石油钻井绞车滚筒旋向与钢丝绳捻向探析

程 立，寇 蓓，焦思菡

（兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州 730314）

关键字：钢丝绳；捻向；滚筒；旋向

前言

钢丝绳在实际工程中普遍用于吊装、提升、牵引等工况。在石油天然气钻采领域，钻井钢丝绳主要承担着提升、下放、活动钻具等载荷，具体是以钻井绞车滚筒的转动缠绕或释放钢丝绳并通过定动滑轮组实现钻具的提升、下放、活动。近年来，随着贯彻中国制造2025战略布局，石油钻采装备快速地向自动化智能化方向发展，对设备的作业效率和性能也有了更高的需求。而石油钻机在工作中钻井钢丝绳经常出现磨损、打扭、断丝等失效现象，严重影响钻井作业效率，并制约着设备性能的发挥。经各方论证绞车滚筒乱绳是造成该现象的主要原因之一，造成乱绳的因素有很多，但主要表现形式为起升钻具过程中滚筒缠绳出现架空、打扭、骑绳这三种现象[1]。根据多年现场使用经验造成这三种形式的主要原因有很多，不同学者和专家已重点进行分析，并提出多种影响因素及解决办法。但是，针对石油钻井过程中绞车滚筒旋向与钢丝绳捻向的选配关系一直存在较大的争议，本文针对该问题进行重点探讨分析，提出观点及选配建议。

1 钢丝绳类型及捻向

针对钢丝绳类型及捻向以往学者均有详细介绍，本文仅对常用钻井钢丝绳做简单陈述。

1.1 钢丝绳类型

钢丝绳按照结构分为单层股、多层股组旋转、多层股平行捻密实钢丝绳等。股为多根钢丝绕中心沿同一方向平行捻或者组合平行捻制的多层螺旋状结构。钻井钢丝绳均为多个股围绕一个绳芯螺旋捻制的多层股平行捻密实钢丝绳。

1.2 钻井钢丝绳捻向和念法

通常按钻井钢丝绳的捻制方向分为右捻（Z）和左捻钢丝绳（S）；按股的捻制方向分为右捻（z）和左捻股（s）；钻井钢丝绳按照绳和股的捻法主要分右交互捻（sZ）、左交互捻（zS）、右同向捻（zZ）、左同向捻（sS）、右混合捻（aZ)、左混合捻（aS）等。多采用前四种，如图1所示。

图1 钻井钢丝绳捻向和念法

2 绞车滚筒的旋向

2.1 滚筒旋向分类

在石油天然气钻采领域，钻井绞车绝大多数采用前出绳，少部分绞车采用后出绳，如图2所示。两种出绳方式的绞车滚筒均开有Lebus双折线绳槽，绳槽在卷筒周向约45°～180°和225°～360°区段上保持与滚筒端面平行，只在0°～45°和180°～225°区段上与滚筒端面相交，表现为绳槽会出现拐折现象，这种设计既对钢丝绳缠绕起到一定的导向作用，又尽可能大地减少钢丝绳在缠绕过程中的相互摩擦。按照钢丝绳在滚筒上的缠绕方向，主要分为左旋滚筒和右旋滚筒，二者均成熟广泛地应用于钻井作业中。

图2 钻井绞车出绳方向

2.2 滚筒旋向判断方法

对前出绳滚筒旋向的判断，主要依据滚筒绳头固定位置。面对着滚筒，绳头固定在左侧，首层钢丝绳缠绕时从左向右缠绳为左旋滚筒；绳头固定在右侧，首层钢丝绳从右向左缠绳为右旋滚筒；如图3所示。部分学者采用左、右手法则进行判断，也可以，但笔者认为上述方法更为直观简洁。

图3 滚筒的旋向

3 滚筒旋向与绳捻向的选配

在图2中，左侧滚筒为左旋，右侧滚筒为右旋。在实际应用过程中，对左旋滚筒和右旋滚筒配哪种捻向的钢丝绳，在不同学者和使用者之间一直存在较大的争议。部分学者认为左旋滚筒配右旋钢丝绳，右旋滚筒配左旋钢丝绳，驳论反之。笔者重点针对该问题进行分析：

