4 500 kN變頻直驅(qū)頂部驅(qū)動鉆井裝置設(shè)計

張軍巧，李美華，齊建雄，趙春暉，楚 飛，孫明寰，王洋紳

(北京石油機械有限公司，北京 102206)

頂部驅(qū)動鉆井裝置(以下簡稱頂驅(qū))安裝在井架上部，可以沿導(dǎo)軌上下移動，進行旋轉(zhuǎn)鉆桿、循環(huán)鉆井液、接立根、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井作業(yè)。它取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤+方鉆桿系統(tǒng)，極大減少了鉆柱遇阻、卡鉆等復(fù)雜情況的發(fā)生，顯著提高了鉆井作業(yè)的效率。頂驅(qū)是當今石油鉆井的前沿技術(shù)與裝備，已在陸地和海洋鉆井中得到廣泛應(yīng)用，尤其在深井、水平井、大斜度井等高難度井的作業(yè)中顯示出較高的技術(shù)先進性。隨著油氣勘探開發(fā)的環(huán)境越來越惡劣，難度越來越大，頂驅(qū)已成為鉆深井、超深井和特殊工藝井的標配產(chǎn)品[1-5]。

為適應(yīng)頂驅(qū)的發(fā)展趨勢，降低能源消耗和生產(chǎn)成本，提高傳動效率和可靠性，北京石油機械有限公司在充分吸收國內(nèi)外頂驅(qū)先進技術(shù)和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用機電融合技術(shù)，把主軸與電機進行集成，開發(fā)出由變頻電機直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)的頂部驅(qū)動鉆井裝置(以下簡稱直驅(qū)頂驅(qū))。本文介紹了該直驅(qū)頂驅(qū)的結(jié)構(gòu)、特點、試驗情況。

1 設(shè)計要求

1.1 遵循標準

直驅(qū)頂驅(qū)的設(shè)計既要滿足正常鉆井工藝的要求，還要符合相應(yīng)的標準和規(guī)范要求。設(shè)計過程中遵循的主要標準有[6-9]：API Spec 8C-2012《鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范(PSL1和PSL2)》、GB/T19190-2013《石油天然氣工業(yè)鉆井和采油提升設(shè)備》、GB/T 31049-2014《石油鉆機頂部驅(qū)動鉆井裝置》、SY/T5288-2000《鉆采提升設(shè)備的主要連接尺寸》。

1.2 適應(yīng)環(huán)境

4 500 kN直驅(qū)頂驅(qū)需滿足陸地和海洋各種鉆井工況的要求。首先要考慮溫度、濕度要求，使用環(huán)境溫度一般為-20～50 ℃。為了提高直驅(qū)頂驅(qū)的環(huán)境溫度適應(yīng)能力，設(shè)計時將溫度范圍調(diào)整為-35～55 ℃。針對海洋環(huán)境，還要考慮防鹽霧腐蝕、防爆和阻燃的要求。

2 結(jié)構(gòu)組成及特點

4 500 kN直驅(qū)頂驅(qū)系統(tǒng)主要由動力水龍頭、管子處理裝置、導(dǎo)軌和滑車、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。動力水龍頭包括提環(huán)總成、鵝頸管總成、沖管總成、箱體、電機、主軸等，管子處理裝置包括懸掛體、吊環(huán)傾斜機構(gòu)、防松裝置、背鉗等。4 500 kN直驅(qū)頂?shù)谋倔w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

動力水龍頭中的電機直接驅(qū)動主軸并帶動鉆柱旋轉(zhuǎn)。管子處理裝置中的懸掛體不承載時，動力水龍頭可進行鉆井作業(yè)；懸掛體承載時，用于起下鉆作業(yè)，此時動力水龍頭不可進行鉆井作業(yè)。集成在頂驅(qū)本體上的液壓系統(tǒng)，可以實現(xiàn)背鉗的夾緊與松開、吊環(huán)前后傾和中位浮動、旋轉(zhuǎn)頭回轉(zhuǎn)與鎖緊、內(nèi)防噴器打開與關(guān)閉、主電機制動與松開等功能。電氣控制系統(tǒng)具有對頂驅(qū)的運行情況進行實時控制和監(jiān)測的功能。

