多種供電方式的ZJ20DB山地模塊鉆機(jī)的研制

杜永軍， 郭曉燕， 程曉麗， 張虎山， 劉遠(yuǎn)波， 王瀟瀟

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721001；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞 721001）

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，地貌特征豐富，大部分油田處于山地、丘陵、黃土塬、沙漠、戈壁等偏遠(yuǎn)地域，鐵路及公路不發(fā)達(dá)，運(yùn)輸條件有限，要求鉆機(jī)具有搬家運(yùn)輸方便、安裝占地面積小的特點(diǎn)；另外，現(xiàn)有鉆機(jī)多采用柴油發(fā)電機(jī)組供電，近幾年隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，在電網(wǎng)條件較好的區(qū)域，采用網(wǎng)電作為主動(dòng)力的鉆機(jī)得到了較好的應(yīng)用。柴油發(fā)電機(jī)組供電存在柴油耗量大，維護(hù)工作量大，故障率高[1]，同時(shí)也存在噪聲、廢氣排放等問(wèn)題；網(wǎng)電供電受地理位置受限大，要求鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)多種供電方式的切換，既可保證在電網(wǎng)不具備條件時(shí)，供電電源可以快速轉(zhuǎn)至柴油發(fā)電機(jī)組供電，又可減少柴油機(jī)發(fā)電低效率能量轉(zhuǎn)化，達(dá)到節(jié)能、減排和降噪的目的。

1 技術(shù)分析

1.1 總體方案及工作原理

ZJ20DB鉆機(jī)采用AC-DC-AC驅(qū)動(dòng)方式，由2臺(tái)800 kW的柴油發(fā)電機(jī)組和（或者）工業(yè)電網(wǎng)作為主動(dòng)力，發(fā)出400V、50 Hz的三相交流電，經(jīng)整流、逆變后轉(zhuǎn)化為頻率可調(diào)的交流電，分別驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵的交流變頻電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖

絞車由一臺(tái)功率為600 kW的交流變頻電動(dòng)機(jī)通過(guò)一根聯(lián)軸器與一臺(tái)一檔兩級(jí)齒輪減速箱減速后，通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)單滾筒。滾筒筒體帶有繩槽。主剎車采用液壓盤式剎車，二把常開(kāi)鉗，二把常閉鉗，輔助剎車采用電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)，如圖1（a）所示。

轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)裝置采用電動(dòng)機(jī)直驅(qū)的方式，主要由一臺(tái)功率為400 kW的交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)氣胎離合器、萬(wàn)向軸、連接法蘭將動(dòng)力傳遞至轉(zhuǎn)盤，如圖1（b）所示。

鉆井泵由1臺(tái)功率為600kW交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)軸端小皮帶輪通過(guò)窄V皮帶將動(dòng)力傳到泥漿泵小齒輪軸的大皮帶輪，從而驅(qū)動(dòng)鉆井泵運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖1（c）所示。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

圖2 鉆機(jī)主視及側(cè)視圖

ZJ20DB鉆機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，底座采用箱疊式結(jié)構(gòu)，井架采用直立起升套裝結(jié)構(gòu)，采用分段升舉的方式起升。絞車、鉆井泵、固控系統(tǒng)及灌注泵均采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸快速方便。井架及底座結(jié)構(gòu)件最大運(yùn)輸尺寸不超過(guò)12000 mm×2200 mm×3000 mm(長(zhǎng)×寬×高)，滿足山地運(yùn)輸要求。鉆機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

名義鉆深范圍（φ114 mm鉆桿）：1200～2000 m；最大鉤載：1350 kN；絞車額定功率：600 kW；大鉤提升速度：0～1.3 m/s；絞車檔數(shù)：1＋1R 無(wú)級(jí)變速；提升系統(tǒng)繩系：4×5(順穿)；鋼絲繩公稱直徑：φ29 mm；轉(zhuǎn)盤型號(hào)及通孔直徑：ZP205，520.7 mm(201/2 in)；轉(zhuǎn)盤檔數(shù)：1＋1R無(wú)級(jí)變速；井架型式及有效高度：Z型（套裝垂直（直立）起升），33 m；底座型式及鉆臺(tái)面高度：XD型（箱疊），4.5 m；動(dòng)力傳動(dòng)方式：AC-DC-AC,一對(duì)一控制；電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)及功率：1×400 kW，3×600 kW，1×22 kW。

