新型轮轨式钻机平移及底座顶升系统设计

高 搏　王浚璞　刘 炯　张 洁　刘迅超

(1. 川庆钻探工程公司安检院， 四川 广汉 618300； 2. 川庆钻探工程公司设备处， 成都 610051)



新型轮轨式钻机平移及底座顶升系统设计

高 搏1王浚璞2刘 炯1张 洁1刘迅超1

(1. 川庆钻探工程公司安检院， 四川 广汉 618300； 2. 川庆钻探工程公司设备处， 成都 610051)

针对轮轨式钻机平移系统需要在低温、沼泽、沙漠等恶劣环境下进行丛式井钻井作业的特点，综合考虑经济、平稳、快速、安全可靠等因素，研发设计了新型轮轨式钻机平移及底座顶升系统。新型轮轨式钻机平移系统结构清晰，操作简单可靠，具有良好的经济性、可靠性、通用性和安全性。其中，顶升油缸的设计中，底座的支撑结构更简洁，底座调平和起放操作更方便。

丛式井； 轮轨式； 钻机平移； 顶升系统； 平移系统

轮轨式钻机平移系统能在低温、沼泽、沙漠等恶劣环境下进行丛式井钻井作业，具有经济、平稳、快速、安全可靠的特点，是国外较恶劣环境下的丛式井钻机普遍采用的配置[1-3]。本次研究针对轮轨式钻机平移系统的更高要求，研发并设计平移及底座顶升调平系统。该系统的主要创新点在于，将控制原件集中布置在一个操作箱内，可以通用于其他类似钻机的顶升平移装置，且新型顶升油缸的设计使底座的支撑结构更简洁，底座调平和起放操作更加方便[4-8]。

1　系统组成

1.1系统构造

系统构造简图如图1。为了方便快速地安装、运输及操作维护，将系统构造分成了3个部分：执行元件、操作箱和液压站。

图1　系统构造简图

执行元件包括2根平移油缸和4根底座顶升油缸；液压站主要由油箱、柱塞泵、加油泵、过滤器、多路阀组和电控箱等装置组成；操作箱主要元器件包括1组五片多路阀、1组四联同步马达、5个单向节流阀和2个三通球阀等。顶升油缸上有4个锁紧螺母，当底座顶升到位并调平以后，将锁紧螺母旋转至缸筒端面锁紧，以支撑底座。

1.2顶升和平移系统

图2所示为顶升和平移系统原理图。底座顶升的液压系统中，液压站提供液压动力油，操作5片多路阀组的第1片阀；压力油经过四联同步马达等量分流后，依次供给4个底座油缸7-1、7-2、7-3、7-4，使其同步伸缩，当油缸之间的位移同步误差超过允许值时，分别操作多路阀组的其他4片阀，可对油缸进行单独伸缩控制，从而保证底座的同步起放。

当钻机平移时，应将三通球阀5-1、5-2切换到另一个工位，再拔掉油缸7-1、7-2的管线，将其连接到平移油缸6-1、6-2上。液压站提供液压动力油，操作5片多路阀组中的第1片阀，压力油经过四联同步马达实现等量分流。由于平移油缸仅有2只，为了共用同步马达，使四联马达a、c并联供给平移油缸6-1，四联同步马达b、d并联供给平移油缸6-2，平移油缸6-1、6-2并同步伸缩。当两油缸之间的位移同步误差超过允许值时，分别操作多路阀组的第2、第3片阀，可对油缸进行单独伸缩控制，从而保证其平移同步。

1 — 控制阀组；2 — 压力表；3 — 单向节流阀；4 — 四联同步马达；5 — 三通球阀；6 — 平移油缸；7—底座顶升油缸

1.3同步控制系统

常规同步回路中普遍采用的是节流同步回路，同步精度受油温和负载的影响较大，同步性能较差。本系统采用容积式同步回路，4个液压马达通过同一根轴实现机械连接，以同一转速旋转，将相同的流量送入4个液压缸，从而实现4缸同步。容积式同步回路的同步精度取决于液压马达的容积效率，便载所造成的压差不影响送入油缸的流量，只影响微量的压缩和泄漏[9]。

