ZJ50/3150LDB新型鉆機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

梁 一

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅蘭州 730314)

0 引言

ZJ50/3150LDB型鉆機(jī)是機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，用于石油、天然氣勘探開發(fā)、鉆井作業(yè)，適用于井深5 000 m以下油、氣、水井及科學(xué)探測鉆井，該鉆機(jī)采用K型井架整體起升，井架低位安裝，底座前、后臺(tái)滿足鉆機(jī)整體平移的要求。該鉆機(jī)解決了我國石油鉆井行業(yè)中一直存在的設(shè)備搬遷安裝時(shí)效差、人工勞動(dòng)量大、安全系數(shù)低和鉆機(jī)占地面積大等諸多問題。

1 ZJ50/3150LDB型鉆機(jī)總體方案

鉆機(jī)采用3臺(tái)G12V190PZL/0柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組作為主動(dòng)力，通過液力耦合器傳動(dòng)、整體鏈條并車后，動(dòng)力分為三路:①由兩根萬向軸分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)3NB1300C泥漿泵;②經(jīng)萬向軸驅(qū)動(dòng)絞車;③通過萬向軸驅(qū)動(dòng)一臺(tái)600 kW 400 V節(jié)能發(fā)電機(jī)。柴油機(jī)、液力耦合器采用分體式結(jié)構(gòu)，共用一個(gè)底撬;整體鏈條并車裝置為一個(gè)單獨(dú)運(yùn)輸單元。鉆機(jī)傳動(dòng)原理詳見圖1。

電傳動(dòng)系統(tǒng)由2臺(tái)400 kW 400 V VOLVO發(fā)電機(jī)組作為電源，發(fā)出的交流電經(jīng)整流后驅(qū)動(dòng)帶轉(zhuǎn)盤的交流變頻電機(jī)，并通過MCC系統(tǒng)向井場和生活區(qū)用電單元供電。

采用前開口井架，大塊搭接式底座。鉆機(jī)底座為前高后低結(jié)構(gòu)，絞車低位安裝在1．4 m高的底座上，與動(dòng)力機(jī)組、鏈條并車裝置布置在后臺(tái)底座上。

圖1 鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖

絞車主剎車為液壓盤式剎車，輔助剎車采用水冷式電磁渦流剎車。

轉(zhuǎn)盤采用1臺(tái)600 kW交流變頻電機(jī)，經(jīng)鏈條減速傳動(dòng)，通過萬向軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。

(1)K型前開口井架 K型井架又稱前開口型井架，它是橫截面為矩形，前面敞開(或大部分敞開)，由若干段焊接結(jié)構(gòu)用螺栓或銷子連接組裝成的整體空間結(jié)構(gòu)。前開口型井架的結(jié)構(gòu)組成一般包括天車臺(tái)、二層臺(tái)、主體結(jié)構(gòu)、立管平臺(tái)、工作梯、登梯助升裝置及防墜落裝置，還配有死繩護(hù)繩器，大鉗平衡重及吊鉗滑輪。井架背面有斜拉桿、剛架與主體各段相連，主體各件間均為銷軸連接。整個(gè)井架在地面或者接近地面處安裝，依靠絞車動(dòng)力，通過起升三角架將井架整體起升到工作位置。

(2)前、后臺(tái)整體平移底座 鉆機(jī)底座為前高后低結(jié)構(gòu)，前、后臺(tái)底座可在同一導(dǎo)軌上整體移動(dòng)。整體結(jié)構(gòu)為大塊搭接結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件之間用銷軸聯(lián)接，該底座用來支承和固定井架、轉(zhuǎn)盤、鉆工房、主絞車、柴油機(jī)、傳動(dòng)機(jī)組等，承受其重量及在鉆井作業(yè)各種工況所產(chǎn)生的載荷，同時(shí)還承受鉆柱立根及其它鉆井工具的重量，提供必要的操作空間。底座在各種工況下使用安全可靠，穩(wěn)定性好，并且結(jié)構(gòu)合理，底座前、后臺(tái)滿足鉆機(jī)整體平移要求，底座既能承受最大轉(zhuǎn)盤靜負(fù)荷與額定立根負(fù)荷的聯(lián)合作用，又能承受井架最大負(fù)荷。井架受最大風(fēng)載及井架起放時(shí)，整個(gè)底座安全可靠，移運(yùn)方便。

