#应用技术!6000hp 石油钻井绞车技术分析*姚爱华 贾秉彦 侯文辉 徐小鹏 樊春明(宝鸡石油机械有限责任公司)摘要,研制开发了4410k W (6000hp)石油钻井绞车。

介绍了6000hp 石油钻井绞车的传动方案及结构形式,对绞车提升性能进行了分析,同时分析了绞车模块化、高速大功率齿轮减速箱、超大型绞车滚筒体、液压盘式刹车以及电动机等关键技术。

厂内试验表明,该绞车滚筒转速最高为250r /m i n ,噪声低于90dB ,轴承温升及油池温升均不高于40e ,无漏油现象,控制阀件灵敏可靠。

试验结果基本达到最初的设计要求。

关键词 绞车 交流变频 齿轮减速箱 0 引 言近年来,为了不断满足我国油气勘探开发的需要,宝鸡石油机械有限责任公司相继开发了多种规格和型号的新型石油钻机,特别是国内首台9000m 钻机的研制成功极大地提升了我国石油钻井装备的技术水平。

但是随着油气勘探开发工作不断向纵深发展,特深层油气藏的开发已被提到议事日程。

在此情况下研制12000m 特深井钻机显得尤为迫切和必要。

中国石油天然气集团公司于2006年将该项目列入重大专项研制项目。

国家科技部于2006年底批准将12000m 钻机研制列为国家/十一五0863计划重大项目。

4410k W (6000hp)石油钻井绞车设计研究是/万米深井钻探装备研制0中重要的子课题。

6000hp 石油钻井绞车是国内第1台能够达到钻深12动,全齿轮传动,单滚筒轴、多运输单元的分块模式等,是国内具有完全知识产权的新型绞车。

1 传动方案及结构分析111 传动方案通过详细的方案设计,4410k W (6000hp)石油钻井绞车最终的传动方案见图1。

由图可知,该绞车传动分为2个系统,即由4台1100k W 交流变频电动机为动力的主传动系统和由2台37k W 小电动机为动力的自动送钻系统。

图1 绞车传动方案绞车由4台1100k W 的交流变频电动机作为主动力,分别由左、右齿轮箱经一级齿轮传动后驱动单滚筒轴,绞车整个变速过程完全由主电动机交流变频控制系统操作,实现钻具的快速提升、下放和零转速悬停等。

绞车自动送钻由2台37k W 的小交流变频电动机驱动,经大扭矩、大传动比减速后,将动力输入左右减速箱输入轴,经一级齿轮减速后带动滚筒轴完成自动送钻过程。

正常情况下该装置作为自动送钻用,一旦主电动机出现异常,该装置可以作为应急用,活动钻具并可提起最大钻柱重力。

112 主要技术参数额定输入功率:4@1100k W;)58)石 油 机 械CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY2009年 第37卷 第1期*基金项目:国家/十一五0863计划重大项目/万米深井钻探装备研制0(2006AA06A110)的部分研究内容。

该绞车已申报国家专利,专利申请号:20072003185212。

最大快绳拉力:850kN;钢丝绳直径:48mm;挡数:1正1倒(无级调速);滚筒转速:0~328r /m in ;开槽滚筒尺寸(直径@长度):1132m @2131m ;自动送钻钩速范围:0~0101m /s ;绞车外形尺寸:12100m @3138m @3126m 。