底座顶升时液压油经同步马达一分为四，以等流量控制4只油缸的伸缩；钻机平移时液压油经同步马达一分为二，以等流量控制2只油缸的伸缩。当测量到伸缩误差超过允许值时，手动操作补偿阀，可消除位移误差。

2　液压系统的参数计算

液压泵的额定工作压力，主要根据液压系统压力、压力损失和压力储备系数等因素来综合计算。液压站平时主要工况的作用是为钻台的机具提供动力源[10]。根据主要液压机具 —— 钻杆动力钳的参数要求，确定系统的压力和流量：钻杆动力钳的额定流量114Lmin；钻杆动力钳的额定压力16.6MPa。

液压泵的额定工作压力按式(1)计算：

pB=K(p+∑Δp)

(1)

式中：pB—— 液压泵的额定工作压力，MPa；

K —— 液压泵压力储备系数，K=1.1；

p —— 液压系统工作压力，p=16.6MPa;

∑Δp —— 系统的总压力损失，包括管路沿程阻力损失和液压元件局部阻力损失，0.5MPa。

计算得到PB为18.8MPa，根据标准圆取整为19MPa。

液压泵的额定工作流量按式(2)计算：

QB=KQ大钳

(2)

式中：QB—— 液压泵的额定工作流量，m3s；

K —— 漏损系数，K=1.1；

计算得到QB为2.09×10-3m3s。由此计算出泵的排量；此处预估泵的额定转速n为1 480rmin。于是算得q为84.7cm3/r。

液压泵的理论驱动功率：

(3)

式中：ψ —— 转换系数，这里取ψ=1；

ηB—— 液压泵的总效率，取ηB=0.90。

计算得到NB=44.12kW,根据标准圆取整为45kW。

根据泵的PB、q、n参数选择液压泵，使其满足轮轨式钻机的耐低温要求。

3　顶升油缸的结构设计及计算

3.1顶升油缸的结构

图3所示为顶升油缸安装示意图。当底座被同步顶升到位后，手动操作单片阀对单只油缸进行伸缩调整，很容易调节底座水平，再旋紧机械锁紧螺母，4根油缸和4个千斤顶作为底座的支腿支撑底座工作，省去了常规轮轨式平移系统须用到的12个千斤顶，避免了繁琐的水平调节步骤。这样的设计对顶升油缸提出了较高的设计条件：(1)油缸双作用，杆端带机械锁紧螺母；(2)工作压力为16MPa，耐压为24MPa； (3)推力为1 500kN;(4)行程≥500mm。

要跳出循环的怪圈，“苏联人”首先要“学习不再依靠伟大思想活下去”。但这是非常困难的。“二手时间”的出现恰恰显现出“苏联人”对旧价值无法自控的依赖和新价值重建的艰难。

图3　油缸安装示意图

根据以上条件，将顶升油缸设计成如图4所示的结构形式。考虑到杆端带机械锁紧螺母，且顶升油缸主要承受推力，拉力作用主要是收缩油缸时克服油缸自重，拉力较小；因此，将图中的1、2、4个端面都设计成油缸推力的液力作用面，拉力的液力作用面为图中的端面3。这样设计，可使油缸的结构非常紧凑，大大缩小了缸筒的直径。

图4　顶升油缸结构图

普通的顶升油缸一般设置有双向液压锁，用于起升时防止系统出现故障而导致的油缸下滑和平移时的活塞杆下滑。如果按图4所示的结构加双向液压锁，当空载试验油缸，无杆腔进油，有杆腔出油的液压锁需要无杆腔进油管线一定的压力才能打开，且开和关之间不稳定。这样就容易造成缸筒和活塞杆成为一体，杆腔无进油就会拉坏防拉螺母。因此，仅在无杆腔设置了液压锁，防止系统出现故障而使油缸下滑；在平移时，旋紧锁紧螺母，再拧好保险螺栓，活塞也不会下滑。

