齒輪齒條鉆機用DQ250Y型液壓頂驅(qū)研制

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(四川宏華石油設(shè)備有限公司，成都 610036)

頂部驅(qū)動鉆井裝置(簡稱頂驅(qū))顯著提高了鉆井作業(yè)的能力和效率，被譽為近代鉆井裝備三大技術(shù)成果之一[1]。根據(jù)頂驅(qū)主軸驅(qū)動方式不同，將頂驅(qū)分為液壓驅(qū)動頂驅(qū)和電動機驅(qū)動頂驅(qū)。液壓頂驅(qū)的馬達外形尺寸較小、質(zhì)量輕，能夠滿足輕便型鉆機的需求[2-4]。

齒輪齒條鉆機是應(yīng)用齒輪齒條技術(shù)帶動頂驅(qū)直接起、下鉆具，完成鉆井作業(yè)的鉆井裝置。齒輪齒條嚙合產(chǎn)生的推、拉力可為鉆頭提供鉆壓[5-6]，實現(xiàn)修井、鉆井和強行下管柱作業(yè)的快速轉(zhuǎn)化，較好地解決了水平井和大位移井技術(shù)開發(fā)淺層油氣藏的鉆壓問題[7]。目前，國外主要有3家公司研發(fā)了齒輪齒條鉆機，包括挪威的TTS Sense公司、德國的Max Streicher公司和美國奧格(American Augers)公司。這3家公司研發(fā)的齒輪齒條鉆機都采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，移運快捷方便且噪聲?。欢寂溆凶詣踊闲犊酆凸茏犹幚硌b置，自動化程度高，安全可靠[8]。我國在相關(guān)特種鉆機及其配套頂驅(qū)等設(shè)備研發(fā)方面投入較少，所使用的鉆機及設(shè)備主要依賴進口，在該領(lǐng)域還沒有相對成熟、可靠的技術(shù)產(chǎn)品[9]。根據(jù)市場需求，四川宏華石油設(shè)備有限公司(以下簡稱宏華)自主設(shè)計研發(fā)了ZJ40YCT型齒輪齒條鉆機。為該鉆機研制的DQ250Y型液壓頂驅(qū)借鑒宏華的電動直驅(qū)頂驅(qū)的成功經(jīng)驗[10]，使用空心軸馬達直接驅(qū)動主軸，進行鉆井作業(yè)。配合提推系統(tǒng)，不僅能夠滿足常規(guī)頂驅(qū)“提”著鉆的需要，而且滿足齒輪齒條鉆機“推”著鉆、主動施加鉆壓的需求。經(jīng)過測試，整機各項性能指標(biāo)均滿足使用要求。該產(chǎn)品的成功研制為特種作業(yè)鉆機提供適配的頂驅(qū)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 ZJ40YCT型齒輪齒條鉆機結(jié)構(gòu)

鉆機由井架、提推系統(tǒng)、DQ250Y液壓頂驅(qū)、齒條及底座組成，如圖1a。齒條分布在井架左、右內(nèi)側(cè)。液壓頂驅(qū)與提推系統(tǒng)由銷軸連接。以單側(cè)結(jié)構(gòu)為例，井架內(nèi)裝配2組齒條，其內(nèi)間距為K。提推系統(tǒng)單側(cè)由4個液壓馬達驅(qū)動齒輪，通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動提推系統(tǒng)上提、下放，完成鉆井作業(yè)，如圖1b。齒條同時作為頂驅(qū)導(dǎo)軌，承受鉆井作業(yè)過程中產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩。

1—井架；2—提推系統(tǒng)；3—DQ250Y型液壓頂驅(qū)；4—齒條；5—底座。

1.2 DQ250Y型液壓頂驅(qū)結(jié)構(gòu)

DQ250Y型液壓頂驅(qū)主要由提環(huán)、動力系統(tǒng)、滑車、吊環(huán)傾斜裝置、沖管總成、S型管總成、盤剎裝置、自動IBOP、背鉗等組成，如圖2所示。

1—平衡系統(tǒng)；2—提環(huán)；3—液壓系統(tǒng)；4—動力傳動系統(tǒng)；5—左滑車；6—吊環(huán)傾斜機構(gòu)；7—沖管總成；8—右滑車；9—S管總成；10—盤剎裝置；11—自動內(nèi)防噴器；12—緩沖接頭；13—保護接頭；14—背鉗。

