的时候，导轮会依附于竖直桁架，并呈现出竖直上升的运动状态，这种状况下，滚轮就会在内壁上表现出较强的导向效果，不仅如此，滚轮还及时对起升架左右自由度进行了限制，讓起升架能够保持正常运作状态。

二、陆地钻机钻杆自动起升系统工作原理

概括而言，陆地钻机钻杆自动起升系统主要是借助自动起升控制系统，将钻杆从放置位置输送到钻台，然后在钻井工作结束的时候，又将钻杆从钻台位置转移到储存位置。陆地钻机钻杆自动起升系统首先实现了钻杆输送的自动化操作，不仅能够有效进行远程控制监控，同时与传统的启动绞车或吊车相比，钻杆自动起升系统充分消除了钻杆坠落、钢丝绳断裂等物体碰撞伤害，使得钻杆起升过程中安全风险大大降低，并通过自动化操作提升了工作效率，在一定程度上降低了成本费用。

在陆地钻机钻杆自动起升系统中，起到关键性作用的部件主要是旋转臂，具体流程是旋转臂上的夹具抓手握住钻杆，然后在液压作用下提升至相应高度，而后通过铰接旋转变换，最终将钻杆输送到相应的位置。旋转臂的工作流程如下：

1 钻井过程中旋转臂工作流程：抓取钻杆——提升钻杆——旋转钻杆——钻杆垂直——传递钻杆——旋转臂旋转下降，最后复位。

2 钻井结束后旋转臂工作流程：抓取钻杆——旋转钻杆——钻杆水平——钻杆下降——排放钻杆——旋转臂旋转上升，最后复位。

三、有限元分析优化

1 静力学计算

当钻杆处于水平状态的时候，假设其旋转臂装配体自重为G1=4.42kN，副旋转臂、连接臂、拉杆、夹具及夹具安装制作的重量之和为G2=1.68kN，起升架总装配体、液压缸及销轴的重量和G3=5.18kN，单针钻杆的自重G4=3.4kN，提升力为F0，导向轮与桁架法向作用力为F1，则由此可得出左下侧导向轮与桁架之间的摩擦力f1=λF1，λ=0.15，则右上侧导向轮与桁架间的摩擦力f2=λF2

2 结构分析

为了进一步从安全可靠方面，对钻杆起升系统进行相应的理论与实践测试，我们借助ANSYS有限元分析软件对竖直桁架、起升架及旋转臂进行结构分析。具体来说，假定旋转臂材质型号为16的锰钢，其屈服极限为210MPa，设定1.20为其旋转臂的安全系数，从而利用有关的计算公式得出许用应力为168.22MPa，另外由结构分析原理得出旋转臂和起升架的铰接部分的最大应力为150MPa，最大变形位移为2.54mm，小于许用应力，满足强度要求。

3 模拟分析

为了进一步通过试验模拟分析得到起升系统的振型及相对应的频率，本文对旋转臂进行模拟分析。我们从结构本身的前三个阶段提取出8.768Hz、11.422Hz、26.425Hz这三个固有频率，然后对旋转臂在X-Y平面内发生摆动的状况进行模拟分析，对第三固有频率整体旋转臂机构绕Y轴发生摆动进行相应的模拟分析。通过相应的模拟分析得出其结论：旋转臂整体机构在低阶频率范围内做平面摆动，整体变形较小，刚度储备能量较大，满足安全使用的要求。

结语

陆地钻机钻杆自动起升系统的设计，与传统的钻杆起升系统相比，显然具有一些不可比拟的优点，它不仅为石油企业最大程度上节省了钻杆起升成本的投入，同时也在很大程度上确保了施工安全，大大降低了其风险系数。

参考文献

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