1—提環(huán)總成；2—鵝頸管總成；3—沖管總成；4—動力水龍頭箱體；5—電機； 6—懸掛體；7—主軸；8—吊環(huán)傾斜機構(gòu)；9—防松裝置；10—轉(zhuǎn)換接頭；11—背鉗；12—導(dǎo)軌；13—集成液壓箱；14—液壓泵組；15—閥塊；16—散熱系統(tǒng)。圖1 4 500 kN直驅(qū)頂?shù)谋倔w結(jié)構(gòu)

1) 提環(huán)總成中的平衡油缸一端與提環(huán)相連，另一端固定在箱體上，可自平衡，省去了提環(huán)與大鉤或游車連接用的懸掛梁，縮短了頂驅(qū)本體高度。

2) 取消減速箱及其油潤滑、冷卻和過濾系統(tǒng)，由電機直接驅(qū)動主軸鉆進。采用變頻控制技術(shù)，變頻器根據(jù)電機轉(zhuǎn)速要求自動調(diào)節(jié)輸出頻率，從而實現(xiàn)無級變速，傳動效率更高。密封數(shù)量更少，結(jié)構(gòu)更簡單，維護更方便，可靠性更強。電機與主軸同軸度好，避免了鉆井過程中由于不同軸造成的各連接件之間過度磨損、振動和沖擊，延長機械零件和密封件的使用壽命。

3) 主軸旋轉(zhuǎn)與管子處理裝置中的上浮機構(gòu)互鎖，鉆進和起下鉆時的載荷分別由主軸軸承和主軸臺階承受，保證了主軸軸承的使用壽命，減少液壓管線接頭，從而降低成本，提高頂驅(qū)的可靠性。

4) 管子處理裝置部件可在組裝好后整體安裝到動力水龍頭箱體的底面，模塊化程度高，便于獨立維護更換，制造難度低，組裝工藝性好。

5) 液壓源及閥塊集成在頂驅(qū)本體上，占用空間小。液壓源到執(zhí)行機構(gòu)的管線長度大幅縮短，壓力損失更小，使液壓控制的反應(yīng)更迅速。

6) 電控系統(tǒng)集智能鉆機接口、軟轉(zhuǎn)矩控制、扭擺減阻控制等技術(shù)于一體，具備安全互鎖、故障診斷、實時監(jiān)控、報警和自保護等功能。設(shè)計有單獨的電控房，也可集成到鉆機控制系統(tǒng)，方便顧客自主選擇。人機交互操作界面包含狀態(tài)顯示、操作功能、數(shù)值設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)歸檔、自動保養(yǎng)和預(yù)防性維護提示等內(nèi)容，顯示全面、易于操作、應(yīng)急處置方便。一鍵式操作，設(shè)置靈活，降低誤操作概率，極大地提高頂驅(qū)工作的安全性和可靠性。

3 主要技術(shù)參數(shù)

北京石油機械有限公司于2020年研制出4 500 kN直驅(qū)頂驅(qū)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 4 500 kN直驅(qū)頂驅(qū)的主要技術(shù)參數(shù)

4 關(guān)鍵零件強度校核

驅(qū)動主軸的低速大轉(zhuǎn)矩電機，以及承受頂驅(qū)額定載荷的主軸臺階都是設(shè)計的關(guān)鍵部位。本文僅對主軸臺階處的表面接觸應(yīng)力進行校核。起下鉆時，載荷通過懸掛體作用在主軸臺階處，受力如圖2所示。

圖2 主軸臺階處受力

力平衡方程為：

F=Fi·cosα+N·sinα=N(sinα+μcosα)

(1)

