ZJ50LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)配置技術(shù)研究

羅 軍

（中國石油西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆鄯善 838200）①

ZJ50LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)配置技術(shù)研究

羅 軍

（中國石油西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆鄯善 838200）①

分析了ZJ50 LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置電機(jī)配置的技術(shù)性能，并進(jìn)行了相關(guān)計算、校核，提出改造方案，對改造方案進(jìn)行了可行性論證。為轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置進(jìn)行技術(shù)改造和相關(guān)新鉆機(jī)配套提供了技術(shù)支持，使鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置不僅適應(yīng)常規(guī)鉆井，更適應(yīng)水平井、大位移井及處理井下復(fù)雜等鉆井工況的需要。

鉆機(jī)；驅(qū)動；轉(zhuǎn)盤；電機(jī)

隨著石油鉆機(jī)的不斷發(fā)展，設(shè)備越來越先進(jìn)，在機(jī)械鉆機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計的轉(zhuǎn)盤獨立電驅(qū)動機(jī)電復(fù)合鉆機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤無極調(diào)速功能，更方便鉆井作業(yè)。某公司2009年生產(chǎn)的ZJ50LDB型鉆機(jī)，轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置驅(qū)動電機(jī)采用400 kW交流變頻電機(jī)，轉(zhuǎn)盤為ZP-275型，減速箱為ZP40BS型兩級齒輪減速箱，傳動原理如圖1所示。變頻電機(jī)與齒輪減速箱通過齒式聯(lián)軸器連接，齒輪減速箱與轉(zhuǎn)盤通過萬向軸連接，兩級齒輪減速箱一側(cè)安裝液壓盤式慣剎，可以通過齒輪減速箱上的換擋手柄轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速擋位。

該鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置，啟動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)了無級調(diào)速，液壓慣剎制動速度快，操作靈敏，在普通井承鉆過程中，轉(zhuǎn)盤操作發(fā)揮了優(yōu)越性能。但是在承鉆水平井、大位移井及處理井下復(fù)雜時，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩不足，使轉(zhuǎn)盤不能再轉(zhuǎn)動，相對于ZJ50J型、ZJ50 L型機(jī)械鉆機(jī)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動鉆具圈數(shù)小了近60%，甚至實現(xiàn)不了為爆炸松扣作業(yè)緊扣程序，不能滿足特殊井工藝需求。

圖1 轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動傳動示意

1 ZJ50型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤功率及轉(zhuǎn)矩常規(guī)計算

ZJ50型鉆機(jī)最大名義井深（?114mm（4 1z/2英寸）鉆桿）為5 000 m，按照?127 mm（5英寸）鉆桿計算井深為4 500 m，驅(qū)動轉(zhuǎn)盤需要的功率按照經(jīng)驗公式［1］為

式中：L為井深；犆為經(jīng)驗系數(shù)，ZJ50型鉆機(jī)犆取100。

轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)矩包括鉆頭破巖轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)鉆具所耗轉(zhuǎn)矩［3］，計算公式為式中：M1為鉆頭破巖轉(zhuǎn)矩；M2為旋轉(zhuǎn)鉆具所耗轉(zhuǎn)矩。

M1和M2不易得到，但Mr可根據(jù)經(jīng)驗公式［3］得出，即

式中：L為井深，計算時取最大井深4 500 m；α為系數(shù)，取1時為最大工作轉(zhuǎn)矩。則

所以取ZJ50型轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤的最大功率為325 k W，最大工作轉(zhuǎn)矩為22.5 k N·m。

2 400 k W交流變頻電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩及相關(guān)核算

400 k W交流變頻電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置，兩級減速齒輪箱減速傳動比分別為i1＝1.020 4和i2＝1.821 4，減速齒輪箱在低速擋時，減速傳動比大，輸出的轉(zhuǎn)矩大。電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 轉(zhuǎn)盤電機(jī)參數(shù)

轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置400 k W交流變頻電機(jī)輸送到轉(zhuǎn)盤的最大轉(zhuǎn)矩［4］為

式中：N為電機(jī)額定功率；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；η為電機(jī)額定效率；i2為兩級減速齒輪箱低速傳動比；i3為ZP-275型轉(zhuǎn)盤傳動比。