3.1 单层缠绕

以往学者多次针对单层缠绕进行详细分析，这里不再论述，其结论是：交互捻钢丝绳既适用于左旋滚筒，也适用于右旋滚筒。但从钢丝绳的捻向角度分析，左旋滚筒更适合采用右同向捻钢丝绳，其次是右交互捻或左交互捻[2]，右旋滚筒反之。但不论左旋还是右旋滚筒最不适合采用同向捻钢丝绳[3]，该结论的依据是：钢丝绳在卷筒上的缠绕方向，必须是使钢丝绳紧捻而不是松捻的方向缠绕[4]。该说法不考虑折线绳槽和多层缠绕的问题。

3.2 Lebus双折线绳槽缠绕

笔者针对石油钻井绞车实际工况，对折线槽进行分段分析。针对钻井绞车双折线绳槽，在绳槽与端面平行区段，正在缠绕的钢丝绳和相邻已缠绳是平行关系，二者理论上没有接触，该区段内，左旋和右旋滚筒选配那种念法的钢丝绳理论上是没有任何关系的。这种设计最大程度减少了钢丝绳的咬绳现象，提高了钢丝绳寿命。

在绳槽和法兰端面相交区段，正在缠绕的钢丝绳和相邻已缠绳是交叉关系，滚筒旋向和钢丝绳捻向的选配适合单层缠绕说法。综合分析，整体缠绳应按照单层缠绕说法进行优选钢丝绳。

3.3 多层缠绕

钻井绞车工作时为多层缠绕，针对多层缠绕工况，滚筒为左旋（如图3左侧所示），当第一层钢丝绳缠满时，对于第二层钢丝绳而言，滚筒为右旋（如图4所示），依次对于第三层而言滚筒为左旋……，反之亦然。故，第一层、第三层缠绳时滚筒旋向相同，第二层和第四层缠绳时滚筒旋向相同。对左旋滚筒每层进行单层缠绕分析，单数层最优选配右同向捻钢丝绳，双数层最优选配左同向捻钢丝绳，右旋滚筒反之。但钢丝绳选定后，捻向是固定不变的。因此，综合考虑不论左旋还是右旋滚筒，针对多层缠绕时应优选交互捻钢丝绳。

图4 多层缠绕

4 钻井工况中钢丝绳的缠绕

钻井作业工况下，为防止钢丝绳从滚筒上脱落，当游车最低点下放至钻台面时滚筒第一层需缠三分之一钢丝绳，此时悬挂顶驱或水龙头后，绞车提升顶驱或水龙头使提环能挂上卡瓦，达到正常作业最低点工况，此时滚筒缠绳量为1层10圈左右，如图4所示。正常作业过程中这1层10圈左右的绳子不释放，提升和下放钻具过程中，参与作业的钢丝绳始终处于1层10圈至4层即将缠满的范围内，即在钻井作业中第二层、第三层、第四层钢丝绳频繁处于缠绕/释放过程。

结合滚筒旋向与绳捻向的选配分析，综合考虑钻井作业 中延长钢丝绳寿命，钻井工况中钢丝绳的缠绕应以第二层、第四层缠绳时滚筒旋向为基础，采用上述说法进行选配钢丝绳。

5 结论

根据笔者上述论证，得出以下观点：（1）针对单层缠绕工况：左旋滚筒应选配右交互捻钢丝绳，右旋滚筒应选配左交互捻钢丝绳；（2）针对多层缠绕工况：不论是左旋滚筒还是右旋滚筒，应优选交互捻钢丝绳；（3）针对石油钻井多层缠绕工况：应以第二层缠绳时滚筒旋向为基础进行优选钢丝绳，即左旋滚筒应选配左交互捻钢丝绳，右旋滚筒应选配右交互捻钢丝绳。