顶部驱动钻井系统背钳设计计算.pdf

2 0 1 4年 第 4 3卷 第 7 期第 3 3页 石油矿 场机 械 OI L FI EL D EQUI PMENT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 4 0 7 0 0 3 3 - 0 4 顶部驱动钻井系统背钳设计计算 王士斌 中石化江苏石油 工程 有限公司 安徽分公司 ， 合肥 2 3 0 0 2 2 摘 要 介 绍 了顶 部驱 动钻 井 系统 背钳 的结构 及 工作 原理 ， 确 定 了背钳 牙板 夹持 钻 杆 时的摩 擦 因数 ， 进行 了夹紧液缸参数设计 、 背钳牙板设计。将这些方法应用到 YD Q9 0型顶驱背钳的设计 中， 成功 地试 制 出产 品 ， 经过现 场应 用 ， 效果 良好 。 关 键 词 顸部驱 动 钻 井 系统 ； 背钳 ； 液缸 ； 牙板 中 图分类 号 TE 9 2 2 文献 标识 码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 4 2 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 0 9 De s i g n Ca l c u l a t i o n o f Ba c k u p To ng i n To p Dr i v e Dr i l l i n g S y s t e m W ANG Shi bi n An h u i Br a n c h Co mp a n y， Si n o p e c J i a n gs u Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g C o mpa n y， He f e i 2 3 0 0 2 2， Ch i n a Ab s t r a c t The s t r u c t u r e c o m mo nl y us e d a nd wo r ki n g pr i nc i pl e of t h e ba c kup t on g i n t h e t o p dr i v e d r i l l i n g s y s t e m a r e de s c r i be d i n d e t a i l ， a nd s ome c o r e i s s ue s i n t he d e s i gn o f b a c ku p t o ng a r e p r o po s e d． The c o e f f i c i e nt of f r i c t i o n i s de t e r m i ne d， t h e s e l e c t i o n o f t h e c l a m p i n g hy d r a u l i c c y l i nd e r s p a r a m e t e r s a r e m a d e t o d e s i gn t he d e n t a l l a mi n a ．The s e me t h od s ha v e be e n a p pl i e d t o t he de s i gn o f t h e b a c k u p t o n g i n t h e YDQ9 0 t o p d r i v e d r i l l i n g s y s t e m ， a n d a s u c c e s s f u l p r o d u c t h a s b e e n ma nu f a c t ur e d ． The o ns i t e op e r a t i on s uc c e e de d wi t h i d e a l r e s u l t ． Ke y wo r d s t o p d r i v e dr i l l i ng s ys t e m ； ba c kup t on g； hy d r a u l i c c y l i n de r； d e nt a l l a m i n a 顶部 驱 动钻井 系统 以下 简称 顶驱 具有 较 高 的 承载能力 、 良好的密封性能及足够的转矩 ， 与传统的 具有 相 同功 能 的石 油 钻 机 钻井 系统 相 比 ， 可节 省 钻 井时间 2 0 ～3 O ， 尤其 在钻高难度 的定 向井、 水 平井 时经 济 效果更 加 显著 ， 并 可预 防卡 钻事 故口 ， 现 在 已成为 石 油钻井 行业 的标准 产 品[ 2 ] 。顶部 驱 动钻 井系统的适用性广 ， 2 0 0 0 ～9 0 0 0 m 的井深都可 以 使用 ， 并可拓展到煤气层钻井系统 中。 背钳 如 图 1 为顶驱管子处理装置的核心部件 之一 ， 由夹 紧系统 、 悬 挂 系统 和扶正 部 分组成 。