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第二章 钻机起升系统1石油机械设备概述概述 钻机的起升系统实质上是一台重型起重机，它是钻机的核心它主要由井架钻井架、天车、游车、大钩、游动系统钢绳、绞车和辅助刹车等设备组成起升系统的作用主要是起下钻具、下套管、控制钻头送进等2石油机械设备2.1 井 架3石油机械设备 井架是一种具有一定高度和空间的金属桁架结构井架是钻采机械的重要组成部分它在钻井或修井过程中，用于安放天车，悬挂游车、大钩、吊环、吊卡等机具，以及起下、存放钻杆、油管及抽油杆，并需承受井中钻柱重量因此，对井架的要求如下：4石油机械设备 1)应具有足够的强度、刚度和整体稳定性以保证起下一定深度的钻杆柱、套管或油管柱5石油机械设备 2)有足够的工作高度和空间，足够的钻台面积工作高度大，起下立根长度长，速度快，可节省时间井架上下底应有必要的尺寸，以安装天车，并保证起下操作时游动系统设备畅行无阻；便于在钻台上布置设备，安放工具，方便工人操作，使司钻有良好的视野6石油机械设备 3)应保证拆装方便，安全，移动迅速为此，结构应简单、轻便，并尽可能采用分段或整体运输，水平安装及整体起放的安装移运方法7石油机械设备2.1.1概述1.井架的基本组成 主要包括：井架主体，天车台，二层台，立管平台，工作梯。

2.井架的基本参数 井架的基本参数是反映井架特征和性能的技术指标，亦是设计、选择和使用井架的依据基本参数主要包括：井架高度、最大钩载、二层台立根容量、抗风能力等8石油机械设备3.井架型号 井架型号的组成：JJ(表示井架)、最大钩载/井架高度-井架型式、改进序号2.1.2井架结构类型 井架按其主体结构形式可分为四种基本类型：塔形井架；A形井架；桅形井架；前开口井架9石油机械设备1塔形井架 塔形井架是一种横截面为正方形或矩形的四棱截锥体空间桁架如图所示10石油机械设备 井架主体由四扇平面梯形桁架组成,每扇又分为若干桁格，同一高度的四面桁格在空间构成井架的一层，故整个井架也可视为由多层空间桁架组成11石油机械设备塔形井架的主要特点：(1)井架主体部分为封闭结构，整体稳定性好，承载能力大2)整个井架由许多单一构件用螺栓联接而成，制造简单，运输方便3)井架内部空间大，起下操作方便，安全4)拆装工作量大，高空作业不安全，搬迁不方便12石油机械设备 塔形井架适用于较少搬迁而要求承载能力大，稳定性好的钻机，如海洋钻机、超深井钻机13石油机械设备2.前开口井架 前开口井架亦称为形井架，如图所示其主要结构特征是：1)整个井架主体是35段焊接结构组成。

段间采用锥销定位和螺栓联接14石油机械设备15石油机械设备 2)通常采取水平拆装，整体起落和分段运输的办法搬迁井架搬迁方便、安全、迅速16石油机械设备17石油机械设备 3)因受运输尺寸限制，井架主体截面尺寸较小，使井架内部空间比较狭窄为了方便游系设备上下运行和立根排放，井架主体作成前扇敞开，横截面为开口矩形(即形)的不封闭空间结构，其整体稳定性较塔形井架差而较A形井架优有的前开口井架最上段作成四边封闭结构以增强其稳定性18石油机械设备 4)井架各段两侧桁架结构形式相同，背扇则采用特殊腹杆布置形式，如菱形，以保证司钻视野良好由于前开口井架具有结构简单，移运、搬迁方便、良好的承载能力和整体稳定性，而成为应用最广泛的陆地钻机井架如美国陆地钻机几乎全部采用前开口井架我国制造的各种钻机(从1560)都可以配置此类井架19石油机械设备3.A形井架 它是由两个等截面的空间杆件结构或管柱式结构的大腿靠天车台和二层台及附加杆件连接而成的“A”字形空间结构20石油机械设备 大腿的前方或后方有撑杆支承，或在后方用人字架支承整个井架仍和前开口井架一样，采取地面水平组装，整体起放，分段运输两个大腿都是由35段封闭的焊接结构用螺栓联结的整体结构。

