9 000 m直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)絞車鏈傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析*

胡軍旺

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

9 000 m直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)絞車鏈傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析*

胡軍旺1,2

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

依據(jù)9 000 m直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的性能要求，制定了所配套絞車的傳動(dòng)方案。根據(jù)絞車功率配置和傳動(dòng)原理，以兩種不同的方案對(duì)絞車鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并分析了兩種方案下鉆機(jī)的負(fù)載性能。

直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)；絞車；鏈傳動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)分析

Abstract: According to the performance requirements of DC drilling rig, the transmission scheme of winch used for 9000 meters rig is developed. According to the power allocation and transmission principle, the detail design and performance analysis for two different kinds of chain drive system have been done, the load performance of drill for two schemes is analyzed.

Key words: AC-SCR-DC drive drilling rig; winch; chain drive system; design analysis

0 引 言

隨著油氣能源開采力度的不斷增強(qiáng)，易開采的能源逐漸減少，油氣勘探開發(fā)不斷向深海、深地層等難動(dòng)用儲(chǔ)量延伸，對(duì)石油裝備制造業(yè)提出了更高的要求。適應(yīng)節(jié)能降耗的要求，石油裝備不僅需滿足油田的使用要求，而且還需具備較高的效率，較低的使用和維護(hù)成本。直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)以其控制技術(shù)的成熟性、維護(hù)的方便性及購置成本低等因素，受到市場(chǎng)的青睞。作為9 000 m鉆機(jī)核心部件的絞車，其性能的優(yōu)劣直接決定了鉆機(jī)的提升性能。提升鉆具時(shí)，絞車需要低速運(yùn)轉(zhuǎn)以獲取較大負(fù)荷能力；在下放鉆具時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，絞車又需要較高的速度。因此，在直流電動(dòng)鉆機(jī)中，科學(xué)合理的配置絞車輸入功率、設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)是決定絞車提升性能和效率的關(guān)鍵因素。

1 絞車傳動(dòng)原理

該9 000 m直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)絞車傳動(dòng)原理如圖1所示。絞車共設(shè)4個(gè)擋位，絞車主動(dòng)力由3臺(tái)YZ08直流電動(dòng)機(jī)并車提供，通過鏈條變速后驅(qū)動(dòng)滾筒軸。絞車設(shè)自動(dòng)送鉆裝置,由1臺(tái)小功率交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),經(jīng)大傳動(dòng)比減速機(jī)變速后,驅(qū)動(dòng)絞車傳動(dòng)軸及滾筒以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆功能。

2 主要技術(shù)參數(shù)[1]

額定輸入功率：2210 kW；最大快繩拉力：640 kN；鋼絲繩公稱直徑：φ45 mm;擋數(shù)：4擋(各擋內(nèi)可無級(jí)調(diào)速);主剎車：水冷液壓盤式剎車；輔助剎車：水冷電磁渦流剎車。

圖1 9 000 m直流電驅(qū)動(dòng)絞車傳動(dòng)原理

3 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

直流電驅(qū)動(dòng)四擋絞車,在設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí),通常將Ⅰ擋設(shè)為事故擋,以提供標(biāo)定的最大快繩拉力；Ⅱ擋用于提升最大鉆柱重量；Ⅳ擋最高速度用于起升空吊卡，一般將鉤速設(shè)定在1.5～2 m/s之間。從根本上來說依據(jù)這一原則設(shè)計(jì)絞車傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，影響系統(tǒng)性能的因素其實(shí)是最高鉤速的選擇。因?yàn)橥患?jí)別的絞車，其最大快繩拉力和最大鉆柱重量是一樣的，這就限定了Ⅰ、Ⅱ擋減速比的范圍，也基本確定了絞車輸入軸和傳動(dòng)軸之間變速鏈輪及滾筒低速端配對(duì)鏈輪的齒數(shù)，而最高鉤速的選擇會(huì)影響滾筒高速端傳動(dòng)鏈輪的速比，致使?jié)L筒高、低速端的配對(duì)鏈輪擁有不同的中心距，所以為讓高、低速端配對(duì)鏈輪的中心距盡可能的接近，必須調(diào)整整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的鏈輪配齒，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)。最高鉤速的選擇受到鋼絲繩使用性能的限制，當(dāng)游車正在輕載升起時(shí),若速度過快可損傷鋼絲繩[2]?？炖K的最大繩速不宜超過20 m/s[3]。所以對(duì)于9 000 m鉆機(jī)， 在6×7繩系下的最高鉤速應(yīng)不超過1.429 m/s。但以此計(jì)算的鉤度并不是被廣泛認(rèn)可的，目前國內(nèi)大部分絞車(包括JC50D、JC70D等)在設(shè)定最高擋速時(shí)往往以電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和20m/s的快繩最大繩速作為依據(jù)確定Ⅳ擋速比，而忽略了電機(jī)恒功段的無級(jí)調(diào)速性能。當(dāng)電機(jī)在恒功最高轉(zhuǎn)速時(shí)，鉆機(jī)的最高鉤速和快繩的最大繩速將增大1.55倍。