2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 400V交流母線

常規(guī)鉆機(jī)一般采用輸出電壓為600V/50 Hz的柴油發(fā)電機(jī)組[2-3]，ZJ20DB1鉆機(jī)作業(yè)區(qū)域工業(yè)電網(wǎng)電制為400V/50 Hz，采用輸出電制為400V/50 Hz的柴油發(fā)電機(jī)組[4]，與工業(yè)電網(wǎng)電壓及頻率一致，網(wǎng)電和發(fā)電機(jī)組通過(guò)網(wǎng)電進(jìn)線柜和發(fā)電機(jī)進(jìn)線柜直接將400V/50 Hz交流電輸出到400 V交流母線上，經(jīng)整流輸出至直流母線，再由逆變器將直流母線上直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的0～400 V交流電，驅(qū)動(dòng)交流變頻電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，輔助供電直接由400 V交流母線提供，較常規(guī)鉆機(jī)的電驅(qū)動(dòng)方案減少了網(wǎng)電輸入端及MCC供電端的2臺(tái)大容量變壓器，提高了系統(tǒng)效率，降低了設(shè)備投入成本,電傳動(dòng)控制系統(tǒng)單線圖如圖3所示。

圖3 電傳動(dòng)控制系統(tǒng)單線圖

2.2 可斷開(kāi)交流母線

電控系統(tǒng)400V交流母線分兩部分，其中一部分由柴油發(fā)電機(jī)組供電，另一部分由工業(yè)電網(wǎng)端供電，這兩部分母線采用一臺(tái)大容量斷路器CB3（電源中間斷路器）連接，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和用戶需求，配合發(fā)電機(jī)組進(jìn)線柜斷路器CB1和網(wǎng)電進(jìn)線柜斷路器CB2，可實(shí)現(xiàn)三種供電方式的自由切換：1）全部采用柴油發(fā)電機(jī)組供電；2）全部采用工業(yè)電網(wǎng)供電；3）發(fā)電機(jī)組、工業(yè)電網(wǎng)同時(shí)供電。

發(fā)電機(jī)組進(jìn)線柜、網(wǎng)電進(jìn)線柜及電源中間斷路器設(shè)計(jì)有安全互鎖裝置。全部采用柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，斷路器CB2斷開(kāi)，CB1、CB3閉合，適用于沒(méi)有網(wǎng)電供應(yīng)的場(chǎng)合，但柴油機(jī)發(fā)電屬于低效率能量轉(zhuǎn)化，并存在廢氣和噪聲污染；全部采用網(wǎng)電供電時(shí)，斷路器CB1斷開(kāi)，CB2、CB3閉合，適用于具有網(wǎng)電供應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，既可節(jié)約燃油及維修成本，又降低鉆井區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，保護(hù)環(huán)境[5-6]；發(fā)電機(jī)組、網(wǎng)電同時(shí)供電時(shí)斷路器CB3斷開(kāi)，CB1、CB2閉合，適用于電網(wǎng)容量不足，可最大限度地應(yīng)用電網(wǎng)，同時(shí)減少柴油機(jī)發(fā)電低效率能量轉(zhuǎn)化，節(jié)能環(huán)保。

2.3 自升式（直立起升）套裝井架+箱疊式底座

垂直（直立）起升套裝井架一般應(yīng)用在海洋平臺(tái)上（是目前海洋鉆井工程中應(yīng)用較多的新型井架）[7-8]，因其采用液壓絞車垂直起升，與常用的K型井架相比，安裝占用面積小，減少了鉆機(jī)占地面積，起升平穩(wěn)；井架各節(jié)為整體結(jié)構(gòu)，連接銷數(shù)量少，從而減輕了井架安裝作業(yè)強(qiáng)度，節(jié)省了拆卸和安裝時(shí)間[9]。根據(jù)用戶的對(duì)井控裝置的安裝要求，采用4.5 m高箱疊式底座，不需起升。通過(guò)對(duì)各模塊的尺寸控制，ZJ20DB鉆機(jī)安裝運(yùn)輸簡(jiǎn)便，可以很好地滿足貴州地區(qū)山地環(huán)境工況要求[10]。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

截止2017年2月10日，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司已完成了場(chǎng)內(nèi)井架起升、下放試驗(yàn)、井架載荷（1350 kN）及底座載荷（1350 kN）試驗(yàn)及盤式剎車控制試驗(yàn)、應(yīng)急裝置試驗(yàn)和防碰功能試驗(yàn)等16項(xiàng)系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到試驗(yàn)要求；目前該鉆機(jī)在貴州現(xiàn)場(chǎng)工作性能良好，獲得用戶的肯定，也驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)方案的合理性和先進(jìn)性。

4 結(jié)論

通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，克服了以往產(chǎn)品的諸多缺點(diǎn)，極大地提高了各項(xiàng)性能：1）鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組、變頻系統(tǒng)及MCC系統(tǒng)電制均采為400V/50 Hz，可滿足網(wǎng)電及柴油發(fā)電機(jī)組靈活供電要求。2）套裝井架，液壓絞車直立起升，安裝占地面積小，滿足山地安裝場(chǎng)地緊張的要求。3）箱疊式底座，安裝方便，不需起升，同時(shí)滿足BOP安裝要求。4）鉆機(jī)采用寬頻、大功率交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),完全實(shí)現(xiàn)了絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵的全程無(wú)級(jí)調(diào)速控制。5）下一步還可以在直流母線上設(shè)置母聯(lián)開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步提升驅(qū)動(dòng)性能。

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