高 搏　王浚璞　劉 炯　張 潔　劉迅超

(1. 川慶鉆探工程公司安檢院， 四川 廣漢 618300； 2. 川慶鉆探工程公司設備處， 成都 610051)

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新型輪軌式鉆機平移及底座頂升系統(tǒng)設計

高 搏1王浚璞2劉 炯1張 潔1劉迅超1

(1. 川慶鉆探工程公司安檢院， 四川 廣漢 618300； 2. 川慶鉆探工程公司設備處， 成都 610051)

針對輪軌式鉆機平移系統(tǒng)需要在低溫、沼澤、沙漠等惡劣環(huán)境下進行叢式井鉆井作業(yè)的特點，綜合考慮經濟、平穩(wěn)、快速、安全可靠等因素，研發(fā)設計了新型輪軌式鉆機平移及底座頂升系統(tǒng)。新型輪軌式鉆機平移系統(tǒng)結構清晰，操作簡單可靠，具有良好的經濟性、可靠性、通用性和安全性。其中，頂升油缸的設計中，底座的支撐結構更簡潔，底座調平和起放操作更方便。

叢式井； 輪軌式； 鉆機平移； 頂升系統(tǒng)； 平移系統(tǒng)

輪軌式鉆機平移系統(tǒng)能在低溫、沼澤、沙漠等惡劣環(huán)境下進行叢式井鉆井作業(yè)，具有經濟、平穩(wěn)、快速、安全可靠的特點，是國外較惡劣環(huán)境下的叢式井鉆機普遍采用的配置[1-3]。本次研究針對輪軌式鉆機平移系統(tǒng)的更高要求，研發(fā)并設計平移及底座頂升調平系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點在于，將控制原件集中布置在一個操作箱內，可以通用于其他類似鉆機的頂升平移裝置，且新型頂升油缸的設計使底座的支撐結構更簡潔，底座調平和起放操作更加方便[4-8]。

1　系統(tǒng)組成

1.1系統(tǒng)構造

系統(tǒng)構造簡圖如圖1。為了方便快速地安裝、運輸及操作維護，將系統(tǒng)構造分成了3個部分：執(zhí)行元件、操作箱和液壓站。

圖1　系統(tǒng)構造簡圖

執(zhí)行元件包括2根平移油缸和4根底座頂升油缸；液壓站主要由油箱、柱塞泵、加油泵、過濾器、多路閥組和電控箱等裝置組成；操作箱主要元器件包括1組五片多路閥、1組四聯(lián)同步馬達、5個單向節(jié)流閥和2個三通球閥等。頂升油缸上有4個鎖緊螺母，當底座頂升到位并調平以后，將鎖緊螺母旋轉至缸筒端面鎖緊，以支撐底座。

1.2頂升和平移系統(tǒng)

圖2所示為頂升和平移系統(tǒng)原理圖。底座頂升的液壓系統(tǒng)中，液壓站提供液壓動力油，操作5片多路閥組的第1片閥；壓力油經過四聯(lián)同步馬達等量分流后，依次供給4個底座油缸7-1、7-2、7-3、7-4，使其同步伸縮，當油缸之間的位移同步誤差超過允許值時，分別操作多路閥組的其他4片閥，可對油缸進行單獨伸縮控制，從而保證底座的同步起放。

當鉆機平移時，應將三通球閥5-1、5-2切換到另一個工位，再拔掉油缸7-1、7-2的管線，將其連接到平移油缸6-1、6-2上。液壓站提供液壓動力油，操作5片多路閥組中的第1片閥，壓力油經過四聯(lián)同步馬達實現等量分流。由于平移油缸僅有2只，為了共用同步馬達，使四聯(lián)馬達a、c并聯(lián)供給平移油缸6-1，四聯(lián)同步馬達b、d并聯(lián)供給平移油缸6-2，平移油缸6-1、6-2并同步伸縮。當兩油缸之間的位移同步誤差超過允許值時，分別操作多路閥組的第2、第3片閥，可對油缸進行單獨伸縮控制，從而保證其平移同步。