圖2中給出了一種依據(jù)上述原則設(shè)計(jì)的絞車的性能曲線。此傳動(dòng)系統(tǒng)中各擋實(shí)際減速比分別為：14.522、7.966、5.056、2.773。絞車Ⅰ擋時(shí)，在電機(jī)過載1.07倍的情況下可提升最大鉤載6 750 kN。從性能曲線中可以看出Ⅰ、Ⅱ擋及Ⅲ、Ⅳ擋之間存在較大的缺口。鉤速在0.4～0.47 m/s和1.16～1.35 m/s之間的區(qū)域?yàn)殡姍C(jī)恒轉(zhuǎn)矩工作段，電機(jī)的最大輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的下降而下降,缺口處絞車的輸入功率僅為1 874 kW。絞車的功率利用率被降低了。但整個(gè)系統(tǒng)在Ⅳ擋下的速度較高，提升性能也比較好。

圖2 一號(hào)方案絞車性能曲線(6×7繩系)

對(duì)于直流電驅(qū)動(dòng)絞車傳動(dòng)系統(tǒng)來說，由于直流電機(jī)有較好的恒功調(diào)速性能，也可以不按上述原則制訂方案，而以電機(jī)的恒功調(diào)速范圍作為公比設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的恒功調(diào)速范圍僅為1.55，相對(duì)較小，所以致使絞車的調(diào)速范圍變窄。需在最高鉤速和提升最大鉤載時(shí)電機(jī)的過載倍數(shù)之間作適當(dāng)取舍。以此公比設(shè)計(jì)的絞車的性能曲線如圖3所示。

鉆機(jī)的最大起重量在井深大于2 500 m時(shí)，以套管柱斷裂載荷的80%為極限，為最重套管重量的1.25倍[4]。據(jù)此，可以將電機(jī)的過載系數(shù)控制在1.25以內(nèi)，以保證絞車在不過載的情況下起重量可以達(dá)到最大套管重量，在電機(jī)過載時(shí)可以提升最大鉤載。此方案的電機(jī)最大過載倍數(shù)實(shí)際為1.17，各擋減速比分別為：13.329、8.604、5.557、3.587。從性能曲線中可以看出,此方案中電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)匹配較好，充分利用了電機(jī)的恒功范圍，絞車的功率利用率將達(dá)到100%。但與前一種方案相比，絞車的最大提升速度降低到1.63 m/s；Ⅱ擋恒功最低速度和負(fù)載能力與前一種方案都很接近，同樣滿足提升最大鉆柱重的要求。

圖3 二號(hào)方案絞車性能曲線(6×7繩系)

四擋鏈傳動(dòng)絞車的換擋是通過齒式離合器和滾筒軸高、低速氣胎離合器相互配合實(shí)現(xiàn)的。由于使用齒式離合器換擋時(shí)絞車必須停車，所以在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中通常在一個(gè)機(jī)械擋位下通過高、低速氣胎離合器實(shí)現(xiàn)絞車高、低速的切換。傳動(dòng)系統(tǒng)中不同的鏈輪配齒會(huì)對(duì)絞車的換擋操作過程產(chǎn)生不同的影響。比如說，當(dāng)換擋齒式離合器掛合時(shí)，通過滾筒高、低速氣胎離合器既可以實(shí)現(xiàn)絞車Ⅰ、Ⅱ擋之間的切換也可以實(shí)現(xiàn)Ⅰ、Ⅲ擋之間的切換。目前所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中，通常通過高、低速離合器實(shí)現(xiàn)交叉擋位的切換而非相鄰擋位。采用這種方式時(shí)，滾筒軸高速端的鏈輪齒數(shù)較少，下鉆過程中可以快速實(shí)現(xiàn)較高速度與較低速度間的切換，即可以提供大的提升能力，又可以提供較高的空吊卡提升速度，方便了絞車的換擋操作。

4 總 結(jié)

對(duì)比兩種方案可以看出，第一種方案的功率利用率比第二種方案的低，但可以提供較高的提升速度；第二種方案的功率利用率高，充分發(fā)揮了電機(jī)的性能，但最大提升速度比第一種方案降低很多。但在實(shí)際的使用中， 可能會(huì)出于保護(hù)鋼絲繩或其他安全因素等，降低鉆機(jī)的最大提升速度，導(dǎo)致所設(shè)定的最大鉤速在實(shí)際使用中不會(huì)出現(xiàn)。所以在設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案時(shí)應(yīng)考慮更多的綜合因素，如系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、鏈條的性能及安全系數(shù)等。選擇適當(dāng)?shù)淖罡咩^速和傳動(dòng)系統(tǒng)的公比，充分發(fā)揮電機(jī)的無級(jí)調(diào)速性能，使所設(shè)計(jì)的絞車擁有較好的提升性能和較高的功率利用率。

[1] GBT 23505-2009.石油鉆機(jī)和修井機(jī)[S].

[2] API RP 9B-2002 油田鋼絲繩的應(yīng)用、保養(yǎng)和使用的推薦方法(中文版)[S].

[3] 楊海濱.鉆井繩索與井場(chǎng)吊運(yùn)安全操作[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

[4] 趙懷文.鉆井機(jī)械[M].北京：石油工業(yè)出版社，1995.

[5] 張連山.石油鉆機(jī)絞車的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].石油機(jī)械,1997，25(9)：45-47.

Design and Analysis of Chain Drive System of 9000m DC Rig Winch

HU Jun-wang1,2

(1.MechanicalEngineeringCollege,Xi′anShiyouUniversity,Xi′anShaanxi7100652,China; 2.LanzhouLSPetroleumEquipmentEngineeringCo.，Ltd，LanzhouGansu730050，China)

2014-06-13

胡軍旺(1982-)，男，甘肅通渭人,工程師，主要從事石油天然氣鉆采設(shè)備的研制和開發(fā)工作。

TH12

A

1007-4414(2014)04-0147-02