夹 紧 系统 是 由液 压 缸 、 前 后 端 盖 、 活 塞 、 钳 牙 座 和 钳 体 ] 等零 部件 组成 。夹 紧时 ， 液压 缸进 油 ， 推动 活塞 向前 移动 ， 当牙板接触到钻杆[ 4 后 ， 活塞停止运动 ， 液压 力推 动液 压缸 向后 移动 ， 带动 前侧 牙板 夹住 钻杆 ， 主 轴旋转完成上 、 卸扣 的动作。悬挂系统 由挂架、 托座 和弹簧等构成 。背钳 的重 力通过弹簧作用 在拖座 上 ， 可 以减 少钻 井 时 的振 动 冲击 ， 还可 以实 现浮 动功 能。扶正系统 由扶正环和弹簧等构成 。背钳不工作 时 ， 前后扶正环抱紧保护接头 ， 使背钳牙板和钻杆保 持一定 间隙 ； 当背钳夹紧时 ， 右扶正环由于顶在钻杆 上 ， 不能随钳体一起后移 ， 所 以压缩弹簧 ， 待背钳松 开后 ， 在 弹簧作 用力 下 推动背 钳使 液压 缸前 移复 位 ， 继续 保持 牙板 和钻 杆 的间 隙 。 背钳设计的核心技术为牙板 夹持钻杆时摩擦 因数的确定、 夹紧液缸参数设计和计算 、 扶正部分结 构和相关参数设计 。 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 2 1 作者简介 王 士斌 1 9 6 2 一 ， 男 ， 安徽枞 阳人 ， 高级工程师 ， 主要从 事钻井企业管理工作 。 第 4 3卷第 7 期 王士斌 顶部驱动钻井系统背钳设计计算 { N D七 } N 2 D T／ 2 N 1 c o s 6 0 。 一 N 2 c o s 6 0 。 2Tc o s 3 0 7 c 7 钻杆接头T 西D a背钳夹紧系统 5 N 一 N 一 8 6 式 中 d为夹 持 液缸 活塞直 径 ， mm。 7 将 N 、 Nz 、 N。 、 N 记 作 』 ＼ ， 。牙板 压应 力 0 - zN／ A ， 据 此得 出牙 板 与钻杆 最小 接触 面积 A 。 b 动钳 c钻杆接头 图 2背钳牙板受力分析 2 背 钳 夹 紧 液 缸 参 数 设 计 等 夹 紧液 缸 活塞直 径 d根 据第 1 ． 2节 已经计 算 出 摆 动使 前 侧 牙 板 到 达 钻杆 接 头 外 径 ， 需 行 程 L ， 液 夹 ， 并取整为 5的倍数 即可。 缸前进及缩 回各预 留行程 S ram ， 共计 总行程 为 根 据 背钳 自由状 态 下 牙 板 与 钻 杆 接 头 外 径 问 2 LS 。 a 夹紧状态 D． 背钳销轴孔中心 ＼ 钻杆理论 钻杆接头半径 L 2 ／ O 扶正夹紧 ／ ＼ ’ ＼ 扶正系统 钻杆接头半径 L 钻杆接头 钳牙 牙板／ ＼ 牙板 ＼ ＼ 扶 卫 图 3 背钳夹 紧及 自由状态原理 b 自由状态 3 背 钳 扶 正 结 构 及 尺 寸 巽 分 析 国 内外 顶驱 背 钳扶 正结 构 ， 一般 有 2种 安 在 对该 结 构设 计 时 ， 悬 挂 系统 尺 寸 S 。 、 S 、 S s 、 扶 装位置 ①连接到液缸上方 ； ②安装到悬挂系统的立 正结构的尺寸位置 S 、 S 。 、 S 、 液缸行程 L、 S 、 自 石油 矿 场机 械 2 O 1 4年 7月 由状 态下 牙板 与钻杆 接 头外 径 的距 离 L 之 间具 有 严 格位 置尺 寸关 系 。 根据顶驱整体结构 、 夹紧液缸结构尺寸来设计 s 、 s 。 、 S 。 、 s 、 s 。根据 以下原则来确定相关参数 ， 之间的关系并进行扶正环及扶正套相关零件的尺寸 设计 。 3 ． 1背钳 自由状态 1 左右钳 牙 距 离 钻杆 接 头 外 径均 为 L 一 般 取 1 0 ～2 0 ram 。 2 右扶 正 环 距 离 钻 杆 接 头 外 径 0 mm， 左 扶 正 环距 离钻杆 接头 外径 L ／ 2 ， 扶 正环 弹簧 自由状 态 。 3 扶 正 套 右 边 内孑 L 距 离钻 杆 接 头 外 径 1 ． 5 L， 左 边 内孔 与钻 杆 接 头 外 径 距 离 一扶 正 套 内孔 直 径 一钻 杆接 头外径 一1 ． 5 L。 3 ． 2背钳 夹紧状 态 1 左 右钳 牙距离 钻杆 接头外 径均 为 0 。 2 右 扶 正环 距 离 钻 杆 接 头 外 圆 为 0 ， 弹簧 受 压 ； 根 据 图 3确定 左 扶 正环 距 离 钻杆 外 径 距 离及 弹 簧受压 缩量 。 3 整 个 背 钳 立 柱 竖 直 中心 线 倾 斜 一 定 角 度 ，钳牙有最大倾斜距离 ， 均根据图 3得到具体数值。 4 夹 紧液 缸行程 为 2 LS 。 4 设 计 应 用 以 Y DQ9 0型顶 驱 的输 人参 数为例 。 4 ． 1 背钳 牙板 参数确 定 已知 钻杆接 头 最 大外 径 D一1 2 7 mm； 工 作转 矩 T 一1 5 k N m； 最大 转 矩 丁一3 0 k N m； 压力 p 一1 6 MP a ； 摩 擦 因数 厂一0 ． 