大腿断面依所选型材不同，而采取不同的截面形状，一般为矩形或三角形撑杆有杆系柱结构，矩形断面或管柱结构21石油机械设备 A形井架的每根大腿都是封闭的整体结构，承载能力强和稳定性好井架内部空间大，钻台宽敞，司钻视野开阔由于两腿间联系较弱，致使井架整体稳定性较差22石油机械设备23石油机械设备 下图是A形井架利用本身的撑杆来起放井架，安装方便，起放平稳但撑杆在起放时要在大腿上滑动，且撑杆受力复杂，故井架大腿和撑杆结构较复杂24石油机械设备4桅形井架 桅形井架是一节或几节杆件结构或管柱结构组成的单柱式井架，有整体式和伸缩式两种这种井架一般利用液压缸或绞车整体起放，分段或整体运输，拆装移运很方便25石油机械设备26石油机械设备27石油机械设备 由于井架横截面尺寸小，为了避免游系设备上下运行不便，并适应井架伸缩或折叠的需要，井架前扇一般做成部分或全部敞开的形截面结构同时井架工作时也向井口方向前倾(倾角一般在7以内)因此，绷绳成了井架不可缺少的基本支承之一，是桅形井架整体结构的主要特征桅形井架结构简单，轻便，但承载能力小，只用于车装轻便钻机和修井机28石油机械设备2.1.3典型自升式井架简介 JJ450/45-K4、JJ300/43-A和JJ225/43-KC1三种井架的结构特征、现场安装拆卸和起升方法及规程。

2.1.4井架的维护和保养 井架的润滑、维护保养的要点和规程，以及注意事项29石油机械设备2.2 钻机的游动系统30石油机械设备2.2.1概述 钻机的游动系统由天车、游车、钢丝绳和大钩组成它实质上是用钢丝绳把天车和游动滑车联系起来组成的动滑轮系统它可以大大降低快绳拉力，从而大为减小钻井绞车上的载荷通常所说的游动系统结构，指的是游车轮数天车轮数如“游动系统56”，即表示游车轮数为5，天车轮数为631石油机械设备2.2.2游动系统钢丝绳与滑轮力学分析1.运动分析 起下钻的目的是为了更换新钻头，继续钻进为了提高钻井效率，要充分利用绞车功率，以缩短起下钻时间为此，首先要了解起下钻过程的运动规律和大钩载荷变化规律如图2-1所示，设V为大钩速度，V1V6 为各段钢绳速度，Vf和Vd 为快绳和死绳速度，Z为有效绳数，D为滑轮直径,V和n为天车滑轮旋转的线速度和转速32石油机械设备图图2-1 2-1 游动系统运动和钢丝绳拉力分析图游动系统运动和钢丝绳拉力分析图a aF F1 1F F2 2F F3 3F F4 4F F5 5F F6 64 4F Ff fV Vf f0 0F Fd dV Vd db bc cV V1 1V V2 2V V3 3V V4 4V V5 5V V6 633石油机械设备则钢绳速度依次为：Vf=V1=6V=ZV;V2=V3=4V;V5=V4=2V;V6=Vd=0 （2-1）天车滑轮速度依次为：V1=ZV，n1=60ZV/(D);V2=4V，n2=604V/(D);V3=2V，n3=602V/(D);V4=0，n4=0;（2-2）34石油机械设备由上述分析及(2-1)和(2-2)式可见：其一，在起下钻过程中，快绳侧的钢丝绳运动速度明显高于死绳侧，其弯曲次数比死绳侧要多出数倍，快绳侧钢丝绳会疲劳断丝或断芯。

当钢丝绳一个螺距上断丝数达到绳中全部钢丝数10%，或者钢绳断芯致使钢绳直径小于原始直径的75%时，应将此段钢绳报废，即将报废段钢丝绳斩断，由死绳端储绳卷筒中放出新绳，重新固定在滚筒上35石油机械设备 其二，在起下钻过程中，快绳一侧的滑轮转速要比死绳一侧高数倍，所以愈靠近快绳处的滑轮轮槽及滑轮轴承磨损愈严重因此当对天车、游车进行检修时应将其滑轮及轴承进行倒换，即把靠近死绳侧的滑轮及轴承与靠近快绳侧的滑轮及轴承对换，以均衡它们的寿命当轮槽磨损严重或已经出现波纹状沟痕时，应更换滑轮，以延长钢绳的寿命36石油机械设备2.动力分析 三种工况：大钩悬重静止、大钩起升、大钩下放如图2-1所示，设：Qs，s为起升时游动系统起重量和效率；Qh为钩载；Gs为游动部件常量；Ff，F1，F2，Fz，Fd为快绳、各游绳和死绳的拉力；Qs，s为下钻时游动系统起重量和效率；Ff，F1，F2，Fz，Fd为下钻时快绳、各游绳和死绳的拉力1）当大钩悬重静止时，各段游绳拉力相等，即：Ff=F1=F2=Fz=Fd；Qs=Qh+Gs=F1+F2+Fz=ZFf；Ff=Qs/Z （2-3）37石油机械设备 在大钩起升和下放时，钢绳处于运动状态，由于钢绳与滑轮轮槽间和滑轮轴承的摩擦阻力和钢绳内部的摩擦阻力(弯曲阻力和由于弯直变化而产生的僵性阻力)，使各绳拉力发生了变化。

