交流變頻低溫鉆機兩檔絞車研制及應(yīng)用

何江海　馮定

摘要：在北極區(qū)蘊藏著豐富的石油、天然氣資源，由于其特殊的低溫環(huán)境使得開發(fā)難度大，對鉆機各方面的性能要求更高。目前我國生產(chǎn)的鉆機一般適用條件是溫度不低于-20℃的工作環(huán)境，不能滿足工作環(huán)境溫度

－45℃地區(qū)的使用要求。絞車作為鉆機的核心部件，擔(dān)負(fù)著起下鉆具、下套管、控制鉆壓、處理事故、提取巖芯筒、試油以及井架和底座起升下放等各項作業(yè)，其性能好壞直接影響鉆機的鉆井效率。江漢石油管理局第四機械廠研制開發(fā)了ZJ50DB低溫輪軌鉆機，已經(jīng)在俄羅斯西伯利亞北極圈內(nèi)作業(yè)，通過了-45℃工作環(huán)境的考驗，性能穩(wěn)定，為該鉆機研制的交流變頻兩檔絞車得到了成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：交流變頻；低溫鉆機；兩檔絞車；傳動系統(tǒng)；兩檔齒輪減速箱；自動送鉆裝置

中圖分類號：TE922 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）02-0040-03

目前我國生產(chǎn)的鉆機一般適用條件是溫度不低于－20℃的工作環(huán)境，不能滿足工作環(huán)境溫度

－45℃地區(qū)的使用要求。由于低溫使用環(huán)境對鉆機金屬結(jié)構(gòu)件、橡膠件、電器原件、信號原件、流體介質(zhì)、制造工藝、操作環(huán)境等的性能都產(chǎn)生極大的影響，使得研制開發(fā)適合－45℃使用的低溫鉆機有著獨特的意義。絞車是鉆機的核心部件，直接決定鉆機的鉆井效率，要求其性能好、啟動平穩(wěn)、調(diào)速范圍廣、過載能力強、功率利用率高、電機無電刷火花隱患等獨特優(yōu)勢，重要的一點還必須滿足特殊環(huán)境下的使用要求。

為了滿足俄羅斯－45℃低溫環(huán)境下鉆叢式井的要求，鉆深能力5000m，特研制開發(fā)了ZJ50DB低溫輪軌鉆機，為該鉆機研制的交流變頻兩檔絞車，經(jīng)過了－45℃工作環(huán)境的考驗，性能穩(wěn)定。本文結(jié)合常規(guī)ZJ50DB鉆機的成熟技術(shù)，研制一種交流變頻電機驅(qū)動的兩檔單滾筒絞車，滿足環(huán)境溫度－45℃條件下的使用要求。

1 傳動原理及技術(shù)參數(shù)

1.1 傳動原理

為了滿足ZJ50DB低溫輪軌鉆機最大鉤載3150kN和最大鉤速達到1.5m/s以上的使用要求，同時實現(xiàn)65m外遠程控制絞車起升井架，確定兩檔絞車配置2臺800kW交流變頻電機、1臺兩檔齒輪減速箱、1臺單滾筒軸總成、1套液壓盤式剎車和1臺45kW自動送鉆裝置。傳動原理如圖1所示：

1，3.交流變頻電機 2.兩檔齒輪減速箱

4.液壓盤式剎車 5.主滾筒 6.絞車架及護罩總成

7.推盤離合器 8.自動送鉆裝置

圖1

絞車共分2個傳動系統(tǒng)，即由2臺800kW交流變頻電機為動力的主傳動系統(tǒng)和由1臺45kW交流變頻電機為動力的自動送鉆系統(tǒng)。整個絞車獨立成撬布置，保證運輸要求。

主傳動系統(tǒng)構(gòu)成：絞車由2臺800kW、0～2300r/min的交流變頻電動機經(jīng)過1臺兩檔兩級齒輪減速箱后，動力合并，同步驅(qū)動主滾筒軸，絞車整個調(diào)速過程及同步控制完全由主電機交流變頻控制系統(tǒng)操作實現(xiàn)，具有零轉(zhuǎn)速懸停、下鉆能耗制動功能。

自動送鉆系統(tǒng)構(gòu)成：自動送鉆由1臺45kW的交流變頻電動機驅(qū)動，經(jīng)過大扭矩、大傳動比的減速機后，通過推盤離合器將動力輸入到兩檔齒輪箱送鉆輸入軸，滿足提升最大鉆柱重量的要求。

1.2 技術(shù)參數(shù)

