JC90DB一體式鉆井絞車*

張虎山 春 晨 楊 峰 羅小強(qiáng) 陳思祥 張革民 索文濤

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司3.中國(guó)石油新疆油田公司新港公司)

0 引 言

近年來(lái)，中東地區(qū)的阿聯(lián)酋、科威特、阿曼和沙特等鉆井市場(chǎng)不僅對(duì)移運(yùn)鉆機(jī)的需求量加大，而且對(duì)鉆機(jī)的移運(yùn)性能要求也不斷提高，比如實(shí)現(xiàn)大模塊運(yùn)輸、鉆機(jī)直立移運(yùn)以及無(wú)吊車搬家等要求。為滿足鉆機(jī)24 h快速搬家的要求，2013年寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱寶石機(jī)械)為阿聯(lián)酋國(guó)家鉆井公司研制了7 000 m快速移運(yùn)拖掛鉆機(jī)，這套鉆機(jī)的成功研制打破了歐美等企業(yè)對(duì)中東和北非等高端石油市場(chǎng)的長(zhǎng)期壟斷[1-6]。但隨著國(guó)內(nèi)外油氣勘探開(kāi)發(fā)不斷向縱深發(fā)展，高移運(yùn)性深井和超深井鉆機(jī)的研制已被提上日程。2019年1月，寶石機(jī)械針對(duì)科威特用戶9 000 m快速移運(yùn)鉆機(jī)的特殊需求，進(jìn)行了高移運(yùn)性大功率9 000 m超深井鉆機(jī)配套絞車的研制。

常規(guī)9 000 m超深井鉆機(jī)絞車體積大、質(zhì)量大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，絞車安裝在鉆機(jī)底座后臺(tái)，無(wú)法滿足鉆機(jī)快速移運(yùn)的要求[7]。鉆機(jī)須進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),絞車安裝在鉆臺(tái)面上，隨底座整體移運(yùn)[8]。因此開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕及功率大的絞車，可用于9 000 m快速移運(yùn)鉆機(jī)，且能夠滿足最大鉆柱重力載荷3 650 kN和最大鉤載6 750 kN的使用要求。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

絞車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。滾筒體左側(cè)采用兩個(gè)方鍵與滾筒軸連接，滾筒軸通過(guò)軸承座式支架固定，比墻板式絞車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕。該絞車配雙剎車盤，6套工作鉗和4套安全鉗布置在滾筒后側(cè)[9]，鋼絲繩出繩點(diǎn)在滾筒前側(cè)，剎車鉗不用避讓鋼絲繩，剎車盤設(shè)計(jì)成不帶軸肩的結(jié)構(gòu)，滾筒軸總成結(jié)構(gòu)更加緊湊；滾筒右側(cè)布置減速箱，減速箱采用“凹”形結(jié)構(gòu)，減速箱的輸出軸和輸入軸都采用花鍵連接形式，分別通過(guò)聯(lián)軸器與滾筒軸、1 100 kW交流變頻電機(jī)連接；滾筒軸左側(cè)安裝有水葫蘆和儀表裝置，分別用于冷卻進(jìn)、回水和安裝編碼器；2套45 kW自動(dòng)送鉆裝置分別安裝在減速箱送鉆軸上；為了考慮絞車的重心位置，絞車的左側(cè)布置了潤(rùn)滑裝置和冷卻器，并在下方設(shè)有油箱；盤剎控制和防碰控制等集中布置在絞車后側(cè)，而換擋控制集成設(shè)計(jì)在減速箱上，減少了管線在底座的布置數(shù)量；絞車4處設(shè)有吊耳，采用一撬式吊裝。

1—主電機(jī)A；2—減速箱；3—送鉆電機(jī)A；4—軸承座總成；5—滾筒軸；6—滾筒體；7—護(hù)罩；8—潤(rùn)滑裝置；9—液壓盤式剎車；10—閥島箱A；11—聯(lián)軸器A；12—送鉆電機(jī)B；13—閥島箱B；14—主電機(jī)B；；15—水葫蘆；16—過(guò)圈閥；17—支架；18—送鉆換擋；19—聯(lián)軸器B；20—減速箱換擋；21—吊耳；22—連接螺栓；23—定位塊；24—儀表裝置。圖1 絞車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Drawworks structure

