MZJ-15XY型斜井鉆機提升系統研制

王衛華，張　寧，王建偉，李慎奎，劉士巖，吳國輝，王坤青

( 河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

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MZJ-15XY型斜井鉆機提升系統研制

王衛華，張寧，王建偉，李慎奎，劉士巖，吳國輝，王坤青

( 河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

摘要：常規的鉆機提升系統的結構復雜、不適用于斜井鉆機。采用倒置缸筒做滑枕，結合上下滑輪組，通過鋼絲繩特殊纏繞方式使其形成兩組獨立的增距動滑輪系。該結構可實現行程的倍增和上提、下壓載荷的功能，從而取代絞車、天車、游車和大鉤等組成的傳統鉆機提升系統，可適用于斜直井鉆機，滿足特殊鉆井工況的需求。經過現場應用，各項指標均達到設計要求。

關鍵詞：斜井；提升系統；滑車；動滑輪

隨著我國對能源需求的不斷增加，在石油、天然氣及煤層氣的勘探開發領域，正朝著戈壁沙灘，泥濘草地，河海灘涂，山地丘陵等道路條件差，井場面積受限的地區發展[1]。由于環境條件不允許，在上述地區僅鉆常規直井，不能夠滿足勘探開發的需要，經常需要鉆各種斜直井、斜定向井、斜叢式井[2]。

目前，國內鉆機多為直井鉆機，利用大量復雜的井下造斜、穩斜工具可以鉆一定角度的斜井[3]。使用這種直井鉆機鉆斜井，施工難度大，周期長，費用高，特別不適宜在上述道路和井場面積都受限的地區進行鉆井作業。其提升系統主要通過絞車纏繞鋼絲繩，鋼絲繩通過天車和游動滑車組成的滑輪組，帶動大鉤起升或下放放管柱。這種提升系統具有機構復雜、拆裝運移困難等缺點，并且這種起升系統只有上提載荷的功能，不具備下壓載荷的功能，不能鉆淺層水平井。

河北華北石油榮盛機械制造有限公司在2011年研發新型斜井鉆機MZJ-15XY，需要設計一種斜井鉆機的提升系統，該系統可整體隨著井架角度傾斜，始終與井架保持為平行，還具備下壓載荷的能力，既能鉆直井又能鉆斜井。該系統試制后經過廠內試驗、現場應用取得良好的效果。

1結構

1.1總體結構

提升系統是由上、下起重總成、提升滑車、導向扶正機構、液缸、上提鋼絲繩和下壓鋼絲繩等組成，如圖1所示。液缸倒置安裝在井架內側，活塞桿與井架連接板上的鉸鏈座銷釘連接，隨動缸筒上的上法蘭裝有上起重總成，下法蘭裝有下起重總成，并在缸筒上安裝有導向扶正機構，上提鋼絲繩經提升滑車的繞繩機構繞過上起重輪，通過鋼絲繩索具頭固定井架底板上，下壓鋼絲繩通過下起重輪用下鋼絲繩索具頭一端固定于動力頭或頂驅的運移小車上，另一端固定在井架上端合適位置。

1—液缸桿；2—提升滑車；3—液缸筒；4—上起重總成；

1.2上、下起重總成結構

上、下起重總成均主要由滑輪組、軸承、主軸和框架組成，結構如圖2～3所示?；喗M通過與軸承配合安裝在主軸上，由主軸通過壓板及螺釘與框架相連，框架上安裝鋼絲繩防脫裝置。上、下起重總成框架底板通過螺釘與液缸缸筒上、下的法蘭連接，區別是下起重滑輪位于缸筒兩側。巧妙地利用缸筒做滑枕，結合上下滑輪組，通過鋼絲繩的特殊纏繞方式，使其形成兩組獨立的增距動滑輪，實現鉆具的提升和下壓。

圖2　上起重總成

圖3　下起重總成

1.3提升滑車

提升滑車主要包括框架、繞繩裝置、連接板、空心軸、翹舉液缸、和滾輪組成，結構如圖4所示。提升滑車的滾輪連接板上下、前后對稱安裝兩種方向垂直的滾輪，能夠控制滑車在運移軌道左右和上下間隙的同時，還能將鉆井時產生的反扭矩傳遞給軌道。

連接板可與動力頭進行連接，其由空心軸和壓蓋通過螺釘連接到滑車框架上，并能繞空心軸轉動；翹舉液缸安裝在提升滑車和動力頭主體之間。上述結構能形成變幅機構，應用了曲柄搖塊機構[4]的原理，能翹舉動力頭及管具繞空心軸旋轉0～80°，滿足了斜井鉆機接卸鉆具需求。

1—繞繩裝置；2—空心軸；3—滑車主體；4—翹舉液缸；

提升滑車的繞繩裝置，能將上提鋼絲繩的提升根數翻倍，進而提高了整個系統的提升能力。該裝置是在上下固定板之間安裝半輪和環半輪，還可通過增減環半輪個數改變提升系統的懸重鋼絲繩數，調配整個提升安全系數和能力，結構如圖5所示。

1—半輪；2—環半輪

1.4導向扶正機構

導向扶正機構主要由滾輪、連接軸、支架 和擋板組成，結構如圖6所示。支架與液缸缸筒中部兩個連接塊用螺栓連接在一起，連接軸兩端安裝滾輪，與支架連接，并安裝防轉擋板。該機構的滾輪采用擋沿設計，在鉆斜井情況下，能支撐液缸筒，使提升系統沿著軌道滑動同時，還能保證系統在滑動過程中的左右間隙。該扶正機構安裝位置能夠提高液缸整體的穩定性，其合理性可以通過壓桿穩定性的歐拉公式進行計算。

