JC50D型一橇式絞車的提升特性及關(guān)鍵技術(shù)分析

鞠家奎，張忠平，孟萌，王祥偉，黃占鰲

（南陽二機石油裝備（集團）有限公司，河南南陽 473006）①

20世紀70年代，直流驅(qū)動鉆機就開始應用。發(fā)展至今，該種技術(shù)仍然具有很大發(fā)展空間［1］。絞車是鉆機的關(guān)鍵部件，其工作性能關(guān)系到鉆井質(zhì)量、成本和鉆井效率。以前的直流驅(qū)動絞車在調(diào)速性、傳動穩(wěn)定性、大扭矩直流電機的研究應用方面取得較好發(fā)展［2］，但存在幾個特點：配備撈砂滾筒及貓頭，不帶自動送鉆系統(tǒng)，分兩橇布置，搬家、維修復雜。為此，開發(fā)高度自動化和智能化、一橇、模塊式、低成本、配置更具現(xiàn)代化的鉆井絞車尤為重要。南陽二機集團研制了新一代JC50D 型一橇式直流驅(qū)動絞車，以便進一步提高該類型鉆機整體水平，滿足目前鉆井工藝要求。

1 傳動原理

JC50D 型直流驅(qū)動絞車傳動原理如圖1。

1）主傳動系統(tǒng)由2臺直流電動機經(jīng)聯(lián)軸器同步驅(qū)動，經(jīng)過中間軸變速后傳動滾筒軸，實現(xiàn)絞車4個正擋和4個倒擋。主電機可按鉆機的要求進行平滑柔性調(diào)速。

2）自動送鉆系統(tǒng)由一臺功率較小交流變頻電機驅(qū)動，經(jīng)大扭矩、超大減速比減速器和徑向離合器后，將動力傳遞到滾筒軸，完成自動送鉆過程。

圖1 JC500D 絞車傳動原理

2 技術(shù)參數(shù)

3 提升特性分析

以南陽二機集團生產(chǎn)的ZJ50D 型鉆機為例，絞車的提升特性是大鉤鉤載與大鉤鉤速的關(guān)系。

大鉤鉤載可由式（1）計算：

式中：T為驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩，選用2臺800kW 直流電動機為動力；i為傳動系統(tǒng)總傳動比；η1為傳動系統(tǒng)總效率，η1＝0.78；η2為游動系統(tǒng)總效率，η2＝0.77（6×7繩系）；Z為支承游動載荷的鋼絲繩根數(shù)，Z＝12；D為滾筒平均直徑，D＝0.783m。

大鉤鉤速v可由式（2）計算：

式中：n為直流電動機轉(zhuǎn)速，r／min。

根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性參數(shù)，利用式（1）～（2）計算JC50D 絞車大鉤載荷、鉤速，并繪制該繩系下的提升曲線，如圖2所示。

圖2 鉤速－鉤載曲線

由圖2可知，絞車在Ⅰ擋（低速擋）工作時，鉤速在0～0.51m／s。在鉤速0～0.28m／s段，鉤載可達恒定值3150kN，絞車可利用這段曲線處理井下事故，下套管以及提升鉆機最大載荷。鉆機起放井架、底座時也用該擋。絞車在Ⅱ擋的鉤速為0～0.82 m／s，其中鉤速在0～0.45m／s段，鉤載可達恒定值3150kN，絞車可利用這段曲線處理井下事故、提升最大載荷。絞車在Ⅰ、Ⅱ擋的恒定鉤載曲線段，兩電機均處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。

絞車在Ⅲ、Ⅳ擋工作時，鉆機的工作速度范圍較寬，鉤速為0～1.5m／s。Ⅲ擋鉤速為0～1.46m／s，鉤速在0～0.81m／s段兩電機為恒定轉(zhuǎn)矩區(qū)，最大鉤載為恒定值2608kN。Ⅳ擋為高速擋，鉤速在0～1.5m／s，在鉤速為0～1.3m／s段，兩電機為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，最大鉤載為1254kN，此時若需提升最大鉆柱重力1600kN，可利用短時過載（過載系數(shù)僅為1.276，當然也可利用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ擋），過載時間不超過30s，絞車可利用這段曲線起升最大鉆柱。在利用Ⅳ擋工作時，若電動機轉(zhuǎn)速提高，鉤速在空載下，速度達到2.37m／s，這是不允許的，所以在鉤速達到1.5m／s時［3］，即圖中A 曲線，電路增設(shè)防滑電路，避免速度過快，以完成空吊卡工作。

4 關(guān)鍵技術(shù)及特點

4.1 模塊的整體布局設(shè)計

根據(jù)運輸條件，寬度尺寸控制在3.3 m 以內(nèi)，高度尺寸控制在2.9 m 以內(nèi)。由于絞車為四軸絞車，而且含有3臺電機和1臺電磁剎車，整體要求結(jié)構(gòu)布置緊湊。JC50D 型絞車整體為一模塊，將臥式自動送鉆減速箱安裝在絞車頂部，2臺主電機的風機及接線盒朝向內(nèi)側(cè)，后側(cè)不超出絞車橇。由于整體布置后接線位置受限，在底座增設(shè)了2個過度接線箱，滿足人性化要求。電磁剎車的接線盒安裝位于靠近主電機一側(cè)，雙面液壓盤剎按8個液壓鉗安裝空間布置，便于絞車升級，使盤剎護罩安裝后與絞車橇前邊沿僅凸出50 mm。換擋氣缸機構(gòu)安裝在絞車頂部、位于自動送鉆裝置離合器的下面，為了給換擋機構(gòu)足夠的安裝空間，將安裝面低于電機安裝面50mm。因中間軸上的鏈輪直徑約為1m，輸入軸較中間軸靠上布置，油腔與滾筒軸間的隔板設(shè)計成不對稱凹槽型。允許路況下，絞車模塊整體運輸，不需拆卸任何零部件。

