白曉捷，宋瑞宏，于成龍，馬曉偉，張 磊

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413；2.大慶鉆探工程公司工程技術(shù)管理處，黑龍江大慶163413）

頂部驅(qū)動技術(shù)是轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)問世以來的幾項(xiàng)重大變革（液壓盤式剎車、液壓鉆井泵、交流變頻驅(qū)動等）之一。它可從井架上部空間直接旋轉(zhuǎn)鉆桿，沿專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作。使用頂驅(qū)鉆井時(shí)，在起下鉆具的同時(shí)可循環(huán)鉆井液、轉(zhuǎn)動鉆具，有利于鉆井中井下復(fù)雜情況和事故的處理，對深井、特殊工藝井的鉆井施工非常有利。該系統(tǒng)顯著提高了鉆井作業(yè)的能力和效率，并已成為石油鉆井行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。進(jìn)入21世紀(jì)，頂驅(qū)在現(xiàn)代鉆井工程中應(yīng)用越來越廣泛,淺海上鉆井船或平臺幾乎全部裝備了頂驅(qū)，陸地石油鉆機(jī)也越來越多地裝配頂驅(qū)。頂驅(qū)在復(fù)雜井和高難度井作業(yè)中的優(yōu)勢以及方便、安全、快捷的特性得到石油鉆井行業(yè)的認(rèn)可[1]。

1 REG螺紋松扣原因系統(tǒng)分析

頂驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及4000 余個(gè)機(jī)電零部件。頂驅(qū)主機(jī)由電水龍頭、管子處理系統(tǒng)、滑車導(dǎo)軌系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、液壓控制部件、電氣控制部件等組成。頂驅(qū)電水龍頭下部通常設(shè)計(jì)為REG鉆桿螺紋，與頂驅(qū)內(nèi)防噴器（IBOP）相連，內(nèi)防噴器下部再通過REG鉆桿螺紋與保護(hù)接頭相連，保護(hù)接頭與下部鉆桿母接頭通過NC螺紋相連。在使用頂驅(qū)進(jìn)行卸扣操作時(shí)，電水龍頭提供卸扣扭矩，頂驅(qū)背鉗夾緊鉆桿接頭母螺紋，實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭卸扣。然而，此時(shí)內(nèi)防噴器（IBOP）兩側(cè)的兩個(gè)REG 鉆桿螺紋雖然上扣扭矩遠(yuǎn)大于NC 螺紋，但仍然存在松扣的風(fēng)險(xiǎn)[2]。為解決此問題，作者深入學(xué)習(xí)了創(chuàng)新方法理論。近年來，應(yīng)用比較廣泛的創(chuàng)新方法是發(fā)明問題解決理論(TRIZ)，該理論的應(yīng)用有效的結(jié)合了設(shè)計(jì)理論和方法，將設(shè)計(jì)的過程更加詳細(xì)的展示出來，提高了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的效率[3]。TRIZ方法成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。本文作者利用所學(xué)的多種創(chuàng)新方法對問題進(jìn)行了九屏圖、因果鏈分析，確定了主要矛盾，得出了新型螺紋防松裝置的設(shè)計(jì)思路。

1.1 九屏圖分析

頂驅(qū)螺紋松扣會導(dǎo)致現(xiàn)場鉆井液刺漏等問題出現(xiàn)，造成較大的鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)。如果不能及時(shí)找到問題的原因，可能導(dǎo)致鉆具松脫、頂驅(qū)損壞、鉆井液溢出等更加嚴(yán)重的問題。傳統(tǒng)的TRIZ 九屏圖一般是作為一個(gè)資源分析工具使用，本文作者將九屏圖做了拓展應(yīng)用，將其不僅應(yīng)用于資源分析，而且應(yīng)用于問題分析、需求分析、創(chuàng)新構(gòu)建。通過開展圖1所示的螺紋松扣原因分析九屏圖的繪制，從螺紋松扣機(jī)理、設(shè)計(jì)工程師、操作者維護(hù)三個(gè)維度進(jìn)行分析，得出了需設(shè)計(jì)更加輕便、更高扭矩余量、避免誤操作的外部防松裝置的結(jié)論。