1 — 控制閥組；2 — 壓力表；3 — 單向節(jié)流閥；4 — 四聯(lián)同步馬達；5 — 三通球閥；6 — 平移油缸；7—底座頂升油缸

1.3同步控制系統(tǒng)

常規(guī)同步回路中普遍采用的是節(jié)流同步回路，同步精度受油溫和負載的影響較大，同步性能較差。本系統(tǒng)采用容積式同步回路，4個液壓馬達通過同一根軸實現機械連接，以同一轉速旋轉，將相同的流量送入4個液壓缸，從而實現4缸同步。容積式同步回路的同步精度取決于液壓馬達的容積效率，便載所造成的壓差不影響送入油缸的流量，只影響微量的壓縮和泄漏[9]。

底座頂升時液壓油經同步馬達一分為四，以等流量控制4只油缸的伸縮；鉆機平移時液壓油經同步馬達一分為二，以等流量控制2只油缸的伸縮。當測量到伸縮誤差超過允許值時，手動操作補償閥，可消除位移誤差。

2　液壓系統(tǒng)的參數計算

液壓泵的額定工作壓力，主要根據液壓系統(tǒng)壓力、壓力損失和壓力儲備系數等因素來綜合計算。液壓站平時主要工況的作用是為鉆臺的機具提供動力源[10]。根據主要液壓機具 —— 鉆桿動力鉗的參數要求，確定系統(tǒng)的壓力和流量：鉆桿動力鉗的額定流量114Lmin；鉆桿動力鉗的額定壓力16.6MPa。

液壓泵的額定工作壓力按式(1)計算：

pB=K(p+∑Δp)

(1)

式中：pB—— 液壓泵的額定工作壓力，MPa；

K —— 液壓泵壓力儲備系數，K=1.1；

p —— 液壓系統(tǒng)工作壓力，p=16.6MPa;

∑Δp —— 系統(tǒng)的總壓力損失，包括管路沿程阻力損失和液壓元件局部阻力損失，0.5MPa。

計算得到PB為18.8MPa，根據標準圓取整為19MPa。

液壓泵的額定工作流量按式(2)計算：

QB=KQ大鉗

(2)

式中：QB—— 液壓泵的額定工作流量，m3s；

K —— 漏損系數，K=1.1；

計算得到QB為2.09×10-3m3s。由此計算出泵的排量；此處預估泵的額定轉速n為1 480rmin。于是算得q為84.7cm3/r。

液壓泵的理論驅動功率：

(3)

式中：ψ —— 轉換系數，這里取ψ=1；

ηB—— 液壓泵的總效率，取ηB=0.90。

計算得到NB=44.12kW,根據標準圓取整為45kW。

根據泵的PB、q、n參數選擇液壓泵，使其滿足輪軌式鉆機的耐低溫要求。

3　頂升油缸的結構設計及計算

3.1頂升油缸的結構

圖3所示為頂升油缸安裝示意圖。當底座被同步頂升到位后，手動操作單片閥對單只油缸進行伸縮調整，很容易調節(jié)底座水平，再旋緊機械鎖緊螺母，4根油缸和4個千斤頂作為底座的支腿支撐底座工作，省去了常規(guī)輪軌式平移系統(tǒng)須用到的12個千斤頂，避免了繁瑣的水平調節(jié)步驟。這樣的設計對頂升油缸提出了較高的設計條件：(1)油缸雙作用，桿端帶機械鎖緊螺母；(2)工作壓力為16MPa，耐壓為24MPa； (3)推力為1 500kN;(4)行程≥500mm。

要跳出循環(huán)的怪圈，“蘇聯(lián)人”首先要“學習不再依靠偉大思想活下去”。但這是非常困難的?！岸謺r間”的出現恰恰顯現出“蘇聯(lián)人”對舊價值無法自控的依賴和新價值重建的艱難。