113 结构特点(1)4台交流变频电动机分别经2台一级齿轮减速箱减速后驱动绞车滚筒。

在左、右2台齿轮箱前部对称布置2台37k W 交流变频电动机驱动的直角减速箱,经齿式离合器和一级齿轮减速后带动单滚筒。

(2)绞车配套的4台主电动机、2台齿轮减速箱和2台独立送钻装置均为对称布置。

绞车为单滚筒轴型式,滚筒为整体开槽分瓣焊接结构。

绞车采用主电动机和独立电动机实现自动送钻功能。

刹车采用液压盘式(双盘)刹车与电动机能耗制动相组和方式。

液压盘式刹车配双刹车盘,设常闭、常开钳,独立盘刹液压站。

(3)绞车结构的设计考虑既可分为3个独立的运输单元,也可组合在一起构成一个运输单元。

满足铁路、公路的运输要求。

2 提升特性分析的12000m 钻机()来计算分析绞车的提升特性。

绞车的提升特性反映为大钩钩载Q 大钩与大钩钩速v 大钩的关系。

大钩钩载Q 大钩可由下式计算,即Q 大钩=2T 电i G 传动G 游Z1000D 平(1)式中 T 电)))驱动电动机的扭矩,该绞车选用4台1100k W 交流变频电动机为动力,根据其扭矩-转速特性,其曲线分为3段:恒扭矩段、恒功率段和降功率段;i )))齿轮减速箱传动比;G 传动)))传动系统总效率; G 游)))游动系统效率,G 游=01755(7@8绳系);Z )))支承游车载荷的钢丝绳根数,7@8绳系时Z =14;D 平)))滚筒平均直径。

大钩钩速v 大钩可由下式计算,即v 大钩=P D 平n 电60zi(2)式中 n 电)))电动机转速,r/m i n 。

根据电动机扭矩-转速特性参数,利用公式(1)、(2)计算7@8绳系下的大钩钩载、钩速,并绘制该绳系下的提升曲线,如图2所示。

图2 提升曲线由图2可以看出,钩速在0~0140m /s 范围内时,钩载和快绳拉力为恒定值,设计最大起升钩载为9000kN,最大快绳拉力851kN,绞车可以利用这段曲线起升钻机最大载荷;钩速在014~1134m /s 和1134~1185m /s 范围内分别对应恒功率区间和降功率区间,绞车可以利用这2个速度区间实施正常钻井作业,并利用接近最大钩速值解空吊卡,利用小于或等于0165m /s 钩速提升钻机最大钻柱重力等。

3 关键技术分析4410k W (6000hp)石油钻井绞车设计在我国尚属首次,该绞车传递的功率较常用的1470k W (2000hp)绞车增大了许多,因此在设计过程中有许多技术问题需要研究和解决。

311 模块化设计一般国内绞车设计宽度尺寸必须控制在313m 以内,高度尺寸控制在311m 以内,而单元运输质量不宜过大。

根据此要求优化出既可作为一个整体单元独立运输,又可分为3个独立模块分体运输的绞车方案。

绞车滚筒轴及刹车系统安装在1个大底座上,构成1个运输单元,绞车两端电动机、减速箱、自动送钻装置分别安装在2个小底座上,构成2个独立运输单元,并且最大单元质量不超过45;t 有效地解决了绞车的长途运输和搬家问题。

而且3个独立模块拆装简单方便,不需要找正。

)59)2009年 第37卷 第1期姚爱华等:6000hp 石油钻井绞车技术分析312高速大功率齿轮减速箱的研制由于绞车宽度、高度的限制及电动机的选择,经过计算分析,高速大功率齿轮减速箱的传动只能选择一级。

目前,国内在用的大功率石油钻井绞车一般采用2台或4台交流电动机作为动力,并通过鼓形齿联轴器带动左右2台齿轮减速箱再经过鼓形齿联轴器来驱动滚筒轴。

当减速箱为一级减速箱时,由于电动机与减速箱是刚性连接,左右减速箱要么一起运转,要么一起停止。

当单边交流电动机运转时,左右减速箱也全都运转并带动另一边交流电动机运转。

而在钻井过程中如果钩载不大的情况下,启动单边电动机已能够满足钻井需要,而此时左右减速箱将都运转并带动另一边交流电动机反向拖动,这样使得绞车的转动惯量增大,启动时间延长,动力增大,造成不必要的能耗。

另外由于大功率绞车传动的特点,电动机与减速箱、减速箱与滚筒轴之间的联轴器不得采用可离合的联接方式,在正常工作中如果单边任1台或2台电动机发生故障时,靠鼓形齿连接的齿式联轴器不能快速脱开而使绞车长时间停止运转,可能会造成井下事故的发生。