2）当大钩起升时，有：FfF1F2FzFd 设为一个绳轮的效率，则快绳拉力为 Ff=Qs(1-)/(1-z)（2-4）游动系统效率为：s=(1-z)/Z(1-)（2-5）可见，有效绳数越多，游动系统效率越低38石油机械设备3）当下钻时，有：FfF1F2FzFd 则快绳拉力为 Ff=Qsz(1-)/(1-z)（2-6）游动系统效率为：s=Zz(1-)/(1-z)（2-7）由上述分析可见，在起钻和下钻时各游绳拉力是不同的，其中起钻时快绳拉力为最大当Z相同时可取s s，即：s=s=（z+1）/2 （2-8）39石油机械设备表2-1给出了钻机游动系统的效率值，可直接选取表表2-1 2-1 游动系统效率游动系统效率40石油机械设备2.2.3天车 天车是安装在井架顶部的定滑轮组(见图2-2)41石油机械设备 天车主要由天车架、滑轮、轴承、轴承座和辅助滑轮等零部件组成42石油机械设备 天车架是由钢粱焊接的矩形框架，用以安装天车滑轮轴并与井架顶部相连接（如下图所示）43石油机械设备1.天车的结构特点 三种基本结构形式：滑轮轴共轴线，并且各滑轮相互平行；滑轮轴线平行，快绳滑轮在另一根轴上；滑轮轴不共轴线，并且快绳滑轮相偏斜。

2.天车的技术规范 技术规范中所列参数包含：最大钩载、滑轮数、滑轮尺寸、重量、安装尺寸44石油机械设备 TC-350天车六个滑轮分为两组，中间由一个轴套隔开快绳滑轮安装在两组天车滑轮之间的前上方，便于快绳直接从井架外侧引向滚筒滑轮轴承为双列园锥滚子轴承，用锂基黄油润滑，每个轴承都单独有一个钻在滑轮轴上的润滑油通道图图2-2 TC-3502-2 TC-350天车天车45石油机械设备2.2.4游车 游车是靠钢绳悬在井架内部作上下往复运动的动滑轮组见图23)46石油机械设备图图2-32-3YC-350YC-350游车游车47石油机械设备 图2-2，2-3所示的TC-350天车和YC-350游车都配用于国产45级别钻机上，它们可配用具有不同规格的轮槽形状的滑轮，便于分别用11/4in，138in或32.5mm，33.5mm，34.5mm的钢丝绳，以适应我国油田目前所用钢丝绳规格较多的状况48石油机械设备2.2.5大钩 大钩悬挂在游车下面49石油机械设备 钻机大钩一般皆为三钩，主钩悬挂水龙头，副钩悬挂吊环大钩主要由钩身、钩杆、钩座、提环、止推轴承和弹簧组成50石油机械设备1.钻井工作对大钩的要求：1)应具有足够的强度和工作可靠性；2)钩身能灵活转动，以便上、卸扣；3)大钩弹簧行程应足够补偿上、卸扣时钻杆在垂直方向上的位移；4)钩口和侧钩的闭锁装置应绝对可靠，启闭方便；5)具有缓冲减振功能，能减小拆卸立根时的冲击。

51石油机械设备2.大钩结构特点：钻井大钩有两大类：一类是独立大钩，可与游车分开拆装；一类是游车大钩，游车和大钩为整体结构，二者不能分开DG-350大钩如图2-4所示，主要配备于 ZJ45级钻机图图2-4 DG-3502-4 DG-350大钩大钩52石油机械设备 DG-350大钩的吊环1与吊环座3由销轴2连接，吊环座3与大钩中心处的钩杆13焊接在一起，筒体7和钩身8用左旋螺纹连接，并用止动块防止螺纹松动钩身和筒体可沿钩杆上下运动，筒体内装有5、6两个压缩弹簧53石油机械设备 在工作时，大钩下的钻柱载荷通过钩身作用在筒体上，使弹簧5、6压缩，通过筒体的台阶端面作用于固定在钩杆上的止推轴承16的座圈15上，从而使大钩载荷通过提环作用于游车上。