變頻直驅(qū)技術(shù)在鉆井裝備領(lǐng)域的應(yīng)用研究

張?jiān)瞿辏悇?，馮旭驊，羅巍，張洪，沈凡兒

（1.中國(guó)石油集團(tuán) 川慶鉆探工程有限公司，成都 610056；2.西安寶美電氣工業(yè)有限公司，西安 710065；3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，成都 610057）

0 引言

近年來，隨著國(guó)家加大非常規(guī)能源的開發(fā)力度，鉆井技術(shù)向水平段長(zhǎng)、精準(zhǔn)導(dǎo)向、極限鉆井方向發(fā)展，提出了鉆井周期短、成本壓力大、專業(yè)技能要求高等新要求。開發(fā)具有傳動(dòng)型式簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)成本低、鉆井作業(yè)效率高、現(xiàn)場(chǎng)人員技能要求低、設(shè)備可靠性高的變頻直驅(qū)設(shè)備成為技術(shù)發(fā)展方向。

1 變頻直驅(qū)技術(shù)在鉆井裝備領(lǐng)域現(xiàn)狀

1.1 直驅(qū)頂驅(qū)技術(shù)現(xiàn)狀

頂驅(qū)裝置自1982年問世以來，經(jīng)過30多年不斷改進(jìn)和開發(fā)，已在海洋和陸地多種鉆井裝備上得到了推廣和應(yīng)用[1-4]。直驅(qū)頂驅(qū)是由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)主軸鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無減速箱裝置和齒輪潤(rùn)滑及冷卻過濾系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊化程度高，具有尺寸小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)效率高、可靠性高、維修方便、過載能力強(qiáng)、適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[5]。

2009年3月，遼河天意完成國(guó)內(nèi)首臺(tái)DQ-30LHTY-Z直驅(qū)頂驅(qū)的樣機(jī)裝配和各項(xiàng)調(diào)試試驗(yàn)工作。繼天意直驅(qū)頂驅(qū)后，四川宏華成功研制生產(chǎn)了DQ150-750系列直驅(qū)頂驅(qū)（如圖1），從2014年第一臺(tái)在俄羅斯投入使用以來，已生產(chǎn)直驅(qū)頂驅(qū)200多臺(tái)。2016年，寶石機(jī)械生產(chǎn)的DQ30DBZ直驅(qū)頂驅(qū)開始在大慶油田現(xiàn)場(chǎng)使用（如圖2）。

圖1 宏華直驅(qū)頂驅(qū)

圖2 寶石直驅(qū)頂驅(qū)

直驅(qū)頂驅(qū)具有整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊化程度高、尺寸小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)效率高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[5]。

1.2 直驅(qū)絞車技術(shù)現(xiàn)狀

交流變頻絞車是國(guó)外20世紀(jì)90年代所發(fā)展起來的一種先進(jìn)的電驅(qū)動(dòng)絞車。20世紀(jì)90年代后期，國(guó)內(nèi)交流變頻絞車借石油鉆采裝備的更新之潮，取得了較快的發(fā)展。相比于直流電動(dòng)絞車，交流變頻絞車具有體積小、質(zhì)量輕、故障少、維護(hù)方便、寬頻無級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，尤其能夠以極低的速度恒轉(zhuǎn)矩輸出，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆，對(duì)提高鉆井時(shí)效、優(yōu)化鉆井工藝、處理井下事故等十分有利[6]，使之成為當(dāng)今最受青睞的絞車。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化絞車結(jié)構(gòu)、提高傳動(dòng)效率、方便移運(yùn)，直驅(qū)絞車被廣泛采用。

2011年，1500 m直驅(qū)絞車在大慶鉆探開始使用，已累計(jì)應(yīng)用20臺(tái)，該絞車取消了原絞車的齒輪傳動(dòng)箱，采用1臺(tái)320 kW交流變頻異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絞車滾筒，傳動(dòng)效率比常規(guī)絞車提高10%左右[7]。

