【正文】 強(qiáng)度， s? =835Mpa 。 則： ? ?? ? 12 yyPDtP????????????=980 15 8 2 5 19802 5 40 40t?????? ???? ? t? 選取缸壁厚： t=14mm 則可得平衡缸內(nèi)徑： D=130mm 由此可得平衡缸結(jié)構(gòu)如圖 32： 圖 32 平 衡缸 由于缸體長度較長，且焊接易產(chǎn)生熱變形，故缸壁與缸底的連接不宜用焊接。 各組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）平衡缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 平衡缸的設(shè)計(jì)主要是其缸壁的設(shè)計(jì)，我們首先進(jìn)行選材。其選用見參考資料 [18]。傳扭銷軸向安裝 ，固定在傳遞套筒上，可沿內(nèi)管心軸的凹槽上下滑動(dòng)。 全平衡式伸縮鉆桿結(jié)構(gòu)原理如圖 21： 圖 21 全平衡式伸縮鉆桿 1— 心軸； 2— 防磨環(huán)； 3— 隔離環(huán)； 4— 擋圈； 5— 主密封； 6— 短節(jié)； 7— O形圈； 8— 油堵； 9— 傳遞套筒； 10— O形圈； 11— 傳扭銷； 12— 套筒； 13— 內(nèi)沖管； 14— O型圈； 15— 油堵； 16— 隔離環(huán)； 17— 擋圈； 18— 主密封； 19— O形圈； 20— 絲堵； 21— 平衡缸接頭； 22— O形圈； 23— 平衡缸； 24— O形圈； 25— O形圈； 26— O形圈； 27— 內(nèi)軸； 28— 隔離環(huán)； 29— 擋圈； 30— 主密封； 31— 密封鎖緊螺母； 32— 隔離環(huán)； 33— 擋圈； 34— 主密封； 35— O形圈； 36— 下接頭； 37— O形圈； 38— 下工具接頭 14 所謂全平衡是指：伸縮鉆桿工作時(shí)，向內(nèi)管的心軸內(nèi)通入高壓鉆井液，在內(nèi)管和下工具接頭間的 環(huán)形截面上的鉆井液產(chǎn)生張開力 ； 同時(shí)，從井筒中返回的鉆井液作用在防磨環(huán)和短節(jié)上，也產(chǎn)生張開力 。 它們在 風(fēng)力、海浪力和海流力等海洋環(huán)境載荷的 作用下，會(huì)產(chǎn)生周期性的上、下升 沉運(yùn)動(dòng)，使鉆桿柱也隨之作上下 往復(fù) 運(yùn)動(dòng)，這樣就造成了井底鉆壓 不穩(wěn) ， 影響鉆進(jìn)，嚴(yán)重時(shí) 甚至造成鉆頭脫離井底而無法進(jìn)行正常的鉆井工作。 通過調(diào)節(jié)液氣壓力容器中氣壓來改變死繩拉力。 （ 2）動(dòng)滑輪組 它可以在框架內(nèi)移動(dòng)，其行程大小和死繩拉力有關(guān)。 （ 4）保證安全 當(dāng)大鉤載荷突然減小時(shí)，液缸可支持著鉆桿柱重量，并使其減速，防止事故。 其它如壓力機(jī)、氣壓表、儲(chǔ)能器調(diào)節(jié)閥；液缸調(diào)節(jié)閥等均裝在鉆井船的甲板上。 天車上裝設(shè)升沉補(bǔ)償裝置 圖 12 天車上裝設(shè)的 升沉補(bǔ)償裝置 （ 1）浮動(dòng)天車 它通過滾輪在垂直軌道內(nèi)移動(dòng)。此滑輪與傳感繩通過的滑輪保持一定距離，都固定在同一桿件上。 （ 1）正常鉆進(jìn)時(shí)，大鉤上懸掛的鉆桿柱總重量為 Q，井底鉆壓為 W，補(bǔ)償裝置中液缸內(nèi)的液體壓力為 液p ，則三者的平衡關(guān)系為 Q)(2 WAp +塞液 =0 （ 11） Q=qL 式中： 塞A —— 補(bǔ)償裝置中液缸活塞面積； Q—— 每米鉆桿柱的重量； L—— 鉆桿柱全長。上海七 O 八所對(duì)船體結(jié)構(gòu)研究有一定基礎(chǔ) ， 但受行業(yè)限制 ， 該所缺乏石油鉆采裝備及鉆井工藝方面的專業(yè)基礎(chǔ)；寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司對(duì)成套鉆機(jī)研究具有非常成熟的經(jīng)驗(yàn) ， 但在海洋平臺(tái)和控制技術(shù)研究方面缺乏必要的基礎(chǔ)和資源。