圖1 螺紋松扣原因分析九屏圖

1.2 松扣因果鏈分析

頂驅(qū)螺紋防松裝置是頂驅(qū)內(nèi)部的一個(gè)防松、易損部件。其作用是防止頂驅(qū)內(nèi)部的3組螺紋接頭在工作過程中松扣，由于螺紋接頭是易損件，需經(jīng)常更換，因此螺紋防松裝置需要經(jīng)常更換。如果螺紋防松裝置拆裝困難，將造成易損件更換困難、維修效率低。為解決上述問題，作者深入研究了因果分析法。因果分析法是利用事物發(fā)展變化的因果關(guān)系來進(jìn)行預(yù)測的方法。它是以事物發(fā)展變化的因果關(guān)系為依據(jù)，抓住事物發(fā)展的主要矛盾與次要矛盾的相互關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測。通過開展圖2 所示的魚骨式因果鏈分析圖的繪制，得出關(guān)鍵結(jié)論：在防松裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)從分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面開展設(shè)計(jì)工作。

圖2 螺紋防松裝置松扣因果鏈分析圖

2 應(yīng)用TRIZ方法解決頂驅(qū)螺紋防松裝置設(shè)計(jì)問題

2.1 頂驅(qū)螺紋防松裝置原理

在進(jìn)行頂驅(qū)保護(hù)接頭的拆裝時(shí)，為避免上部接頭松扣，通常將上部接頭的上扣扭矩加大，但由于鉆井現(xiàn)場扭矩波動較大，會時(shí)常出現(xiàn)螺紋松扣的現(xiàn)象。為了徹底解決螺紋松扣問題，各頂驅(qū)公司均設(shè)計(jì)了螺紋防松裝置。裝置分上環(huán)體和下環(huán)體，該上、下環(huán)體均為兩個(gè)半圓環(huán)，兩個(gè)半圓環(huán)兩側(cè)結(jié)合處設(shè)有凸緣，在該凸緣處設(shè)有固定連接兩個(gè)半圓環(huán)的螺栓和螺帽，上、下環(huán)體之間通過凹凸牙塊相互咬合，在上、下環(huán)體的內(nèi)側(cè)設(shè)有防滑齒塊。

2.2 頂驅(qū)螺紋防松裝置的使用

使用螺紋防松裝置時(shí)，首先將動力頭鉆桿與保護(hù)接頭按規(guī)定的預(yù)緊力扭緊。以5″鉆桿為例，需要扭緊到25kN·m，然后分別用螺紋防松裝置上環(huán)體箍緊動力鉆桿，下環(huán)體箍緊保護(hù)接頭。上、下環(huán)體間的凹凸沿相互咬合，這樣上、下環(huán)體就將融為一體。防滑齒塊與動力鉆桿和保護(hù)接頭接觸，起到增加摩擦力的作用。

2.3 物—場模型分析

作者應(yīng)用TRIZ 方法體系，將螺紋松扣特殊問題，轉(zhuǎn)化為物—場分析標(biāo)準(zhǔn)模型。通過分析組件與組件之間的關(guān)系，建立功能模型，運(yùn)用知識效應(yīng)庫，產(chǎn)生解決方案模型。通過開展圖3所示的物—場模型分析圖的繪制，得出接口設(shè)計(jì)關(guān)鍵：應(yīng)在本體與鉗牙之間設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換壓緊槽。

圖3 物—場模型分析圖

2.4 技術(shù)方案優(yōu)選

頂驅(qū)行業(yè)普遍使用特制的螺紋防松裝置進(jìn)行REG螺紋的防松處理。作者通過長期深入現(xiàn)場研究鉆井技術(shù)，形成了一種新型頂驅(qū)螺紋防松裝置的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)模型見圖4。圖4中，1為A環(huán)；2為B環(huán)；3為鉗牙；4為緊固螺釘。

該裝置在試驗(yàn)中效果極佳，鉗牙和螺栓能夠很好地起到防松的效果，重量僅為同類裝置的1/2，裝卸操作便捷，減輕人員勞動強(qiáng)度，縮短維修等停時(shí)間，提高現(xiàn)場操作效率達(dá)50%以上，可適用于各種外形尺寸、不同品牌的頂驅(qū)使用，替代現(xiàn)有防松法蘭裝置，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

圖4 新型頂驅(qū)螺紋防松裝置

3 結(jié)論和認(rèn)識

（1）通過開展九屏圖、魚骨式因果鏈研究，從螺紋松扣機(jī)理、設(shè)計(jì)工程師、操作者維護(hù)三個(gè)維度進(jìn)行分析，得出了需設(shè)計(jì)更加輕便、更高扭矩余量、避免誤操作的防松裝置的結(jié)論。

（2）通過應(yīng)用TRIZ 方法體系，將螺紋松扣特殊問題，轉(zhuǎn)化為牧場分析標(biāo)準(zhǔn)模型。通過分析組件與組件之間的關(guān)系，建立功能模型，設(shè)計(jì)了新型頂驅(qū)螺紋防松裝置，該裝置具有良好的推廣應(yīng)用前景。