为了维护方便、节约能源和保证寿命,左、右2台减速箱都设有离合机构。

在钻机钩载不大的情况下,当单边交流电动机运转时,将另一边减速箱挂合为空挡位,电动机的运转不会带动另一边减速箱和交流电动机运转,缩短了启动时间,降低了动力损耗。

此外,当单边的1台或2台电动机发生故障时,另一边电动机仍可驱动绞车运转,可随时维修电动机,有效地解决了大功率石油钻井绞车快速维修更换等许多问题,并可防止井下事故的发生。

为了保证设备的可靠性,减速箱在设计中采用高强度材料以及高质量的轴承。

为了便于现场维护,减速箱采用纯机械式密封。

313超大型绞车滚筒体的设计考虑该绞车使用的钢丝绳直径、承受的扭矩及滚筒的缠绳容量,参考国外相当能力的绞车,确定滚筒的直径和长度分别为1320mm和2305mm。

在滚筒体的设计中采用滚筒厘巴斯绳槽整体加工、两半对接式焊接的结构设计,并对轮毂侧板进行了特殊热处理,延长了滚筒的寿命,并且在保证有效缠绳的情况下,使维修更加方便。

该滚筒的直径大、长度长,必然导致滚筒的质量大。

为此,在设计过程中采用加筋板的结构形式,这样既保证滚筒的强度,又减轻了滚筒的质量。

314绞车新型换挡机构的设计目前绞车换挡机构一般采用手动换挡或气动换挡,手动换挡机构操作困难,工作效率低,不适应频繁换挡环境,人性化较差;气动换挡机构一般由换挡气缸、锁挡气缸、限位块、连杆机构、换挡齿轮、控制回路等组成。

机构复杂,换挡的精度不高,而且换挡机构结构尺寸大,连接管路多,容易以压缩空气作为介质和动力,采用PLC程序控制电磁阀组动作换挡、锁挡,行程检测装置检测并反馈信号给PLC,PLC通过行程检测装置发出的信号以及控制指令,自动控制并实现实时监测、显示和故障处理,确保机构换挡动作灵敏、准确和可靠,并可保证多套该机构用于石油钻机绞车中时,实现功能互锁,保障设备的安全。

此换挡机构解决了原机构复杂、尺寸大、灵敏度低以及气压不够时容易串挡的问题,而且此机构还备用了1套手动操作手柄,可以直接安装使用。

新型换挡机构应用于该绞车的减速箱和自动送钻装置中,提高了该绞车的自动化水平和可靠性。

315超大型绞车液压盘式刹车通过大量的计算和有限元分析论证,液压盘式刹车的安全性达到设计要求。

目前在用的液压盘式刹车黄油润滑点很多,造成现场维护比较繁琐、困难。

在该绞车的设计过程中通过对刹车钳结构的改进,达到了免维护的要求。

316绞车电动机绞车电动机是国内第1台针对石油钻井绞车研发的专用电动机。

为了满足-40e低温,电动机转轴、轴承、接线排、绝缘材料等均选用耐低温的优质材料。

解决了大扭矩、2倍机械过载倍数、宽恒功比3项主要技术指标与外形尺寸、质量要求之间的矛盾,满足综合技术要求。

在钻井电动机上采用铜排方式将电动机绕组引线接出,这样简化了电动机的外部配置,易于大电流电动机的设计以及提高电动机的防护等级。

应用电动机绕组及传动端轴承的检测,有利于电动机的保护。

采用了轴电流绝缘轴承,有利于延长电动机的寿命。

在电动机主接线箱内,将动力电缆和信号电缆分离后单独插接的方式,有利于提高电气系统的抗干扰能力。

4厂内试验情况4410k W(6000hp)绞车在厂内进行了初步试验,试验的主要内容如下:)60)石油机械2009年第37卷第1期(1)在钻机排绳试验中,无论在高低速的情况下绞车滚筒缠绳整齐有序;(2)在性能试验(包括气控、水路、机油润滑及刹车系统)中,各项均符合要求;(3)空载试运转试验中,滚筒转速实际最高为250r/m in,略低于设计初的最高转速;(4)带载运转试验中,滚筒转速实际最高为250r/m in,滚筒轴加载扭矩30kN#m。