轉(zhuǎn)盤低速擋位的最高轉(zhuǎn)速為

轉(zhuǎn)盤高速檔位的最高轉(zhuǎn)速為

根據(jù)轉(zhuǎn)盤說明書，ZP275型轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速300 r／min，轉(zhuǎn)速滿足要求。ZP275型轉(zhuǎn)盤最大工作轉(zhuǎn)矩為27.459 k N·m，400 k W交流變頻電機(jī)輸送到轉(zhuǎn)盤的最大轉(zhuǎn)矩為33.1 k N·m，幾乎剛滿足設(shè)計要求。但是在承鉆水平井、大位移井及處理井下復(fù)雜時，井下鉆具需要的轉(zhuǎn)矩短時間內(nèi)要增大許多。吐哈油田在玉北602井鉆至水平段3 658 m時，ZJ50 LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤不再轉(zhuǎn)動，此時轉(zhuǎn)矩儀顯示為22 k N·m，鉆具轉(zhuǎn)了12圈，而預(yù)期鉆具轉(zhuǎn)18圈就能緊扣，進(jìn)行爆炸松扣作業(yè)。承鉆連平23-1井，處理井下復(fù)雜時轉(zhuǎn)盤最大可轉(zhuǎn)動到14圈，預(yù)期鉆具能轉(zhuǎn)20～22圈，就便于井下處理復(fù)雜情況。對于ZJ50J型、ZJ50 L型機(jī)械鉆機(jī)，轉(zhuǎn)盤、絞車及鉆井泵多種設(shè)備可以實現(xiàn)功率互補(bǔ)，在短時間內(nèi)鉆具可轉(zhuǎn)動20～28圈。所以，ZJ50LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤配置400 kW交流變頻電機(jī)只能滿足常規(guī)鉆井，但鉆井工作中井下情況復(fù)雜，需要加大轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)矩來及時處理，此時為ZJ50LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤配置400 k W交流變頻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩就顯不足，為此提出增大一級電機(jī)功率的方案。

3 600 k W交流變頻電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩及相關(guān)核算

將轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置電機(jī)由400 k W改造成600 k W交流變頻電機(jī)，電機(jī)輸送到轉(zhuǎn)盤的最大轉(zhuǎn)矩為

600 k W交流變頻電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為672 r／min，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速也相應(yīng)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)盤低速擋位的最高轉(zhuǎn)速為

轉(zhuǎn)盤高速擋位最高轉(zhuǎn)速為

ZP275型轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速300 r／min，采用600 k W交流變頻電機(jī)后，轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速為171 r／min，滿足轉(zhuǎn)盤設(shè)計要求，在實際鉆井中也滿足轉(zhuǎn)速要求。600 k W交流變頻電機(jī)轉(zhuǎn)盤最大輸出轉(zhuǎn)矩為51.3 k N·m，比ZP275型轉(zhuǎn)盤最大工作轉(zhuǎn)矩27.459 k N ·m增加了86%。根據(jù)SY／T5050—2004《石油鉆機(jī)和修井機(jī)用轉(zhuǎn)盤》標(biāo)準(zhǔn)［5］，規(guī)定結(jié)構(gòu)件最小安全系數(shù)為1.67，也就是轉(zhuǎn)盤在處理井下事故等復(fù)雜時短時間可承載到45.9 k N·m。而600 k W交流變頻電機(jī)輸出功率可在VFD房變頻器上可以設(shè)置輸出百分比，這樣設(shè)置到輸出45.9 k N·m以內(nèi)，司鉆控制房內(nèi)轉(zhuǎn)矩輸出擋位也可以設(shè)置，通過多重保護(hù)就不會損壞轉(zhuǎn)盤。況且在實際鉆井過程中，80%～95%的情況下轉(zhuǎn)盤輸出功率僅為30%～50%，這樣的使用方式從機(jī)械角度來考慮，也是對轉(zhuǎn)盤的保護(hù)。