底座由前臺(tái)和后臺(tái)兩部分組成。前后臺(tái)通過耳板、銷子連接，構(gòu)成了底座的整體結(jié)構(gòu)，前臺(tái)又由頂層、中層、底層、臺(tái)面內(nèi)圍、臺(tái)面外圍構(gòu)成，前臺(tái)底座臺(tái)面高7．5 m，主絞車在鉆臺(tái)下面。鉆臺(tái)下面是兩個(gè)基座，左、右基座之間連著底拉梁、絞車底座、斜拉梁等。左、右基座上方有左、右支腿，左、右支架和斜撐桿。左、右支腿支承著立根盒梁，左、右支架支承著電機(jī)底梁，轉(zhuǎn)盤梁則支承在立根盒梁及電機(jī)底梁之間。立根盒梁前方有坡道、梯子等，左、右有立根盒左、右飄臺(tái)。左、右支架上方后側(cè)裝有供井架起升用的左、右起升三角架，井架起升向后翻轉(zhuǎn)180°，鋪上鋪板，增加鉆臺(tái)面積。前臺(tái)正中有坡道，右側(cè)有直梯，左邊有滑梯、鉆工房等。前臺(tái)還有鋪板、欄桿等。大件之間都是通過銷子連接。后臺(tái)底座，高0．4 m，由左、右后臺(tái)，軟化水箱，廢機(jī)油箱等組成。后臺(tái)底座前與絞車底座用銷子耳板連接，中間由四個(gè)片架組成，采用銷子耳板連接，用以支撐三臺(tái)柴油機(jī)及柴油機(jī)座;左、右后臺(tái)及片架中設(shè)計(jì)斜撐，增加了后臺(tái)整體穩(wěn)定性，使后臺(tái)移動(dòng)時(shí)更加平穩(wěn)，同時(shí)加工制造時(shí)容易控制焊接變形。左、右后臺(tái)主梁與鉆機(jī)前臺(tái)左、右基座主梁保持平齊，可與鉆機(jī)底座坐于相同移動(dòng)導(dǎo)軌上進(jìn)行移動(dòng)。左右后臺(tái)之間通過片架連接，滿足鉆機(jī)底座前、后臺(tái)的整體平移要求(見附圖2)。

(3)絞車 JC50絞車墻板式，全密閉三軸絞車。絞車采用氣動(dòng)換擋。JC50絞車主剎車采用液壓盤式剎車，輔助剎車采用水冷電磁渦流剎車。JC50絞車采用過卷閥裝置，過卷閥安裝在滾筒上方，可沿軸向左右調(diào)整，過卷閥撥桿的長度依游車上升到極限高度時(shí)鋼絲繩在滾筒上纏繩量來調(diào)整(游車上升距天車梁下平面6～7 m處)。當(dāng)游車上升處于極限高度時(shí)，鋼絲繩觸碰撥桿，滾筒離合器放氣，盤剎閉式鉗工作，進(jìn)行緊急剎車，將滾筒剎死。

圖2 前、后臺(tái)整體平移底座

(4)轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)盤采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，由1臺(tái)600 kW/400 V交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過一級(jí)鏈條減速箱后，經(jīng)萬向軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速可根據(jù)鉆井工藝要求，設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速，以獲得理想的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和扭矩，轉(zhuǎn)盤在輸出軸的一端配有慣性剎車，為避免操作過程中發(fā)生意外事故，

(5)整體鏈條并車傳動(dòng)裝置 并車鏈條箱為三級(jí)兩泵的硬脖密閉式整體鏈條箱，并車鏈條箱可將三個(gè)動(dòng)力機(jī)組的動(dòng)力統(tǒng)一，為整臺(tái)鉆機(jī)提供和分配柴油機(jī)動(dòng)力，可以單獨(dú)或聯(lián)合驅(qū)動(dòng)一臺(tái)絞車，一臺(tái)或兩臺(tái)泥漿泵。柴油機(jī)通過液力耦合器、萬向軸驅(qū)動(dòng)硬脖密閉式整體鏈條箱裝置，二臺(tái)泥漿泵分別經(jīng)萬向軸驅(qū)動(dòng)，絞車經(jīng)萬向軸驅(qū)動(dòng)，節(jié)能發(fā)電機(jī)通過萬向軸驅(qū)動(dòng)。硬脖密閉式整體鏈條箱裝置為獨(dú)立模塊。

(6)柴油機(jī)組及液力耦合器 柴油機(jī)與液力耦合器采用分體式結(jié)構(gòu)，采用球籠萬向聯(lián)軸器連接柴油機(jī)與液力耦合器，柴油機(jī)與液力耦合器安裝在同一底座上。

2 ZJ50/3150LDB型鉆機(jī)技術(shù)性能特點(diǎn)分析

(1)鉆機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)。鉆機(jī)屬于大型流動(dòng)作業(yè)機(jī)械系統(tǒng)，它需要經(jīng)常拆卸、運(yùn)移和安裝，這部分非生產(chǎn)時(shí)間占很大比例，模塊化設(shè)計(jì)能降低拆卸安裝的工作量，縮短搬家時(shí)間，降低鉆井成本。

(2)絞車采用墻板式、全密封絞車。絞車輸入軸端加裝應(yīng)急電機(jī)裝置，可用于起放井架、在主系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可應(yīng)急提出鉆具，具有提升最大鉆柱重量的能力;滾筒為Lebus整體開槽，配過卷閥防碰裝置和重錘防碰裝置。