寶石機(jī)械西安寶美研制的5000 m、7000 m、9000 m直驅(qū)絞車2019年陸續(xù)開始在油田進(jìn)行鉆井作業(yè)，四川宏華研制的5000 m直驅(qū)絞車2018年3月開始現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，如圖3、圖4所示。

圖3 寶石JC70DBZ直驅(qū)絞車

圖4 宏華JC50DBZ直驅(qū)絞車

直驅(qū)絞車整體性能穩(wěn)定，集成化程度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，滿足油田鉆井作業(yè)各種工況的要求。

1.3 直驅(qū)泥漿泵技術(shù)現(xiàn)狀

目前，鉆機(jī)的電動(dòng)泵組采用電動(dòng)機(jī)+皮帶或鏈條傳動(dòng)方式為主，存在以下問題：泵組質(zhì)量大、體積大，不利于搬運(yùn)；傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，傳動(dòng)效率較低；功率損耗大，傳動(dòng)環(huán)節(jié)有易損件，維護(hù)成本高及電動(dòng)機(jī)規(guī)格多，備件管理困難。國(guó)內(nèi)主要鉆井設(shè)備制造商開展了泥漿泵直驅(qū)技術(shù)的研究，目前市場(chǎng)產(chǎn)品成功應(yīng)用的有：四川宏華自主研發(fā)了單電動(dòng)機(jī)直驅(qū)的HH-1600直驅(qū)泥漿泵（如圖5）；2015年3月，WF-2000HL直驅(qū)泥漿泵開始在川慶鉆探威204-H9-1/2/3平臺(tái)井位進(jìn)行作業(yè)，該直驅(qū)泵采用2臺(tái)850 kW直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，左右布置，截止目前已可靠運(yùn)行近5 a時(shí)間；寶石機(jī)械西安寶美研制的系列直驅(qū)泥漿泵電動(dòng)機(jī)已配套泵組近300臺(tái)（如圖6），從2017年6月開始陸續(xù)在現(xiàn)場(chǎng)使用，應(yīng)用情況良好。

圖5 宏華直驅(qū)泥漿泵

圖6 寶石直驅(qū)泥漿泵

直驅(qū)泥漿泵技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)少，滿足油田鉆井作業(yè)各種工況的要求。

1.4 直驅(qū)轉(zhuǎn)盤技術(shù)現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)盤直驅(qū)技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣泛，國(guó)內(nèi)各個(gè)配套廠家均有研制，由于目前應(yīng)用頂驅(qū)作業(yè)較多，直驅(qū)轉(zhuǎn)盤作業(yè)應(yīng)用較少。近年來，西安寶美研制了5000～9000 m鉆機(jī)配套的ZP375/ZP375Z直驅(qū)轉(zhuǎn)盤，均采用1臺(tái)600 kW交流變頻異步電動(dòng)機(jī)通過萬向軸直接驅(qū)動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，應(yīng)用可靠。

圖7 寶石直驅(qū)轉(zhuǎn)盤

2 變頻直驅(qū)技術(shù)特點(diǎn)

2.1 優(yōu)化鉆井工藝

2.1.1 提升起下鉆效率

直驅(qū)絞車根據(jù)鉤載、鉤速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)加減速時(shí)間，實(shí)現(xiàn)6～10 s智能調(diào)整。達(dá)到絞車控制高效穩(wěn)定、快速、安全的控制效果。提高了絞車起下鉆作業(yè)效率，提升了鉆井效率。

2.1.2 提高鉆井安全性

直驅(qū)絞車集成盤剎系統(tǒng)，液壓站及控制系統(tǒng)與絞車一體設(shè)計(jì)，縮短剎車氣路和液路管線長(zhǎng)度，剎車響應(yīng)時(shí)間短，提高系統(tǒng)安全性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，直驅(qū)絞車駐車制動(dòng)和緊急制動(dòng)時(shí)間比常規(guī)絞車縮短0.1 s，防碰（電控）制動(dòng)時(shí)間比常規(guī)絞車縮短近1 s。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 直驅(qū)絞車與常規(guī)絞車剎車響應(yīng)時(shí)間