1—滾輪，2—連接軸，3—擋板，4—支架。

2工作原理

2.1上提過程

當液缸伸出時，上提鋼絲繩一端連接在滑車上，一端繞過上起重總成的滑輪組，固定在井架的下端，此時上起重總成的滑輪組相當于動滑輪，假設液缸的行程6 m，液缸伸出到最大行程6 m時，上起重的滑輪組也上升6 m。根據動滑輪的倍增工作原理，鋼絲繩帶動提升動滑車、動力頭及鉆具上升的距離就是12 m，從而實現行程的倍增，此時利用液缸塞腔力提升鉆柱，整個過程中下壓鋼絲繩隨動，不產生作用力。在該過程中，提升滑車還能輔助完成接單根操作。

2.2下壓過程

當液缸縮回時，下壓鋼絲繩一端連接在滑車上，另一端繞過下起重總成的滑輪組，固定在井架上部的死繩點，此時下起重的滑輪組相當于動滑輪，液缸縮回，行程6 m，下起重的滑輪組也下移6 m，根據動滑輪的倍增工作原理，鋼絲繩帶動滑車、動力頭及鉆具下降的距離就是12 m，從而實現行程的倍增，此時利用液缸的桿腔力下壓鉆柱，實現表層加壓鉆井，整個過程中上提鋼絲繩隨動，不產生作用力。在該過程中，提升滑車還能輔助完成卸單根操作。

3主要技術參數

提升系統的主要技術參數如表1所示。

表1　主要技術參數

4創新技術

1)該提升系統結構簡單，省掉了傳統的絞車系統、天車、游車和大鉤，可整體隨著井架角度傾斜，始終與井架保持為平行，既能鉆直井又能鉆斜井。

2)該提升系統利用倒置液缸缸筒隨動，在其上、下分別安裝起重滑輪，通過特殊繞繩方式使其形成兩組獨立的增距動滑輪系。該系統中有鋼絲繩過渡裝置和導向扶正機構，從而實現了行程的倍增、承重繩數的增加，以及提升能力的提高和提升裝置穩定性的提高。

3)提升系統可沿軌道整體進出井架，僅需對鋼絲繩和液缸的銷釘進行操作，就可完成整個系統的拆裝，方便快捷。

5廠內試驗及現場應用

2012-06，提升系統借助提升試驗臺進行了提升載荷900 kN和下壓載荷120 kN 的廠內測試，并進行了提升滑車的翹舉試驗和接卸口試驗，試驗結果符合設計要求。

2012-12，中石油渤海鉆探公司在榮盛試驗1X井中采用了該提升系統，進行了45°斜直井鉆井作業，達到使用要求。

2014-10，方圓科技發展有限公司在中石油華固34-1、34-2井鉆井作業中使用該提升系統，并在現場利用該提升系統和地面安裝滑輪組完成撬裝鉆機在井場內井位變換，作業順利完成，符合現場使用要求。圖7為現場照片。

圖7　鉆井現場

6結論

1)當液缸行程選定后，該提升系統能使鉆機頂驅或動力頭的工作行程翻倍，而運輸總體長度僅比選定液缸安裝距稍長，既滿足了鉆井工作需要又方便了運輸。

2)該系統具備主動下壓的能力，可以實現表層加壓鉆進，提高了鉆進速度。在水平井下套管(篩管)遇阻時，提供一定的下壓力，提高套管完井效率。

3)現場應用表明，該提升系統既可應用于斜井，又可應用于直井，為我國鉆采淺層稠油[5]、井場密集叢式井開發、復雜地況鉆井等工程作業提供了一種簡單可靠的提升系統，具有一定工程應用優勢。

參考文獻：

[1]劉卓鈞，李緒炎，甄啟民，等.關于開發斜直井采油技術裝備的幾個問題[J].石油礦場機械，1990，19(3)：21-25.

[2]張連山.國內外斜井鉆機的應用及技術發展方向[J].石油機械，1989，17(6)：45-50.

[3]方德彭 賈學明.用斜直井鉆機的鉆井完井技術[J].石油鉆探技術[J].1993，21(2) ：7-11.

[4]成大先.機械設計手冊：1卷[M].北京：化學工業出版社，2007.

[5]張伯英.斜直井鉆機可在重油勘探開發中發揮較大作用[J].鉆采工藝，1993，16(2)：43.

MZJ-15XY Development of Slant Drilling Rig Hoisting System

WANG Weihua，ZHANG Ning，WANG Jianwei，LI Shenkui，LIU Shiyan，WU Guohui，WANG Kunqing

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062252，China)

Abstract：The conventional hoisting system is complex and not applicable to slant drilling rig.Using the reverse mounted hydraulic cylinder as sliding pillow，combining with upper and lower pulley blocks，they are made to form two independent distance increasing movable pulley system with special wire rope winding method.The configuration can realize the multiplication of stroke and lift upwards loading or press downwards loading，thus replace the traditional hoisting system including draw works/crown block/traveling block and hook etc.It is a rig hoisting system that can be used in slant and straight drilling rigs，and meets the requirement of special drilling conditions.All of test indexes meet the design requirements in field application.

Keywords：slant well；hoisting system；traveling block；movable pulley

中圖分類號：TE922

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.010

作者簡介：王衛華(1981-)，男，河北任丘人，工程師，2006年畢業于河北工業大學機械設計制造及其自動化專業，現在從事石油鉆采設備研發工作，E-mail：mlwwh@sina.com。

收稿日期：①2014-09-14

文章編號：1001-3482(2016)02-0046-04