相比較 ， 我國當(dāng)前 的情況則相對(duì)較差 ， 已經(jīng)投入使用的海洋油氣鉆采裝置僅 37 座 ， 且以導(dǎo)管架式、坐底式、自升式等結(jié)構(gòu)為主 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 功能單一。海底采油的成套設(shè)備 7 包括：水下采油樹、水下集油站、水下保養(yǎng)站、水下維修艙以及相關(guān)的檢測儀器設(shè)備等，我國均未設(shè)計(jì)制造過。 （ 8） 缺乏自行設(shè)計(jì)制造水下完井系統(tǒng)及海底采油全套設(shè)備的能力 這方面的問題主要表現(xiàn)在：尚未設(shè)計(jì)制造水下完井系統(tǒng)。這次評(píng)估是渤海石油公司的檢測公司與石油大學(xué)合作進(jìn)行的。上世紀(jì) 80 年代以來，上海第一、第二石油機(jī)械廠、大隆機(jī)械廠等廠家引進(jìn)了美國的浮式鉆井用水下設(shè)備及其控制系統(tǒng)生產(chǎn)制造技術(shù)，提 高了這方面的制造水平。雖然我國自行設(shè)計(jì)建造的 僅 3 套，但它表明我國已經(jīng)具有這種能力。概括起來， 我們的發(fā)展 現(xiàn)狀是： （ 1） 具有自行設(shè)計(jì)、建造工作水深較淺的各型移動(dòng)式鉆井平臺(tái)的能力 我國已有各種型式的移動(dòng)式鉆井平臺(tái) 24 艘，其中 1 艘 “ 南海 3 號(hào) ” 自升式鉆井平 5 臺(tái)租給外國使用時(shí)被燒毀，現(xiàn)有 23 艘。大連理工大學(xué)參與過 4 座半潛式鉆井平臺(tái) （ BINGO9000 型 ）主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究和高壓管線系統(tǒng)設(shè)計(jì) ， 形成了海洋環(huán)境參數(shù)分析預(yù)報(bào)、海洋結(jié)構(gòu)物在海洋環(huán)境作用下運(yùn)動(dòng)與遭遇環(huán)境荷載計(jì)算、系泊系統(tǒng)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)與優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)疲勞分析計(jì)算等軟件系統(tǒng)。上 海外高橋造船有限公司是國內(nèi)第一家年產(chǎn)能力達(dá)到 200 萬噸以上的船廠 ， 目前已經(jīng)建成 30 萬噸級(jí)以上大型船塢 2 座和 2 臺(tái) 600噸龍門起重機(jī)等。資料顯示 ， 我國擁有海洋鉆井平臺(tái)的數(shù)量相對(duì)較少。該平臺(tái)用于超深水時(shí)，造價(jià)比張力腿平臺(tái)有明顯的優(yōu)勢。它兼有鉆井及采油功能，它由置于水下的浮力艙上的框架支撐著上部甲板及組塊，在浮力艙的下端有鋼管制成的張力腿，將平臺(tái)固定于海底，因而穩(wěn)定性及安全可靠性均佳。因此，全平衡式伸縮鉆桿有 著 廣闊的開發(fā)前景和應(yīng)用空間。 目前 我國 已 擁有自己設(shè)計(jì)制造海洋石油裝備的 能 力， 并已積累了自 主 開發(fā)海上油田的經(jīng)驗(yàn)。我國有 300m 水深以上的海域 萬 km，而目前只勘探了 16 萬km，基本上都 未 進(jìn)行勘探。近年來 ，全球海洋石油 開發(fā) 主要是向深海發(fā)展，僅 2021 年一年內(nèi)，全球在水深超過 1000m 的海域里的探井?dāng)?shù)就多達(dá) 130 口。 “ 向深海要油 ” 的必要 性是： （ 1） 深海水域面積的客觀存在。 對(duì)我國來說， 隨著機(jī)械制造工業(yè)的 不斷 發(fā)展，石油鉆采設(shè)備也逐步改進(jìn) ， 石油開采也隨之 不斷 加快步伐，從陸地到海上石油的開采量都有顯著增加。 全平衡式伸縮鉆桿設(shè)計(jì) 摘要： 深海鉆井時(shí)，半潛式鉆井平臺(tái)或浮式鉆井船在波浪作用下產(chǎn)生周期性的升沉運(yùn)動(dòng)，使鉆柱作上、下運(yùn)動(dòng)，造成井底鉆壓變化，甚至鉆頭脫離井底而無法鉆進(jìn)，因此需要采取措施補(bǔ)償升沉運(yùn)動(dòng)。隨著全球資源越來越緊張，陸上油氣開采已有飽和的趨勢，海洋越開越成為人類能源需求的最后依賴之地。 