絞車輸入功率 2×800kW

快繩最大拉力 340kN

檔數(shù) 2正2倒（無級調(diào)速）

鉤速 0～1.63m/s（高速檔） 0～0.91m/s（低速檔）

滾筒直徑×長度（開槽） Ф685×1386mm

適用鋼繩直徑 Ф35mm

主剎車形式 液壓盤式剎車（風(fēng)冷）

輔助剎車形式 能耗制動

剎車盤直徑×厚度 Ф1570×76mm

自動送鉆電機功率 45kW（交流變頻）

自動送鉆速度 0～0.0138m/s

絞車外形尺寸 7460×3205×2530

絞車總重量 38000kg

2 提升特性分析

根據(jù)配置的電機功率，絞車傳動原理以及鉆機游吊系統(tǒng)特性及計算方法，繪制出絞車工作時大鉤負(fù)荷和大鉤速度之間的特性曲線，如圖2所示：

圖2 絞車工作特性曲線

根據(jù)交流變頻電機特性，由圖2可知，提升特性曲線分為3個區(qū)域：恒扭矩區(qū)、恒功率區(qū)和降功率區(qū)。

絞車在低速檔（I檔）時，大鉤速度范圍0～0.91m/s，當(dāng)鉤速在0～0.28m/s范圍內(nèi)時，為恒扭矩區(qū)，大鉤載荷為3743kN，保持恒定值，在電機不過載時，可以滿足起升最大載荷3150kN的使用要求，如果利用電機過載（通常電動機和變頻器允許過載1.5倍），大鉤的提升載荷更大，絞車可以利用這段曲線來處理井下事故、下套管以及起升井架。當(dāng)鉤速在0.28～0.57m/s范圍內(nèi)時，為恒功率區(qū)，可以提升的載荷為1875～3743kN。當(dāng)鉤速在0.57～0.91m/s范圍內(nèi)時，為降功率區(qū)，對鉆井要求偏低，一般不用。

絞車在高速檔（Ⅱ檔）時，鉆機的工作范圍較寬，大鉤速度范圍為0～1.63m/s，大鉤速度在0～0.51m/s范圍內(nèi)時，為恒扭矩區(qū)，可以提升的載荷為2089kN，滿足提升最大鉆柱重量1600kN的使用要求，當(dāng)鉤速在0.51～1.01m/s和1.01～1.63m/s范圍內(nèi)時，分別為恒功率區(qū)和降功率區(qū)，通常用于絞車空吊卡解卡工作。

3 結(jié)構(gòu)及特點

3.1 結(jié)構(gòu)

交流變頻低溫鉆機兩檔絞車為撬裝結(jié)構(gòu)，主要由交流變頻電機、液壓盤式剎車、主滾筒、兩檔齒輪減速箱、自動送鉆裝置、離合器、聯(lián)軸器以及加熱裝置等組成。主動力由2臺800kW的交流變頻電動機經(jīng)聯(lián)軸器同步輸入齒輪減速箱輸入軸，經(jīng)兩檔兩級齒輪減速后傳給滾筒軸，主剎車采用四開兩閉的液壓盤式剎車，輔助剎車采用能耗制動，絞車同時還配備了獨立的自動送鉆裝置，由一臺45kW的交流變頻電機驅(qū)動，經(jīng)大傳動比的立式減速機和推盤離合器后，將動力傳入齒輪減速箱輸入軸端，再經(jīng)過兩檔齒輪減速箱一級減速后帶動滾筒軸完成自動送鉆過程。

3.2 特點

為了滿足－45℃環(huán)境下正常作業(yè)的要求，絞車的部件選用了低溫材料，并采取防護保暖措施。對受力件，如滾筒軸、齒輪箱軸、絞車撬座、剎車盤及鉗架、齒輪箱體、電機外殼等，均采用耐低溫的材料，并對材質(zhì)取樣做低溫沖擊功試驗。板材及殼體件均采用Q345E，軸類采用40CrNiMoA，要求Q345E的板材以及型材－45℃低溫沖擊功平均值A(chǔ)kv≥34J，單個值不低于27J，經(jīng)檢驗合格后方可使用；軸類材料要－45℃低溫沖擊功平均值A(chǔ)kv≥42J，單個值不低于34J，經(jīng)檢驗合格后方可使用；焊接部位采用特殊工藝處理，所有橡膠密封件均采用耐低溫的材料，選用的潤滑油和潤滑脂必須滿足低溫環(huán)境下的使用要求，同時在油箱內(nèi)安裝了加熱裝置，保證絞車能在－45℃的環(huán)境下正常

作業(yè)。

絞車配置兩臺主電機互為備用，當(dāng)一臺電機出現(xiàn)故障時，另外一臺仍可正常工作；配置兩檔齒輪箱，滿足不同鉆井工況的使用要求，不同的工況選擇不同的檔位，通過手動實現(xiàn)換檔，當(dāng)處理井下事故、下套管以及起升井架底座時選擇低速檔，當(dāng)僅需要提升下放鉆柱或者空吊卡解卡工作時選擇高速檔，在同一個檔位下絞車變速過程完全由主電機交流變頻控制系統(tǒng)操作實現(xiàn)。在同一檔位下，大鉤的速度完全依靠交流變頻控制系統(tǒng)完成，對電機進行無極調(diào)速，實現(xiàn)完成起下鉆桿和解卡的目的。自動送鉆減速機具有自動送鉆、應(yīng)急和起放井架的多重功用，在鉆機搬家、沒有電網(wǎng)和發(fā)電機組供電時，使用小型的應(yīng)急發(fā)電機組就可以完成井架和底座的起放等搬家安裝工作，節(jié)約搬家時間；簡化絞車結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率，結(jié)構(gòu)更加緊湊，絞車重量與直流絞車相比，降低了30%。自動送鉆減速機還可以實現(xiàn)65m外遠程控制起升井架。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

已經(jīng)有8臺ZJ50DB低溫鉆機在俄羅斯西伯利亞北極圈內(nèi)作業(yè)，經(jīng)過了－45℃低溫環(huán)境的考驗，兩檔絞車各項指標(biāo)均滿足使用要求，性能穩(wěn)定，反應(yīng)良好，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。當(dāng)然，對于局部出現(xiàn)的漏油和軸承損壞問題，經(jīng)過更改密封型式和更換進口軸承，已徹底得到解決，總體上受到了俄方用戶的歡迎。

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作者簡介：何江海（1977-），男， 高級工程師， 長江大學(xué)機械學(xué)院工程碩士研究生在讀，研究方向：石油鉆采機械絞車和傳動設(shè)計。

（責(zé)任編輯：周 瓊）