圖3　油缸安裝示意圖

根據以上條件，將頂升油缸設計成如圖4所示的結構形式。考慮到桿端帶機械鎖緊螺母，且頂升油缸主要承受推力，拉力作用主要是收縮油缸時克服油缸自重，拉力較小；因此，將圖中的1、2、4個端面都設計成油缸推力的液力作用面，拉力的液力作用面為圖中的端面3。這樣設計，可使油缸的結構非常緊湊，大大縮小了缸筒的直徑。

圖4　頂升油缸結構圖

普通的頂升油缸一般設置有雙向液壓鎖，用于起升時防止系統(tǒng)出現故障而導致的油缸下滑和平移時的活塞桿下滑。如果按圖4所示的結構加雙向液壓鎖，當空載試驗油缸，無桿腔進油，有桿腔出油的液壓鎖需要無桿腔進油管線一定的壓力才能打開，且開和關之間不穩(wěn)定。這樣就容易造成缸筒和活塞桿成為一體，桿腔無進油就會拉壞防拉螺母。因此，僅在無桿腔設置了液壓鎖，防止系統(tǒng)出現故障而使油缸下滑；在平移時，旋緊鎖緊螺母，再擰好保險螺栓，活塞也不會下滑。

3.2頂升油缸的計算

3.2.1油缸推力的驗算

F=(A1p-A2p0)ηm

(4)

式中：F —— 活塞桿的實際推力，kN；

A1—— 液壓缸活塞的有效作用面積，包括圖4所示的1、2、4端面；

A2—— 液壓缸有桿腔的有效作用面積，包括圖4所示的端面3；

p —— 液壓缸的工作壓力，16MPa；

p0—— 液壓缸的回油背壓力，0.5MPa；

ηm—— 液壓缸的機械效率，0.95。

在此，F計算結果為1 556kN，符合油缸的推力設計要求。

3.2.2缸筒壁厚的計算

(5)

式中：δ —— 缸筒壁厚，最大標準為28.5mm;

D —— 缸筒內徑，mm；

pmax—— 最高許用壓力，24MPa；

σs—— 缸筒材料的屈服強度，缸筒選用低溫材料Q345E，選取σs為325MPa；

N —— 安全系數，這里取2.0。

在此計算出δ為23.9mm，符合標準。

3.2.3活塞桿穩(wěn)定性的計算

活塞桿的彎曲穩(wěn)定性可以根據式(6)(歐拉公式)計算：

(6)

式中：FK—— 活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界載荷；

E —— 活塞桿材料的彈性模數，0.21TPa;

J —— 活塞桿橫截面慣性力矩，3×10-4N·m;

F —— 活塞桿的最大工作負載,單缸負載壓力為1 500kN；

R —— 安裝及導向系數，0.5；

LB—— 安裝距，400mm；

nK—— 安全系數，一般取3.5。

在此計算出，FK=15.5GN，FKnK=4.4GN；，符合穩(wěn)定性設計要求。

4　結　語

新型輪軌式鉆機平移及底座頂升系統(tǒng)設計方案綜合考慮了各方面的因素，使輪軌式平移鉆機在低溫、沼澤、沙漠等惡劣環(huán)境下更能有效地實施叢井鉆井作業(yè)。該系統(tǒng)結構簡單，易于搬遷，操作簡便。在進行頂升工況和平移工況的切換時，只需切換操作箱面板上的球閥和油缸上的管線，頂升和平移時都可進行同步和單缸補償的操作。新型頂升油缸的設計使底座的支撐結構更簡潔，底座調平和起放操作更方便。此系統(tǒng)具備良好的經濟性、可靠性、通用性和安全性。

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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

國家“863”計劃項目“深水鉆機與管柱自動化處理關鍵技術研究”(2012AA09A203)

高搏(1979 — )，男，工程師，西南石油大學在讀碩士研究生，研究方向為石油鉆機監(jiān)理、檢驗及評估。

TH137.9

A

1673-1980(2016)04-0085-04