DQ250Y型頂驅(qū)的液壓馬達為低速大轉(zhuǎn)矩空心軸馬達，與主軸通過花鍵連接。液壓馬達殼體固定連接在提升箱體上，馬達產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩由提升箱體、滑車傳遞至齒條，最終由井架承受。主軸下方裝配有剎車盤，當(dāng)主軸需要制動時，通過剎車鉗夾緊剎車盤，提供制動力。提升箱體內(nèi)部安裝有主推力軸承以及防跳軸承，主推力軸承用于承受鉆柱軸向載荷。防跳軸承配合主軸下方緩沖接頭，在主動施加鉆壓過程中承受沿鉆柱方向的下壓力，并吸收軸向沖擊振動。頂驅(qū)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 DQ250Y型液壓頂驅(qū)技術(shù)參數(shù)

驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動

名義鉆井深度 4 000 m

最大載荷 2 250 kN

額定轉(zhuǎn)速 0～180 r/min

1—主軸；2—液壓馬達；3—提升箱體；4—防跳軸承；5—主推力軸承；6—剎車鉗；7—剎車盤。

主軸輸出功率 283 kW

連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩 30 000 N·m

最大卸扣轉(zhuǎn)矩 45 000 N·m

最大下壓力 360 kN

主馬達額定工作壓力 35 MPa

主馬達額定流量 800 L/min

管子處理系統(tǒng)額定工作壓力 16 MPa

管子處理系統(tǒng)額定流量 35 L/min

1.4 液壓傳動與控制系統(tǒng)

DQ250Y型頂驅(qū)的液壓傳動與控制系統(tǒng)由主馬達液壓控制系統(tǒng)與管子處理機液壓控制系統(tǒng)組成。主馬達液壓控制采用閉式系統(tǒng)，主要功能包含馬達排量控制、轉(zhuǎn)矩控制、反轉(zhuǎn)矩釋放、馬達沖洗等。管子處理機液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，主要包含平衡系統(tǒng)、盤剎裝置、吊環(huán)傾斜裝置、背鉗、自動IBOP等控制。

頂驅(qū)主馬達轉(zhuǎn)速為兩擋控制：全排量(低速擋)及半排量(高速擋)。全排量時主軸最高轉(zhuǎn)速為90 r/min，連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩30 000 N·m，最大卸扣轉(zhuǎn)矩45 000 N·m；半排量時最高轉(zhuǎn)速180 r/min，連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩20 000 N·m。頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制均為閉環(huán)控制，分別通過采集主軸轉(zhuǎn)速、馬達進出口壓差，反饋控制主泵排量，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制。頂驅(qū)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩工作曲線如圖4所示。

圖4 DQ250Y型液壓頂驅(qū)工作曲線(283 kW恒功率控制)

2 關(guān)鍵技術(shù)和主要特點

1) DQ250Y型液壓頂驅(qū)由內(nèi)曲線低速大轉(zhuǎn)矩空心軸馬達直接驅(qū)動主軸，液壓馬達與主軸采用花鍵連接并傳遞轉(zhuǎn)矩，無齒輪減速箱及其配套的稀油潤滑、冷卻系統(tǒng)。整機軸承采用脂潤滑，維護簡便。箱體外部安裝有潤滑脂加注口，可通過箱體本體上物理觀察窗監(jiān)測主軸承潤滑脂運行狀態(tài)，同時配置了主軸承溫度傳感器，實時監(jiān)測軸承溫度。

2) 4組齒條安裝在井架內(nèi)側(cè)。頂驅(qū)隨提推系統(tǒng)上、下運行過程中，滑車的承載輪及導(dǎo)向輪在齒條內(nèi)側(cè)運行(如圖5所示)，齒條即承受提推系統(tǒng)上下運行時馬達的反力，同時作為頂驅(qū)導(dǎo)軌在工作過程中對頂驅(qū)起到運行導(dǎo)向作用，并承受鉆井、上卸扣過程中頂驅(qū)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩。頂驅(qū)中心與井眼中心重合，鉆井作業(yè)過程中井架不承受因頂驅(qū)偏心而產(chǎn)生的額外彎矩。

1—左齒條；2—井架；3—左滑車；4—DQ250Y液壓頂驅(qū)；5—右滑車；6—右齒條。

3) 根據(jù)齒輪齒條鉆機工況要求，頂驅(qū)能夠滿足提推系統(tǒng)施加下壓力的需求。在頂驅(qū)自動IBOP與保護接頭之間增加緩沖接頭，并配置防跳軸承，滿足下壓力要求。

4) 提升箱體下方安裝有液壓盤剎裝置。剎車盤與主軸相連，液壓剎車鉗對稱分布在提升箱體前、后側(cè)。當(dāng)需要主軸制動時，剎車鉗活塞帶動剎車片夾緊剎車盤實現(xiàn)制動。同時液壓盤剎裝置可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)矩釋放功能。

5) 頂驅(qū)與提推系統(tǒng)之間的連接銷軸為傳感器銷軸(圖6所示)，在鉆井過程中由銷軸承受頂驅(qū)及井底鉆具重力，同時銷軸內(nèi)置傳感器用于監(jiān)測頂驅(qū)懸重。