2.1.3 提高復(fù)雜井作業(yè)能力

直驅(qū)絞車采用主電動(dòng)機(jī)自動(dòng)送鉆，送鉆速度快，可在一開作業(yè)或較好地質(zhì)層時(shí)通過自動(dòng)送鉆進(jìn)行作業(yè)，提高作業(yè)井深質(zhì)量。在恒鉆壓和恒鉆速兩種模式上，增加恒泵壓和恒轉(zhuǎn)矩兩種送鉆模式，并通過“一主三從”控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合送鉆。直驅(qū)泵無皮帶傳動(dòng)，在鉆井過程中泵沖波動(dòng)更小，泵沖波動(dòng)＜0.1 min-1，排量和鉆壓更穩(wěn)定，更適應(yīng)于螺桿鉆進(jìn)或水平定向鉆進(jìn)作業(yè)。直驅(qū)頂驅(qū)無齒輪減速箱，無傳動(dòng)環(huán)節(jié)，頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩檢測(cè)和速度給定更快速。

2.2 提升鉆井裝備技術(shù)水平

1）提高產(chǎn)品輕量化技術(shù)水平。直驅(qū)絞車取消了傳統(tǒng)絞車的齒輪減速箱、自動(dòng)送鉆系統(tǒng)及機(jī)油潤(rùn)滑系統(tǒng)，對(duì)絞車底座、絞車護(hù)罩、盤剎液壓站和電動(dòng)機(jī)均進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。直驅(qū)泵組取消了常規(guī)電動(dòng)泵組的皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)或鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，與常規(guī)泵組尺寸、質(zhì)量對(duì)比如表2所示。

表2 7000 m直驅(qū)絞車與常規(guī)絞車尺寸、質(zhì)量

直驅(qū)泵組取消了常規(guī)電動(dòng)泵組的皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)或鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)直接安裝在泥漿泵殼體上，長(zhǎng)度尺寸比常規(guī)泵組縮短2 m，質(zhì)量減輕5～7 t。

2）提高設(shè)備集成化水平。直驅(qū)絞車的盤剎系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、絞車相關(guān)部件及功能都集成在絞車上，模塊化程度更高。直驅(qū)頂驅(qū)的重心位于主軸中心上，不偏重，避免了偏心造成的應(yīng)力集中影響，有效延長(zhǎng)接頭的使用壽命，同時(shí)兼具旋轉(zhuǎn)定位、軟轉(zhuǎn)矩等新型控制系統(tǒng)，提高鉆井時(shí)效。

3）提高鉆機(jī)整體設(shè)計(jì)水平。直驅(qū)絞車尺寸小、質(zhì)量輕，可放置在鉆臺(tái)面，方便鉆機(jī)整體布局。直驅(qū)頂驅(qū)外形尺寸小，對(duì)井架開襠尺寸要求低，方便進(jìn)行井架設(shè)計(jì)。直驅(qū)泥漿泵組長(zhǎng)度尺寸縮短近2 m，鉆機(jī)整體布局時(shí)可縮短井場(chǎng)占地面積。