查閱《鉆井工具手冊》二級S135鋼級?127 mm（5英寸）鉆桿上扣轉(zhuǎn)矩為33.4 k N·m，最薄弱環(huán)節(jié)處的抗扭屈服強(qiáng)度為68.3 k N·m，1 000 m S135鉆桿最大可轉(zhuǎn)動15.75圈［6］，使用600 k W交流變頻電機(jī)估算1 000 m S135鉆桿最大可轉(zhuǎn)動11.8圈，3 000 m鉆具可轉(zhuǎn)動25～33圈，所以轉(zhuǎn)矩滿足鉆井工藝需求。

兩級齒輪減速箱和液壓慣剎也按照常規(guī)鉆井和承鉆水平井、大位移井及處理井下復(fù)雜等工況進(jìn)行分析，在短時間內(nèi)可以超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足要求。

將400 k W交流變頻電機(jī)改造成600 k W交流變頻電機(jī)，還需要改造VFD房內(nèi)變頻器等電控部分。國內(nèi)山西永濟(jì)電機(jī)廠生產(chǎn)的400 k W交流變頻電機(jī)和600 k W交流變頻電機(jī)安裝尺寸和外形尺寸都一致，使設(shè)備改造的可行性增大。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2014-03，西部鉆探吐哈鉆井公司將50562隊ZJ50 LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置400 k W交流變頻電機(jī)改造成600 k W交流變頻電機(jī)，相應(yīng)地對VFD房進(jìn)行配套改進(jìn)。改造后在吐哈油田玉北602井施工過程中，最大轉(zhuǎn)矩上限設(shè)定在38 k N·m，順利鉆穿2 130 m的定向段，最大實際轉(zhuǎn)矩為36 k N·m，沒有因為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩不足，出現(xiàn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)不動的現(xiàn)象，滿足了鉆進(jìn)要求。為了進(jìn)一步驗證效果，在后期鉆探過程中繼續(xù)進(jìn)行跟蹤研究。

5 結(jié)論

對于ZJ50型鉆機(jī)而言，轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置配置400 kW交流變頻電機(jī)和ZP275型轉(zhuǎn)盤，只能適應(yīng)常規(guī)井，即正常鉆進(jìn)、順利完井的直井、或短水平段定向井。但是，ZJ50型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置配置600 k W交流變頻電機(jī)和ZP275型轉(zhuǎn)盤才能滿足各種鉆井工況需要，又可以通過電控保護(hù)對轉(zhuǎn)盤進(jìn)行保護(hù)，僅在少數(shù)特殊情況下處理井下復(fù)雜時，可讓轉(zhuǎn)盤在45.9 k N·m以內(nèi)工作。通過上述論證，將400 k W交流變頻電機(jī)改造成600 k W交流變頻電機(jī)比較合理。為適應(yīng)各種工況，新配套ZJ50型轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動鉆機(jī)時，建議轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機(jī)為600 k W交流變頻電機(jī)。

［1］ 嵇彭年.鉆井機(jī)械［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990.

［2］ 陳如恒，沈家駿.鉆井機(jī)械的設(shè)計計算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1992.

［3］ 韓景山，李培江.石油鉆機(jī)獨立電驅(qū)動轉(zhuǎn)盤及動力的配置［J］.石油礦場機(jī)械，2005，34（1）：97-98.

［4］ 孫恒，陳作模，葛文杰，等.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］ SY／T5050—2004，石油鉆機(jī)和修井機(jī)用轉(zhuǎn)盤［S］.

［6］ 杜曉瑞，王貴文，王德良，等，鉆井工具手冊［J］.北京：石油工業(yè)出版社，2000.

Rotary Table Drive Motor Configuration Technology Research for ZJ50LDB Rig

The ZJ50LDB rig wheel independent drive motor performance is analyzed，and configuration technology，the related calculation，and comparison are made to put forward the reform scheme，the feasibility of retrofit scheme.The conclusion that for the wheel independent drive technical renovation and new rig related provides data support，make the rig rotary table drive not only to be adapted to the conventional drilling，but more suitable for horizontal well，the large displacement and downhole complex such as the need of drilling condition.

drilling rig；drive；rotary table；motor

TE922

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.021

1001-3482（2014）09-0078-03

2014-04-23

羅 軍（1979-），男，陜西長武人，工程師，主要從事石油鉆井設(shè)備維修管理及技術(shù)工作。