7 5 ； 两牙 板夹 角 为 6 0 。 ； 牙板材 料 3 8 C r Mo A1 ， 调 质 处 理 ， 表 面 氮化 ， 一9 8 0 M Pa， 一 8 35 M Pa。 根 据式 7 得 一1 4 7 ． 3 mm； 根 据式 8 得N 一 Nz 一1 5 7 4 1 8 N； 牙板压 应力 一N／ S 1 5 7 4 1 8 ／ A 1 5 7 4 1 8 ／ 8 3 5 1 8 8 ． 5 mm。 。 根 据 以上计 算 ， 结 合钻 井和修 井动 力钳 、 吊钳标 准 ， 对 牙板 的结构 尺寸 进行设 计 。 4 ． 2 背钳 夹紧液 缸参 数确 定 背 钳 自由状 态 下 牙 板 与 钻 杆 接 头 外 径 问 隙 L 取 为 1 4 mm。 根据第 1 ． 2节中的计算 ， 设计 出夹紧液缸 的内 径 为 1 4 7 ． 3 mm， 圆整 为 1 5 0 mm。 根 据 已知要 求 背 钳 自由状 态 下 牙板 与钻 杆 接 头外径间隙 1 4 ram 及背钳工作原理 ， 确定夹紧液 缸 行程 2 LS 一 4 0 ram 根据经 验预 留行程 S取 6 mm 。 4 ． 3 背钳扶 正结构 及 尺寸设 计 如 图 1 根据顶 驱 整 体 结 构 、 夹 紧 液 缸 结 构 尺 寸 确 定 S1 1 4 1 ．5 mm 、 S2 3 1 7 mm 、S3 3 3 1 mm 、S4 4 2 0 mm、 S 一3 5 6 ． 5 mm。相关参数之间的关系、 扶 正环 及扶 正套相 关零 件 的尺 寸设计 如下 1 左右钳 牙距 离钻杆 接头 外 圆均 为 1 4 mm。 2 右扶 正 环距 离 钻 杆 接 头 外 圆 为 0 ， 左 扶 正 环距 离钻 杆接 头外 圆 7 mm， 弹簧 自由状 态 。 3 扶正 套右边 距 离钻 杆 接 头外 圆 2 1 mm， 左 边距 离钻 杆外 圆 1 5 9 1 2 7 一2 1 一l 1 ram 注 可 根 据该 关 系式 ， 确定扶 正套 内孔尺 寸 1 5 9 ram 。 4 右扶 正环距 离钻 杆接 头 外 圆 为 0 ， 受 压 ， 弹 簧最大压缩 1 3 ． 3 7 7 6 ． 3 7 mm， 最大拉伸应小于 6 ． 3 7 mm； 左 扶 正环距 离钻杆 外 圆 1 3 ． 3 7 miT l 。 5 整个 背钳 竖直 中心线 倾斜 9 1 。 2 ， 钳 牙 最 大 倾 斜 1 ． 0 7 r f l m。 6 夹 紧液缸 行程 2 1 4 6 一4 0 mm。 7 扶 正 套 右 边距 离钻 杆 接 头外 圆 8 mm， 球 头受 压 ； 左 边距 离 钻 杆 接 头 外 圆 1 5 9 1 2 7 一8 2 4 mm 。 5 结 论 经过对 顶部 驱动钻 井 系统背 钳 的原 理分 析及 结 构设 计应用 ， 达 到 了顶 驱在钻 井过 程 中的接单 根 、 上 卸扣 和倒划 眼等 多种操 作 的 目的 。同时使顶 驱实 现 了浮 动功能 ， 减 少 了打 钻 时 的振动 冲击 。正 常 钻 进 时 ， 保持牙板和钻杆 的间隙， 防止碰撞 和摩擦 的产 生 。顶部驱 动 钻 井 系 统 背 钳 的 研 究 设 计 原 理 和 方 法 ， 最 初被应 用在 Y DQ9 0型 顶驱 背 钳 的设 计 上 ， 通 过功 能试验 和 现场 使 用 ， 达 到 了 预期 效 果 。之 后 该 技术 又被应 用在 YD Q1 3 5型 等顶 驱 上 ， 均 取得 了 良 好 的效果 。经 过几 年来 的现 场 应用 ， 证 明该 技 术 可 以广 泛应 用于各 类顶 驱背钳 的设 计 。 参考文献 [ 1 ] 陈朝达． 顶 部驱动钻井 系统 [ M] ． 北京 石 油工业 出版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 ] S Y ／ T 6 7 2 6 2 0 0 8 ， 石油钻机顶部驱动装置[ S ] ． [ 3 1 S Y ／ T 5 O 7 4 2 O 1 2 ， 钻井和修井动力钳 、 吊钳[ s ] ． [ 4 ] AP I S p e c 5 D P -- 2 0 0 9 ， 钻杆规范[ s ] ． [ 5 1 濮 良贵 ， 纪名 刚． 机械 设计 [ M] ． 北 京 高等 教育 出版 社 ， 1 9 9 6 4 0 4 3 ． [ 6 1 苏翼林． 材料力 学 [ M] ． 北京 高 等教育 出版社 ， 1 9 8 7 35 51 ． [ 7 1 冯琦 ， 郭永岐 ， 桑 峰军． 典型顶部 驱动钻 井装 置结构 与 功能分析[ J 1 ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 9 9 0 9 3 ．