1—提推系統(tǒng)；2—平衡油缸；3—提推系統(tǒng)雙耳板；4—頂驅(qū)提環(huán)； 5—銷軸傳感器。

6) 液壓控制系統(tǒng)集成與頂驅(qū)本體，主馬達控制系統(tǒng)配置了一鍵反轉(zhuǎn)矩釋放、馬達高低速切換、主馬達保護等功能。同時配置狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測馬達運行狀態(tài)、主軸承溫度等關(guān)鍵參數(shù)，確保設(shè)備運行可靠。

7) 液壓頂驅(qū)本體增加“空盤馬達”功能。維修狀態(tài)時，將液壓馬達進回油路溝通，可不拆卸液壓管路實現(xiàn)頂驅(qū)主軸處于自由狀態(tài)，通過鏈鉗等裝置即可盤動主軸，無須額外動力源。

8) 頂驅(qū)背鉗使用開口式背鉗。更換鉗牙、牙板等將背鉗鉗口體旋開直接進行操作，維護便利。

3 試驗情況

DQ250Y型液壓頂驅(qū)總裝結(jié)束后，先后進行了負(fù)載試驗、重要部位應(yīng)力測試、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等多項測試，測試結(jié)果滿足設(shè)計要求。

1) 結(jié)構(gòu)件應(yīng)力測試均符合要求，無超標(biāo)項次。

2) 轉(zhuǎn)速測試。全排量實際最高轉(zhuǎn)速92 r/min，半排量最高轉(zhuǎn)速180 r/min，滿足設(shè)計要求。液壓馬達柱塞進行特殊涂層處理后現(xiàn)場最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測試為2 r/min，液壓馬達無打滑、爬行。

3) 轉(zhuǎn)矩測試。頂驅(qū)進行堵轉(zhuǎn)試驗，全排量達到45 000 N·m時馬達壓差33.1 MPa；全排量主軸轉(zhuǎn)矩30 000 N·m時馬達壓差22 MPa；半排量主軸轉(zhuǎn)矩20 000 N·m時馬達壓差30 MPa。頂驅(qū)主軸空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩約280 N·m，啟動轉(zhuǎn)矩約600 N·m。

4) 轉(zhuǎn)矩限制測試。轉(zhuǎn)矩限制主要用于在鉆井、上扣工況下限制主軸轉(zhuǎn)矩，防止因轉(zhuǎn)矩過大造成卸扣失敗等故障。DQ250Y型液壓頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩限制為遠(yuǎn)程控制，通過監(jiān)控馬達進出口壓差，閉環(huán)控制比例溢流閥，進而控制主泵排量變化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩限制功能。轉(zhuǎn)矩限制測試結(jié)果如圖7所示，根據(jù)測試結(jié)果，轉(zhuǎn)矩限制可控制在設(shè)定值的±5%以內(nèi)，實現(xiàn)精確轉(zhuǎn)矩控制。

圖7 頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩限制測試曲線

5) 上、卸扣轉(zhuǎn)矩測試：使用背鉗進行上卸扣操作，上扣轉(zhuǎn)矩設(shè)定30 000 N·m，實際上扣轉(zhuǎn)矩為30 500 N·m；使用背鉗夾緊卸扣，轉(zhuǎn)矩上升至41 000 N·m時卸扣成功，頂驅(qū)背鉗無打滑、鉗牙牙板無崩牙狀態(tài)。

6) 銷軸傳感器通過加載試驗測試，懸重值通過兩個銷軸傳感器疊加計算，最終實際測量精度在1%以內(nèi)。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種適配于齒輪齒條鉆機的DQ250Y型液壓頂驅(qū)。產(chǎn)品總裝測試完成后，先后進行了負(fù)載試驗、重要部位應(yīng)力測試、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等多向測試，試驗結(jié)果均符合設(shè)計要求，滿足使用條件。

2) 在齒輪齒條鉆機等類似的液壓鉆機上，液壓頂驅(qū)更適合工況需求，能夠得到更寬的轉(zhuǎn)矩范圍，其最大卸扣轉(zhuǎn)矩(45 000 N·m)亦可在井底出現(xiàn)復(fù)雜工況、需要大轉(zhuǎn)矩時使用。電動頂驅(qū)通常依靠電機短時過載來達到最大卸扣轉(zhuǎn)矩，過載時間一般不超過30 s。

3) 采用銷軸傳感器后，可精準(zhǔn)測量頂驅(qū)懸重值。較之原有的使用提推系統(tǒng)壓力值等效換算懸重值更加準(zhǔn)確，且避免了因提推系統(tǒng)馬達駐車時懸重回零的問題。

4) 全液壓頂驅(qū)，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進行閉環(huán)PID控制，通過對放大器參數(shù)調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)各項參數(shù)精確控制。