(3)轉(zhuǎn)盤采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)盤與其驅(qū)動(dòng)裝置為獨(dú)立模塊，拆裝、運(yùn)輸方便。解決了以往鉆機(jī)統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)型式中存在轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、絞車運(yùn)行參數(shù)相互制約的矛盾;既可由轉(zhuǎn)盤電機(jī)經(jīng)鏈條箱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，又可由絞車電機(jī)經(jīng)鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，二者實(shí)現(xiàn)互濟(jì)，提高了鉆機(jī)的自動(dòng)化水平和可靠性，更好地滿足鉆井工藝的需要。

因此，建議在模擬英國議會(huì)制辯論教學(xué)過程中強(qiáng)化中國學(xué)生對(duì)上述論辯要素敏感性。看到辯題，特別是政策性辯題后，辯手們首先要考慮辯題擬解決的主要問題并迅速確定己方立場。然后針對(duì)問題的起因確定解決方案。在考慮解決方案時(shí)既要想到其優(yōu)勢，也要考慮其弱勢。最后考慮論證己方立場的論點(diǎn)，包括己方動(dòng)議的合理性、有效性和后果等等。

(4)井架為前開口K型結(jié)構(gòu)。立柱采用大截面H鋼，承載能力強(qiáng);井架可在地面水平拆裝、整體起放和分段運(yùn)輸;井架支腳生根在底座基礎(chǔ)上，增加了井架、底座的整體穩(wěn)定性。比起塔形井架和A型井架，前開口K型井架的總體穩(wěn)定性高、拆裝方便且安全，采用較高的鉆臺(tái)，便于安裝、操作井口設(shè)備。

(5)底座為大塊搭接式結(jié)構(gòu)，前、后臺(tái)底座可在同一導(dǎo)軌上整體移動(dòng)。大塊搭接式底座，由于整體分塊，所以拆遷、運(yùn)輸、安裝都很方便;整體移動(dòng)底座實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的整體步進(jìn)移動(dòng)。

(6)整臺(tái)鉆機(jī)設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循HSE規(guī)范要求。鉆機(jī)安全性、可靠性高，配置合理、齊全，結(jié)構(gòu)緊湊，起升平穩(wěn)，分塊合理。實(shí)現(xiàn)人性化、模塊化組合設(shè)計(jì)，各摸塊之間采用銷板連接，結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、便于運(yùn)輸。

(7)鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)在工作狀態(tài)下(井架和底座不下放)的整體直線平移，并且具有總體結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡便、動(dòng)作平穩(wěn)、移位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，所以特別適用于在較小區(qū)域內(nèi)多口井的連續(xù)鉆井施工?？傮w技術(shù)水平已達(dá)到同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。

(8)設(shè)計(jì)符合以下標(biāo)準(zhǔn):

APISpec Q1《石油、石化和天然氣工業(yè)用質(zhì)量綱要規(guī)范》

SY/T5609－1999《石油鉆機(jī)型式與基本參數(shù)》。

AISC 335－89《美國鋼結(jié)構(gòu)手冊》

APISpec 4F《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》

APISpec 8C《鉆井和開采提升設(shè)備規(guī)范》

APISpec 7K《旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)設(shè)備規(guī)范》

APISpec 7F《油田鏈條和鏈輪規(guī)范》

APISpec 9A《鋼絲繩規(guī)范》

AWSD1．1－2010《美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》

SY/T6276－1997《石油天然氣工業(yè)健康、安全與環(huán)境管理體系》

3 ZJ50/3150LDB型鉆機(jī)應(yīng)用前景

綜上所述，該鉆機(jī)是目前國內(nèi)油田最為推崇的產(chǎn)品，具有工作可靠、性能穩(wěn)定和移運(yùn)快速等特點(diǎn)，平均鉆機(jī)搬遷安裝時(shí)間可節(jié)約2～3天，運(yùn)輸車輛減少1/3左右，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，鉆機(jī)整體移運(yùn)裝置已經(jīng)逐步在我國石油鉆井行業(yè)中應(yīng)用開來，進(jìn)一步推動(dòng)了我國石油工業(yè)的迅猛發(fā)展。我公司為遼河油田制造的ZJ50/3150LDB型鉆機(jī)，經(jīng)過使用，其機(jī)械性能良好，是經(jīng)濟(jì)適用，性價(jià)比高的鉆機(jī)。隨著石油鉆機(jī)移運(yùn)裝置的逐步發(fā)展完善，相信它在石油鉆井行業(yè)中的作用將會(huì)得到更好地體現(xiàn)。

［1］ 楊建平，劉興邦．海洋自升式井架起升設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(5):106－108．

［2］ 劉欽祥，張 勇，劉永勤，等．ZXJ30CZ/K型鉆機(jī)的開發(fā)研制［J］．石油礦場機(jī)械，2007，36(7):75．