式中：F為軸向力，2F=4 500 kN；α為臺階面錐角，α=60°；N為接觸面上的正壓力；Ft為接觸面間的摩擦力,Fi=N·μ；μ為靜摩擦無潤滑鋼間的摩擦因數(shù)，一般取μ=0.15[10]。

正壓力可用接觸壓力和接觸面積確定，即：

(2)

式中：p為表面的接觸壓力；A為表面積。

(3)

式中：D為錐面大徑，D=258 mm；d為錐面小徑，d=228 mm；L為錐面長度，L=10 mm。

將式(2)～(3)代入式(1)得：

則：

經(jīng)計算得，p=313.2 MPa。主軸材料調(diào)質(zhì)后的許用接觸應(yīng)力不小于900 MPa，則安全系數(shù)為900/313.2=2.87，符合API Spec 8C的要求。

5 樣機試驗

直驅(qū)頂驅(qū)樣機試制完成后，在廠內(nèi)進行臺架試驗，內(nèi)容包括：主承載件靜載拉伸試驗、動力水龍頭試驗、管子處理裝置試驗、泥漿通道密封試驗、液壓系統(tǒng)試驗、電控系統(tǒng)試驗[6-8]。

1) 靜載拉伸試驗。在箱體、主軸、懸掛體這些承受主要載荷的零件高應(yīng)力部位貼應(yīng)變片，緩慢地施加驗證載荷，而后卸載。

初始狀態(tài)下、驗證載荷下以及卸載后的應(yīng)變值顯示主承載件無屈服發(fā)生。卸載24 h后拆卸，檢查各零件，沒有變形和損傷，無損檢測證明無影響使用的缺陷。

2) 動力水龍頭運轉(zhuǎn)試驗。對產(chǎn)品進行空載運轉(zhuǎn)試驗、轉(zhuǎn)矩加載運轉(zhuǎn)試驗、上卸扣和堵轉(zhuǎn)試驗。

試驗過程噪聲小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無異常。試驗最高轉(zhuǎn)速可達200 r/min，恒轉(zhuǎn)矩階段的轉(zhuǎn)速為0～100 r/min，連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩值70 kN·m，松開鉆柱螺紋時轉(zhuǎn)矩可達105 kN·m，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩70 kN·m。

3) 管子處理裝置試驗。懸掛體轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，吊環(huán)傾斜和中位浮動動作正確、換向平穩(wěn)，能自由回到中位，內(nèi)防噴器開關(guān)到位，無卡阻和沖擊，無滲漏。

4) 主通道密封試驗。對主軸及沖管盤根總成、鵝頸管總成在內(nèi)的泥漿通道進行2個周期、壓力為78 MPa、每個周期保壓3 min的試驗，均無可見的壓力下降或滲漏。

5) 液壓系統(tǒng)試驗。對液壓源、閥組和各個執(zhí)行機構(gòu)進行功能和聯(lián)動試驗。各元件工作正常，密封良好，無滲漏發(fā)生。

6) 電控系統(tǒng)試驗。對系統(tǒng)功能以及顯示、報警、保護和功能互鎖進行試驗。調(diào)節(jié)控制準確，操作靈活，顯示與報警無誤。

6 結(jié)論

1) 研制的直驅(qū)頂驅(qū)與傳統(tǒng)減速頂驅(qū)相比，無減速箱和油潤滑系統(tǒng)，傳動效率高，密封數(shù)量少，無潤滑油泄露風(fēng)險。

2) 動力水龍頭和管子處理裝置可獨立裝配后組裝，模塊化程度高，生產(chǎn)效率高。主軸軸承只承受鉆井時的載荷，起下鉆時的載荷由主軸臺階承受，延長了軸承的使用壽命，縮短了頂驅(qū)本體高度。液壓源和閥組集成在本體上，縮短了兩者之間的管線長度，壓力損失小，控制反應(yīng)更靈敏。

3) 試驗結(jié)果證明，整機性能穩(wěn)定，啟停和運行平穩(wěn)，定位精確，裝配質(zhì)量合格，設(shè)計合理。