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

絞車額定輸入功率：2 200 kW；

最大快繩拉力：639 kN；

適用鋼絲繩直徑：45 mm；

開(kāi)槽滾筒尺寸：?915 mm×1 835.1 mm；

剎車盤尺寸：?2 000 mm×75 mm；

鉤速(14繩數(shù))：0～1.73 m/s；

滾筒轉(zhuǎn)速：0～412 r/min；

外形尺寸：7 825 mm×3 265 mm×3 265 mm；

質(zhì)量：54 000 kg。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 滾筒纏繩量的確定

絞車滾筒纏繩量應(yīng)充分考慮絞車在各種工況下的使用，包括鉆機(jī)的起升、頂驅(qū)起下鉆、頂驅(qū)鉆井、水龍頭鉆井及游車大鉤起下鉆等工況，按照每種工況下所需最大纏繩量來(lái)設(shè)計(jì)。9 000 m鉆機(jī)采用?45-6×21S-IWRC-EIP型鉆井鋼絲繩，直徑為45 mm。游吊對(duì)應(yīng)滾筒纏繩量如圖2所示。圖2中A、B、C分別為游吊下止點(diǎn)在鉆臺(tái)時(shí)的高度、起下鉆時(shí)游吊上止點(diǎn)高度及井架預(yù)留的安全高度，m；D0、D1、D4分別為滾筒原始直徑、第1層纏繩直徑及第4層纏繩直徑，mm；L1、L分別為滾筒開(kāi)襠尺寸、滾筒開(kāi)襠尺寸(帶側(cè)板)，mm；鉆桿操作高度為1 219 mm；操作空間距離為305 mm。在頂驅(qū)鉆井和頂驅(qū)起下鉆工況下滾筒纏繩量最大，按照YC675游車配套DQ90頂驅(qū)計(jì)算得游吊系統(tǒng)所需行程S=B-A=30.6 m，其中A=9.5 m，B=39.8 m。所需滾筒鋼絲繩長(zhǎng)度W=πnDn+Sz=470.6 m，其中n為滾筒預(yù)留的繩數(shù)量，取值為14，z為鉆井繩數(shù)，取值為14，Dn為滾筒直徑與纏繩直徑之和。在此工況下滾筒纏繩量為第1～3層纏滿，第4層纏21圈，還有19圈的儲(chǔ)備纏繩量。因此絞車強(qiáng)度按照4層纏繩來(lái)計(jì)算，以滿足各種工況的使用要求。

此外，絞車滾筒采用兩瓣式帶側(cè)板結(jié)構(gòu)，在使用?42 mm鉆井鋼絲繩時(shí)只需更換滾筒體的槽體和側(cè)板即可，增強(qiáng)了絞車的通用性。

圖2 游吊對(duì)應(yīng)滾筒纏繩量Fig.2 Line winding amount of drum corresponded by travelling crane

2.2 提升性能

鉆機(jī)按照?114 mm鉆柱標(biāo)定載荷[10]，但通常9 000 m鉆機(jī)的最大鉆柱重力載荷按照?127 mm鉆桿和36 kg/m鉆桿的鉆桿重力計(jì)算，即為3 250 kN。根據(jù)科威特用戶作業(yè)需要，此絞車要能滿足最大鉆柱重力載荷為3 650 kN，整體設(shè)計(jì)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。絞車的設(shè)計(jì)充分考慮了不同工況的使用要求，按14繩數(shù)下的承載能力進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 絞車的提升性能(14繩數(shù))Table 1 Lifting performance of drawworks (14 lines)

2.3 一體式減速箱的設(shè)計(jì)