近 年來， 中石油、中石化、中海油三大公司 對(duì)海上石油開采越來越重視，均提出了 “ 向深海要油 ” 的 課 題 。 （ 3） 全球海上油田的發(fā)展趨勢。我國南海石油儲(chǔ)量約有 230 億 ~300 億噸 ， 天然氣 338 萬億 方， 2 其中 70%在深水。 國外的深海石油鉆采已創(chuàng)造了 （ 9727ft） 工作水深的記錄，他們有 很多 技術(shù) 和 裝備值得我國借鑒。這樣 ， 與傳統(tǒng)鉆井相比較，其鉆井效率將會(huì)大大提高，有助于 我們實(shí)現(xiàn)” 向海洋石油進(jìn)軍 ” 的口號(hào)。 （ 2）張力腿平臺(tái)。這種平臺(tái)因柱筒內(nèi)可儲(chǔ)油，故既可用于鉆井、修井， 又 可進(jìn)行采油生產(chǎn)及儲(chǔ)油。 國內(nèi)海洋石油鉆采設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前 ， 我國海上油氣勘探開發(fā)主要集中在大陸架區(qū)塊 ， 水深不超過 300m， 鉆井深度在 7000m 以內(nèi) ， 水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備幾乎全 部依賴進(jìn)口 ， 海上原油發(fā)現(xiàn)率僅為 %，天然氣發(fā)現(xiàn)率僅 % 。滬東中華造船 （ 集團(tuán) ） 有限公司是國內(nèi)第一家年造船總量突破 100 4 萬噸的企業(yè) ， 曾完成我國第一艘雙體鉆井浮船“勘探 1 號(hào)”的建造 ， 并建造 4200 3m LPG船，“勝利 3 號(hào) ” 坐底式鉆井平臺(tái)等。上海交通大學(xué)設(shè)有海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 在動(dòng)力定位系統(tǒng)研制方面已經(jīng)取得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果。 隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展 ， 我國石油鉆采設(shè)備制造 工 業(yè)已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，無論是在設(shè)計(jì)、研制或是在建造等方面，均具備了相當(dāng)?shù)哪芰退?，?dāng)然，與國外 先進(jìn)水平 相比 還 有差距。我國目前共有海上浮式采油系統(tǒng) 8 套，如表 2 所列，其中，半潛式 1 艘，即 “ 南海挑戰(zhàn)號(hào) ” ，它是由新加坡的 FELS 和 Keppel 船廠改建的；其余 7 套種有 3 套是我國自行設(shè)計(jì)制造的，即 “ 渤海明珠號(hào) ” （江南造船廠建造）， “ 渤海友誼號(hào) ” （滬東造船廠建造）； “ 長慶號(hào) ” （滬東造船廠建造）；另外的 4 套， “ 南海發(fā)現(xiàn)號(hào) ” 、 “ 南海希望號(hào) ” 、 “ 南海開拓號(hào) ” ，均系美國、新加坡等外國公司制造的。 1974 年地質(zhì)礦產(chǎn)產(chǎn)部上海海洋地質(zhì)局技術(shù)裝備研究所設(shè)計(jì)研制的浮式鉆井用的水下設(shè)備，并在 “ 勘探 1 號(hào) ” 鉆井中使用。 1992 年，我國曾對(duì)即將服役期滿的 “ 渤海 8 號(hào) ” 采油平臺(tái)進(jìn)行過安全可靠性評(píng)估，評(píng)估結(jié)果已得到延長服役期 3 年的驗(yàn)證。當(dāng)然這些還都是初步的，因?yàn)橛械某晒形从行褂?，有的?yīng)用范圍還不夠?qū)?。尚未研制海底采油配套設(shè)備。其中的平臺(tái)形式包括各種新型 TLP 平臺(tái)， SPAR 平臺(tái)、順應(yīng)式平臺(tái)及其它多功能綜合性平臺(tái)等 ， 形式多樣、品種齊全。 （ 5）海洋石油裝備研究機(jī)構(gòu)少 ， 投入不夠 我國至今還沒有一個(gè)專業(yè)分布面廣、系統(tǒng)研究性比較全面、綜合能力很 強(qiáng)的海洋石油裝備研究機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)氣體壓力就可以改變液體壓力； （ 4）鎖緊裝置 用于將上下兩個(gè)框架鎖緊成一體，從而使游動(dòng)滑車與大鉤連接在一起，以便進(jìn)行起下鉆工作。 