輸入軸總成、自動送鉆軸總成安裝從機架左端整體裝入。中間軸總成從機架后側(cè)靠左裝入后，整體向右推進到位。絞車的所有液、氣、電控制線均從絞車左右兩側(cè)進出。導軌式排繩器在搬家時需拆卸。

4.2 主電動機選擇

主電機為直流電機，可在額定轉(zhuǎn)速0～150%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。恒定轉(zhuǎn)矩為8022 N·m，最高轉(zhuǎn)速1500r／min。一般鉆井工況下，不需提升最大鉤載，此時若其中一臺電動機發(fā)生故障，另一臺可單臺短時應急運行。另外，在司鉆側(cè)電動機與輸入軸間安裝有慣性剎車裝置，利用其反扭矩功能實現(xiàn)快速停止。

電動機功率因數(shù)高，直接帶載軟啟動，并由電動機直接控制絞車。在Ⅰ擋恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，2臺800kW 電動機采用串聯(lián)，沒有過載系數(shù)，所具備的提升能力遠大于最大鉤載，大于同級鉆機絞車的載荷能力，提高處理事故時解卡能力，也提高在相同載荷下的提升速度，減少起下鉆時間，增強了絞車的適應性和經(jīng)濟性。

4.3 自動送鉆系統(tǒng)

采用交流電機、超大扭矩減速箱及徑向離合器裝置。自動送鉆動力直接輸入到主滾筒高速端空套鏈輪。自動送鉆共有2個擋：一路直接掛合高速端離合器；另一路經(jīng)過中間軸，掛合低速端離合器帶動滾筒低速運轉(zhuǎn)。掛合低速端離合器可以起升井架和底座。自動送鉆還可在主動力系統(tǒng)發(fā)生故障時，帶動滾筒提升或活動鉆具，防止井下可能發(fā)生的事故［4］。

自動送鉆動力直接傳遞到高速空套鏈輪，高速端采用了大扭矩離合器，保證提升所需要的足夠轉(zhuǎn)矩。自動送鉆傳動路線上的所有離合器均設(shè)有事故銷。

4.4 控制系統(tǒng)

絞車除電磁剎車的手動離合外，其余操作全部集中在司鉆房，操作臺安裝有各種鉆井儀表。司鉆可以根據(jù)儀表指示的大鉤載荷，利用手柄或按鈕合理選擇絞車擋位，即使發(fā)生操作失誤或大鉤載荷超載，操作面板上的儀表均有顯示，司鉆便可及時糾正，選擇更匹配的擋位及轉(zhuǎn)速。

JC50D 型絞車低速端底座內(nèi)安裝有閥島箱，能實現(xiàn)集機、電、液一體控制。以盤剎液壓站壓力油和壓縮空氣作動力，利用所編PLC程序去控制電磁閥組，使其進行換擋、鎖擋。由行程檢測裝置檢測并反饋信號給PLC，PLC再通過其發(fā)出的信號和控制指令，實現(xiàn)實時監(jiān)測和故障處理。

絞車擋位為4＋4R，Ⅳ擋能滿足正常鉆井需要；Ⅰ、Ⅱ擋可用于處理井下事故和下放套管，Ⅰ檔還用于起升底座或井架。正常鉆井時選擇好擋位后不需頻繁換擋。

4.5 其他

1）主剎車采用液壓雙面風冷盤剎，輔助剎車采用風冷電磁渦流剎車。

2）根據(jù)目前鉆井工藝及用戶要求，不再設(shè)置撈砂滾筒軸及貓頭裝置。

3）滾筒體采用厘巴斯繩槽，兩半對接式焊接結(jié)構(gòu)，輪轂耐磨板為可拆式結(jié)構(gòu)，進行了特殊工藝處理，以延長滾筒壽命。主大繩入繩口位于右輪轂。

4）絞車設(shè)有整體防雨棚，自動送鉆電機設(shè)有防污罩。

5）底座預埋有水冷管線及進水分配裝置，可匹配水冷盤剎和水冷電磁剎車。

6）改換電磁剎車、滾筒體、增加2個盤剎工作鉗即可升級為JC70D 型一橇式絞車。

5 結(jié)論

1）研制的JC50D 型一橇式絞車能滿足用戶提出的實際鉆井工藝要求，功率利用范圍寬。電機啟動與制動較平衡，允許頻繁啟動和制動，調(diào)節(jié)與使用均方便，適應性強。操作方便，具有較好的處理事故能力。

2）解決了由傳統(tǒng)的兩橇到一橇式設(shè)計難題。與兩橇結(jié)構(gòu)相比，制造、搬家、維修方便，占用鉆臺面積小。

3）JC50D 型絞車的不足是自動送鉆系統(tǒng)用低速擋起升井架、底座，速度稍偏低。

4）直流驅(qū)動鉆機相比交流驅(qū)動鉆機成本低，因此仍受用戶青睞。

5）對電機功率利用的合理性、擋速分配的科學性、能耗制動方面還需要深入研究。

［1］陳如恒，沈家俊.鉆井機械的設(shè)計計算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995：83－91.

［2］吳福才，盧群輝.5000 m 鉆機選型分析［J］.石油礦場機械，2005，34（5）：58－60.

［3］陳如恒.電動鉆機的工作理論基礎(chǔ)（一）［J］.石油礦場機械，2005，34（3）：1－10.

［4］陳如恒.電動鉆機的工作理論基礎(chǔ)（二）［J］.石油礦場機械，2005，34（5）：1－6.