雙送鉆一體式減速箱由1個(gè)主減速箱、2個(gè)送鉆減速箱和2個(gè)45 kW防爆交流變頻電動(dòng)機(jī)組成。一體式減速箱外形圖如圖3所示。主減速箱采用兩級(jí)傳動(dòng)合流對(duì)稱傳動(dòng)輸出方式，設(shè)高、低速2個(gè)擋位[11-13]。雙自動(dòng)送鉆裝置由減速箱、送鉆減速箱和電機(jī)組成，減速箱與電機(jī)軸頭采用插入式安裝。減速箱輸出軸通過(guò)一級(jí)齒輪外掛齒輪箱將動(dòng)力傳到主減速箱送鉆輸入軸，輸入軸通過(guò)一級(jí)齒輪傳動(dòng)與主減速箱低速齒輪嚙合，送鉆減速箱與主減速箱為剛性連接。送鉆輸入軸上設(shè)有齒式掛合機(jī)構(gòu)。輸入軸對(duì)稱布置在主減速箱中間軸上方，雙送鉆電機(jī)、減速箱及送鉆減速箱對(duì)稱布置在中間軸兩側(cè)。送鉆電機(jī)輸入與主電機(jī)相反。主減速箱采用強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑形式，送鉆外掛減速箱采用飛濺潤(rùn)滑。主減速箱換擋采用氣缸換擋方式，擋位設(shè)有高速擋、低速擋和空擋3個(gè)擋位，當(dāng)掛合高速擋和低速擋的任一擋位時(shí)都有相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量電信號(hào)輸出。送鉆輸入軸掛合脫開(kāi)后也采用氣缸換擋方式，擋位設(shè)有掛合擋和空擋2個(gè)擋位，當(dāng)在掛合擋和空擋的任一擋位時(shí)都具有相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量電信號(hào)輸出。

減速箱采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)有輸入軸、傳動(dòng)軸、送鉆軸及輸出軸，其中送鉆減速箱懸掛在送鉆軸上，兩個(gè)減速箱間用連接板連接。在載荷不大的情況下，允許單電機(jī)輸入，此時(shí)可通過(guò)絞車換擋單邊采用空擋來(lái)防止反拖另一臺(tái)電機(jī)。同理，自動(dòng)送鉆裝置也可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)輸入。根據(jù)載荷情況，調(diào)整輸入功率，降低了能耗。常規(guī)減速箱的輸入軸、輸出軸采用平鍵的方式與聯(lián)軸器連接，該減速箱輸入軸與輸出軸均采用花鍵形式，壓縮了絞車的整體長(zhǎng)度。

圖3 一體式減速箱Fig.3 Integrated gearbox

2.4 輕量化設(shè)計(jì)

常規(guī)JC90DB交流變頻絞車底座高度為700 mm，采用4根主梁，分為3個(gè)模塊。通過(guò)方案優(yōu)化，一體式絞車底座僅為1個(gè)模塊，高度為450 mm，采用3根主梁，質(zhì)量減輕了11 300 kg。

采用模塊集成設(shè)計(jì)思路，絞車的盤剎控制與過(guò)圈閥防碰控制采用一個(gè)閥島控制箱，減速箱換擋、送鉆換擋離合采用一個(gè)閥島控制箱，并采用以太網(wǎng)控制技術(shù)。常規(guī)9 000 m交流變頻絞車配置雙減速箱和雙自動(dòng)送鉆，絞車整體質(zhì)量大、體積大[14]。本設(shè)計(jì)首次在9 000 m大功率絞車上配置單減速箱，并將雙送鉆集成在減速箱上，大大減輕了絞車的整體質(zhì)量，縮小了絞車的占位空間[15]。

2.5 電氣控制技術(shù)