繩索作業(yè)時(shí) ,送器具下井的工作繩，自絞車引出后，通過懸掛在大鉤上的另一個(gè)滑輪下入井內(nèi)。 井架、天車隨船體升沉?xí)r，只是帶動(dòng)游車及升沉補(bǔ)償裝置的液缸體上下運(yùn)動(dòng)。用以調(diào)節(jié)主氣缸的氣壓。當(dāng)浮動(dòng)天車下行至最低點(diǎn)時(shí)，司鉆即放松絞車滾筒上的鋼絲繩，待浮動(dòng)天車上行至最高點(diǎn)后，繼續(xù)自動(dòng)進(jìn)尺。最后，死繩端自定滑輪組引出固定在死繩 固定器上。 （ 6）控制臺(tái) 控制臺(tái)上有壓力表、指重表、動(dòng)滑輪行程指示燈、壓力控制器、壓氣機(jī)啟動(dòng)及停車機(jī)構(gòu)等。 13 2 全平衡式伸縮鉆桿工作原理設(shè)計(jì) 在深海鉆井時(shí)， 一般 采用半潛式鉆井平臺(tái)或浮式鉆井船 。 這樣就保持了鉆壓的穩(wěn)定 ，同時(shí)還避免鉆井船上升時(shí)提起鉆鋌，而下沉?xí)r壓彎鉆 桿 柱的情況。 伸縮鉆桿內(nèi)的扭矩是依靠均布在徑 向的 4 個(gè)傳扭銷來傳遞的。 為增強(qiáng)密封性，特在各螺紋端部放置 O 形密封圈，由于平衡缸接頭和內(nèi)軸充當(dāng)了平衡缸底的作用，因此需要 對(duì)其兩端也進(jìn)行密封，特選用大型號(hào) O 形圈。數(shù)據(jù)如 下：心軸 — 2850mm，內(nèi)沖管 — 2450mm，內(nèi)軸 — 3450mm，短節(jié) — 255mm，傳遞套筒 — 850mm，平衡缸接頭 — 340mm，平衡缸 — 2380mm，下接頭 — 255mm，下工具接頭 — 3750mm，總長 — 8850mm。 工作壓力的確定：根據(jù) 液缸 最大載荷，查 《 液 壓與氣壓傳動(dòng) 》 表 93 得， P=40Mpa 。全平衡式伸縮 鉆桿是在鉆桿柱的上 部增 加一根可伸縮的鉆桿 ， 因此，接頭的連接 對(duì)其力學(xué)性能 至關(guān)重要。 ? ?22 /4scA D b ??? （ 47） 式中： D— 接頭外徑， in； cb — 距臺(tái)肩 3/8in 處母接頭底徑， in； 38 12pcc tbQ? ? ? （ 48） cQ — 母接頭鏜孔直徑， in。 把許用應(yīng)力 ??? 作為工作應(yīng)力的 上限 ，即要求工作 ? 應(yīng)力不超過許用應(yīng)力 ??? 。 圖 47 內(nèi)軸結(jié)構(gòu)簡圖 1 2 31 2 31 2 31 2 3 29 內(nèi)軸的強(qiáng)度校核 其結(jié)構(gòu)簡圖如上圖所示，確定危險(xiǎn)截面： ? ?2 2 21 0 . 1 1 4 0 . 0 9 4 0 . 0 0 3 2 6 6 m4A ?? ? ?； ? ?2 2 22 0 . 1 3 0 . 0 9 4 0 . 0 0 6 3 3 m4A ?? ? ?； ? ?2 2 23 0 . 0 8 4 0 . 0 6 6 0 . 0 0 2 1 1 5 m4A ?? ? ? 顯然， 33 面 為危險(xiǎn)截面 ，可得， ? ? 835 6 9 5 .8 3 3 a1 .2 MP? ?? 31 5 8 9 . 8 1 0 7 3 2 . 1 0 4 a0 . 0 0 2 1 1 5 MP? ????； ? ???? 故此不滿足強(qiáng)度要求。 1 212 27 短節(jié)的強(qiáng)度校核 圖 45 短節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖 其結(jié)構(gòu)簡圖如上圖所示，確定危險(xiǎn)截面： ? ?2 2 21 0 . 1 5 8 0 . 1 2 0 . 0 0 8 2 9 m4A ?? ? ? ? ?2 2 22 0 . 1 4 4 0 . 0 9 8 0 . 0 0 8 7 4 m4A ?? ? ? 12AA 故 11 面為危險(xiǎn)截面。 查 APISpec 表 （見 《 鉆井力學(xué)基礎(chǔ) 》 附表 22）得到， rnf = ， H=， pt 2in/ ft=