何 艳，孔令雄

(兰州兰石石油装备工程有限公司，甘肃 兰州 730050)

1 引言

传统的ZJ50L钻机在设计上通常采用绞车分体的形式，即将绞车分解为主绞车和猫头绞车两部分。主绞车和动力部分安装在钻台下方，猫头绞车安装在钻台面上［1］。动力通过主绞车的下角传动箱、爬台万向轴传递给猫头绞车的上角传动箱，然后经过两档链条箱驱动转盘;另一路动力通过万向轴驱动钻台面上的机械猫头，用于上卸扣。井架起升装置设计在猫头绞车架上。这种结构在20世纪90年代的ZJ50L钻机中被广泛使用。近年来，由于对钻机经济性、可靠性、适用性、安全性的要求越来越高，这种传统的设计模式逐渐显现出了很多缺点，存在着很多安全隐患，已经越来越不能满足安全生产的需要，且不符合HSE的要求，在这种情况下，进行行之有效的改造已成为必然。

2 现状分析

钻机的井口操作是一种繁重而危险的劳动。这种操作主要包括给钻杆上卸扣、下套管、吊放钻杆等。对于ZJ50L钻机来说，传统的井口操作方法是利用钻机猫头绞车上的机械猫头旋转产生动力，再通过钻井工人手动操作完成。这种操作不仅劳动强度大、效率低，而且危险性较大，严重威胁着钻井工人的生命安全。据统计资料表明，过去钻井工人伤亡事故的20%都与使用机械猫头有关。因此，取消机械猫头、减小钻井工人的劳动强度一直是钻井工作者的愿望。另外，由于MJC50猫头绞车的体积和质量庞大(体积约为3 955 mm×1 835 mm×1 960 mm)，占用了很大一部分钻台面积，使得台面作业空间过于狭窄，不利于钻井作业，存在较大安全隐患。而且，猫头绞车在钻台高位安装时很不方便，搬家运输时容易翻车，操作、拆装、运输的安全性也较差［2］。

3 改造方案及实施

3.1 MJC猫头绞车原始结构

原猫头绞车分为两部分，如图1所示，一部分为转盘传动装置，另一部分为猫头装置。转盘传动装置沉入钻台面下，不占用钻台面空间，猫头装置则高出钻台面，占用大部分钻台面积。井架起升装置设计在猫头绞车架上如图2所示。

图1 MJC50猫头绞车

图2 原起升装置

3.2 改造方案

3.2.1 主体改造

取消凸出钻台面的猫头装置部分(包含万向轴、传动轴、猫头轴、绞车架等)。保留原转盘驱动装置如图3所示。这样可以保证原钻机传动方案不改变，但是相关联的空气管道要重新设计。因取消了猫头绞车架，使得钻台面一部分缺失，所以需要重新设计一框架结构补平钻台面。如图3所示，新设计的框架结构取代了原猫头装置部分。

图3 改造后的转盘传动装置

由于取消了机械猫头，为方便钻井工人上卸扣钻杆或套管，可采用1对液压猫头装置，安装在框架结构的合适位置，以此代替机械猫头完成井口操作［3］。液压猫头的使用使钻井工人的操作更具安全性。

3.2.2 起升装置改造

原有的井架起升装置被设计在猫头绞车架上，取消猫头绞车架后，原起升装置则不能使用，需重新设计起升装置。新设计的起升装置安装在框架结构上，位于钻台后部，便于井架的起升。为充分利用钻台面积，起升装置被设计为可翻转式。当井架起升完毕，可将起升装置安装支座两端螺栓拆掉，沿图4中所示的转轴翻转到钻台面下部。这样可使得钻台面宽敞，便于钻工进行安全操作。

图4 改造后的井架起升装置

3.2.3 井架起升装置的设计计算

改造中最重要的是井架起升装置的重新设计和计算。为保证新的起升装置完全满足井架起升的要求，需要重新计算起升力矩。

如图5所示，起升井架时的阻力矩由井架的重力矩和快绳对起升装置的压力矩组成;起升力矩由井架两侧起升大绳和快绳对井架下支点销轴的力矩组成。

图5 井架起升示意图

根据公式:

可得出:

由此可计算出快绳对起升装置挡辊的压力:

式中:Gili为井架的重力矩;p为起升绳单绳拉力;α为井架原始起升角度4°时钩下2条起升大绳夹角的一半;e1为起升绳通过3个滑轮的效率(可参考APIRP9B);e2为快绳挡辊铜套的效率(可参考APIRP9B);n为钻井绳的绳数;η为钻井绳5×6的效率(可参考APIRP9B);θ为快绳对挡辊压力形成角度的一半;L1、L2为起升大绳到井架旋转销轴的距离;l1为快绳对挡辊压力合力到井架旋转销轴的距离;l2为快绳到井架旋转销轴的距离。

4 结语

从2004年起，兰州兰石国民油井公司(现兰州兰石石油装备工程有限公司)先后为华北、辽河、大港等各大油田改造了多台ZJ50L钻机的猫头绞车，得到了油田用户的认可。改造后的钻机钻台面开阔，可以方便油田用户安装司钻控制房，实现钻机电、气、液的集中控制，加快了钻机自动化进程。同时充分满足了HSE的要求，保障了钻井工人的人生安全。

(1)猫头绞车改造后钻台面积增大了12.5 m2。

(2)用液压猫头代替机械猫头，减小了钻井工人的劳动强度，增加了井口操作的安全性。

(3)改造后减轻了重量，方便安装、便于运输。

(4)改造后的猫头绞车性能可靠、使用安全，解决了原猫头绞车带来的安全问题，使用效果良好。

［1］ 王宏伟.绞车分体式钻机井架起升装置设计［J］.石油矿场机械，2004，33(2):89-90.

［2］ 王建红，蒋曙光.ZJ45L型钻机技术改造与使用［J］.石油矿场机械，2005，34(6):84-86.

［3］ 韩国英，郑有理.ZJ40型机械钻机改造研究与应用［J］.石油矿场机械，2007，36(11):80-82.