3.2顶升油缸的计算

3.2.1油缸推力的验算

F=(A1p-A2p0)ηm

(4)

式中：F —— 活塞杆的实际推力，kN；

A1—— 液压缸活塞的有效作用面积，包括图4所示的1、2、4端面；

A2—— 液压缸有杆腔的有效作用面积，包括图4所示的端面3；

p —— 液压缸的工作压力，16MPa；

p0—— 液压缸的回油背压力，0.5MPa；

ηm—— 液压缸的机械效率，0.95。

在此，F计算结果为1 556kN，符合油缸的推力设计要求。

3.2.2缸筒壁厚的计算

(5)

式中：δ —— 缸筒壁厚，最大标准为28.5mm;

D —— 缸筒内径，mm；

pmax—— 最高许用压力，24MPa；

σs—— 缸筒材料的屈服强度，缸筒选用低温材料Q345E，选取σs为325MPa；

N —— 安全系数，这里取2.0。

在此计算出δ为23.9mm，符合标准。

3.2.3活塞杆稳定性的计算

活塞杆的弯曲稳定性可以根据式(6)(欧拉公式)计算：

(6)

式中：FK—— 活塞杆弯曲失稳临界载荷；

E —— 活塞杆材料的弹性模数，0.21TPa;

J —— 活塞杆横截面惯性力矩，3×10-4N·m;

F —— 活塞杆的最大工作负载,单缸负载压力为1 500kN；

R —— 安装及导向系数，0.5；

LB—— 安装距，400mm；

nK—— 安全系数，一般取3.5。

在此计算出，FK=15.5GN，FKnK=4.4GN；，符合稳定性设计要求。

4　结　语

新型轮轨式钻机平移及底座顶升系统设计方案综合考虑了各方面的因素，使轮轨式平移钻机在低温、沼泽、沙漠等恶劣环境下更能有效地实施丛井钻井作业。该系统结构简单，易于搬迁，操作简便。在进行顶升工况和平移工况的切换时，只需切换操作箱面板上的球阀和油缸上的管线，顶升和平移时都可进行同步和单缸补偿的操作。新型顶升油缸的设计使底座的支撑结构更简洁，底座调平和起放操作更方便。此系统具备良好的经济性、可靠性、通用性和安全性。

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[4] 候依甫.钻井和修井井架、底座设计指南[M].北京：石油工业出版社，2005：24-31.

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[7] 佘理鸿，陈新龙，罗天保.快移ZJ30DBT钻机的开发与研制[J].石油机械， 2009，37(10)：48-50.

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TheNewWheel-TrackRigSkiddingandJackingSystemDesign

GAO Bo1WANG Junpu2LIU Jiong1ZHANG Jie1LIU Xunchao1

(1.Safety and Environment Quality Surveillance Research Institute, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.Ltd.,GuanghanSichuan618300,China; 2.FacilityDivisionofCNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,Chengdu610051,China)

Theclusterwelloperationofrigskiddingsystemshouldadapttosevereenvironmentssuchaslowtemperature,swamp,desertandetc.,soanewtypewheel-trackrigskiddingandjackingsystemisdesignedinthispaper,consideringvariousfactorswhichincludecost,stability,speed,safetyandsoon.Thenewdesignfocusesondesignandcheckofhydraulicsystemandjackupcylinder,whichiseasytooperateandfeaturingeconomy,reliability,versatilityandsafety.Thedesignofthejackingcylindersimplifiesthesupportingstructureofsubstructure,andfacilitatesthelevelingandthejackingofsubstructure.

clusterwell;wheel-track;rigskiddingsystem;jackingsystem;movingsystem

2016-01-05

国家“863”计划项目“深水钻机与管柱自动化处理关键技术研究”(2012AA09A203)

高搏(1979 — )，男，工程师，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为石油钻机监理、检验及评估。

TH137.9

A

1673-1980(2016)04-0085-04