2.3 節(jié)約鉆井成本

1）降低作業(yè)成本。直驅(qū)絞車傳動(dòng)效率提高6.3%，直驅(qū)泵傳動(dòng)效率提高5.2%，直驅(qū)頂驅(qū)傳動(dòng)效率提高6%，直驅(qū)轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)效率提高4%。直驅(qū)絞車采用智能速度環(huán)算法控制，縮短提升下放時(shí)間12.3%。2）節(jié)約搬遷成本。直驅(qū)絞車和直驅(qū)泥漿泵單體設(shè)備質(zhì)量輕，模塊化程度高，搬家時(shí)減少現(xiàn)場(chǎng)拆裝工作、設(shè)備運(yùn)輸車次、吊車占用時(shí)間。3）節(jié)約維護(hù)成本。直驅(qū)絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)取消了齒輪和鏈條潤(rùn)滑，直驅(qū)泥漿泵取消了傳動(dòng)皮帶。4）減少資金占用。常規(guī)鉆機(jī)需要儲(chǔ)備的電動(dòng)機(jī)種類超過15種，直驅(qū)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度高，直驅(qū)鉆機(jī)僅需要儲(chǔ)備8種電動(dòng)機(jī)。每年減少資金占用500多萬元。

2.4 方便設(shè)備管理

1）提高設(shè)備管理水平。通過設(shè)備信息化管理系統(tǒng)對(duì)采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，及時(shí)做出故障分析、預(yù)警、診斷，方便現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行維護(hù)和故障排除，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高設(shè)備管理水平。2）降低維護(hù)工作量。直驅(qū)絞車、直驅(qū)轉(zhuǎn)盤和直驅(qū)頂驅(qū)傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單，無機(jī)油潤(rùn)滑系統(tǒng)，直驅(qū)泵無皮帶傳動(dòng)，維護(hù)保養(yǎng)點(diǎn)少，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量小。3）易損件少，備件管理方便。直驅(qū)設(shè)備傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易損件數(shù)量比常規(guī)減少30%以上，且產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化后，易損件共享，備件管理方便。

2.5 節(jié)能環(huán)保

1）減少碳排放。直驅(qū)設(shè)備平均提高傳動(dòng)效率6%以上，降低作業(yè)能耗，減少碳排放。2）降低設(shè)備噪聲。直驅(qū)設(shè)備噪聲低，據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，直驅(qū)絞車較常規(guī)絞車降低5～10 dB(A)，直驅(qū)泵較常規(guī)泵降低3～5 dB(A)。3）減少潤(rùn)滑油污染。直驅(qū)設(shè)備無齒輪/鏈條減速箱，減少了機(jī)油潤(rùn)滑系統(tǒng)，無油污污染。

3 結(jié)論

直驅(qū)技術(shù)是一種設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、設(shè)備性能完善、質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高的新型鉆井裝備技術(shù)。其簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)型式，提高了鉆井效率，優(yōu)化了鉆井工藝，降低了鉆井成本，維護(hù)保養(yǎng)方便，便于設(shè)備管理，更加環(huán)保。直驅(qū)鉆井裝備的研究和應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有機(jī)械化鉆井設(shè)備的更新?lián)Q代起到積極的推動(dòng)作用，為新鉆井裝備的信息化和智能化奠定了良好的基礎(chǔ)，是石油鉆井裝備的發(fā)展方向。本文針對(duì)直驅(qū)技術(shù)的未來發(fā)展提出以下建議：1）進(jìn)一步降低直驅(qū)電動(dòng)機(jī)噪聲。頂驅(qū)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)噪聲較高，進(jìn)一步優(yōu)化直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的冷卻風(fēng)道，優(yōu)化吸風(fēng)口和出風(fēng)口結(jié)構(gòu)，降低直驅(qū)電動(dòng)機(jī)噪聲。2）進(jìn)一步降低直驅(qū)設(shè)備成本。直驅(qū)設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，通過標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，從而降低直驅(qū)裝備的制造成本。3）開拓海洋和國(guó)際市場(chǎng)。直驅(qū)鉆井裝備尺寸小、質(zhì)量輕，特別適用于海洋平臺(tái)鉆機(jī)。國(guó)外直驅(qū)鉆井裝備發(fā)展較緩慢，仍停留在常規(guī)鉆井裝備技術(shù)上。將直驅(qū)鉆井裝備應(yīng)用于海洋和國(guó)際市場(chǎng)，將提高中國(guó)鉆井裝備在國(guó)際高端市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。