顶驱钻井装置倾斜液压机构临界载荷的精确解

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1、2010年第39卷石油矿场机械第6期第49页OILFIELDEQUIPMENT文章编号：1001—3482(2O1O)06—0049—03顶驱钻井装置倾斜液压机构临界载荷的精确解蔡正敏，张军，申朝廷，张树佳，陈香凯(中油长城钻探工程公司，北京100101)摘要：顶部驱动钻井装置管子处理机的倾斜液压机构是起下钻过程中最重要且使用频率最高的工具之一，因此要绝对保证其安全性。推导了管子处理机倾斜液压机构的临界载荷公式，并进行了实例计算和分析，为保障顶部驱动钻井装置的安全运行提供了理论依据。关键词：顶部驱动钻井装置；倾斜液压机构；临界载荷中图

2、分类号：TE922文献标识码：ACalculationofCriticalLoadsofTiltMechanisminTopDriveSystemCAIZheng—min，ZHANGJun，SHENGChao—ting，ZHANGShu-jia，CHENXiang—kai(GreatWallDrillingCompany，Beijing100101，China)Abstract：Tiltmechanismisoneofthemostimportantpartsofthetopdrivesystem．Itisfre—quentlyuse

3、dduringdrillinganditssafetyisveryimportant．Theformulaforthecriticalloadofthetiltmechanismispresentedandcalculationsareperformedfortheactualtiltmechanism．Thetheoryisusefulforthesafetyofthetopdrivesystem．Keywords：topdrivesystem；tiltmechanism；criticalload顶部驱动钻井装置是2O世纪8O年代出

4、现的液压传递和控制系统作为顶部驱动钻井装置的一种新型钻井设备，目前已在大多数的海洋钻机一个重要组成部分，如果出现变形和液压泄漏等事上使用。顶部驱动钻井装置是直接驱动钻柱进行故，将给整个钻井进程带来很大的影响。当管子处旋转钻进，并完成循环钻井液、接钻柱、上卸扣和理机的倾斜液压机构承受的轴向载荷达到或超过一倒划眼等多种钻井操作的机电液一体化钻井设定限度，即超过临界载荷时会发生失稳，使机构失备，可以节约钻井时间1O％～25，大幅度减少事效，导致相关的装置发生破坏。由于这种失效具有故发生的概率，特别是在大斜度井、水平井体现出突发性，会造成灾难

5、性的后果，因此，分析顶部驱动很大的优势，降低勘探开发的风险，提高了作业的钻井装置的倾斜液压机构的稳定性十分必要，并对安全性。工程应用有很好的指导意义。顶部驱动钻井装置主要由顶驱主体、电气传动1系统结构和受力分析与控制系统、液压传动和控制系统、司钻操作台和单导轨与滑车等几部分组成。顶部驱动钻井装置在钻在实际工作过程中，吊环不同的倾斜角度对顶井过程中不仅要承受几千米钻杆和钻头的拉力，还驱装置管子处理机的液压构件产生的作用力是不同要承受钻井过程中由地面设备和井下工具传递的强的，因此整个倾斜机构液压缸部分的受力情况是很烈振动，因此对顶驱钻井装

6、置的安全性提出了很高复杂的。管子处理机的结构如图1所示]，AE为的要求。吊环，BC为倾斜液压缸，CD为活塞杆，倾斜液压缸收稿日期：2009—12-02作者简介：蔡正敏(1969一)，男，湖北武汉人，博士后，主要研究方向为结构强度与振动，E-mail：caizhengmin@yahoo．corn．石油矿场机械2O1O年6月和伸缩臂组成倾斜液压机构，A点为吊环与旋转头与缸筒的质量。]。的铰接点，B点为倾斜液压机构与旋转头的铰接点，设DC段和CB段的挠度分别为和。，DCD点为倾斜液压机构与吊环的铰接点，AB为吊环和CB段的挠曲轴近似微分方程

7、分别为u]与倾斜机构和旋转头连接点的距离。其中，图1aE1I1+F肋硼1—0是顶驱管子处理机的静止状态；图1b是管子处理E2J2+F肋叫2—0(4)机吊环旋转角度时的状态。假设AB—L，AD—L，BC=L。，CD=L，DE：L，提取的钻杆重力为G；当旋转角度为0时，AD与BD的夹角为口。随着吊环旋转角度的变化，活塞杆的长度L不断发生变化。图2计算简图及坐标系式(4)亦可写为：+nk0叫一02+k。硼2—0(5)其一嚣,k2=。式(5)的通解分别为叫1一C1sin√志z1+c2COS4~-kx1叫2=c3sinkx2+c4coskx2(

8、6)式中，c、C。、C。和C分别为待定系数。a静止状态b吊环旋转0角度BD杆的位移边界条件和连续条件为图1管子处理机结构当．721—0时，讪1—0(7)当SC1一z2一L4时，砌1一训2(8)由h1可关糸口J知当．721