氣控系統(tǒng)是絞車控制的重要組成部分，主要包括自動(dòng)送鉆控制﹑過(guò)圈防碰控制和減速箱換擋控制3部分。絞車的氣源由鉆機(jī)空氣處理裝置經(jīng)凈化干燥處理后提供，壓力為0.7～0.9 MPa。絞車氣動(dòng)控制包括2個(gè)閥島箱，其中1個(gè)安裝在減速箱上，另1個(gè)安裝在滾筒后方。減速箱上的閥島箱用以控制自動(dòng)送鉆掛合和脫開(kāi)及減速箱的換擋，滾筒后方的閥島箱主要用以控制過(guò)圈防碰和盤剎。兩個(gè)閥島箱的控制信號(hào)均來(lái)自司鉆房，操作面板或者觸摸屏的控制信號(hào)經(jīng)PLC邏輯運(yùn)算后輸出到閥島內(nèi)相應(yīng)的電磁閥，通過(guò)電磁閥控制各執(zhí)行組件充氣與放氣。采用數(shù)字以太網(wǎng)傳輸技術(shù)，I/O模塊集成在閥島箱內(nèi)，常規(guī)多芯電纜直徑為30 mm，而數(shù)字傳輸電纜直徑僅為8 mm。

2.6 剎車?yán)鋮s裝置

為滿足科威特沙漠地區(qū)最高環(huán)境溫度達(dá)55 ℃的作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了強(qiáng)制冷裝置，用于剎車盤的冷卻。盤剎冷卻原理如圖4所示。冷卻裝置由離心泵、冷卻器、壓力表、液位計(jì)、液位傳感器、溫度傳感器、流量傳感器及壓力傳感器組成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控冷卻裝置的運(yùn)行狀態(tài)。2臺(tái)離心泵供液，1用1備。為滿足正常的循環(huán)使用要求，水箱容量為1 500 L。司鉆通過(guò)司鉆控制房?jī)?nèi)的顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)控泵出口壓力、回水溫度、水箱液位及回水流量，當(dāng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，回水溫度或泵出口壓力超出了設(shè)定值時(shí)，開(kāi)始報(bào)警，保證設(shè)備的正常運(yùn)行?；厮疁囟鹊膱?bào)警值可參考操作的環(huán)境溫度和冷卻劑的沸點(diǎn)值進(jìn)行設(shè)定，出口壓力的報(bào)警值為220 kPa。該冷卻裝置有效保證了絞車在高溫環(huán)境下的正常運(yùn)行。

1—滾筒軸總成；2—溫度傳感器；3—注水口；4—流量計(jì)；5—冷卻器；6—水箱；7—顯示器；8—電控柜；9—液位傳感器；10—1#離心泵；11—蝶閥；12—2#離心泵；13—壓力傳感器；14—壓力表。圖4 盤剎冷卻原理圖Fig.4 Cooling principle of disc brake

3 關(guān)鍵承載件受力分析

3.1 滾筒軸

3.1.1 載荷分析

滾筒軸在絞車工作過(guò)程中受到滾筒軸外繩拉力、軸上安裝件的重力及軸承支反力作用，由于絞車提升最大鉤載時(shí)，滾筒軸受載最大，同時(shí)由于快繩拉力在滾筒左、右側(cè)的作用不同，所以將快繩拉力分在滾筒左、右側(cè)兩種情況對(duì)滾筒軸進(jìn)行有限元分析。提升最大鉤載時(shí)滾筒軸所承受的快繩拉力Pmax=639 kN，快繩拉力方向與豎直面的夾角為θ，取值為5°。提升最大鉤載時(shí)滾筒軸受力分解如圖5所示。從圖5可知，該拉力沿水平方向分力為PmaxX=Pmaxsinθ=55.7 kN，沿豎直方向分力PmaxY=Pmaxcosθ=636.6 kN。滾筒軸質(zhì)量(包含滾筒軸、筒體、槽體和剎車盤等)約為11 000 kg 。

3.1.2 約束和載荷

在提升最大鉤載工況下(分快繩在滾筒左側(cè)和在滾筒右側(cè)兩種情況進(jìn)行計(jì)算)分別加載快繩拉力和滾筒軸重力。其中快繩拉力采用遠(yuǎn)端力加載，電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)鍵和聯(lián)軸器傳遞，即經(jīng)軸的鍵面使?jié)L筒軸承受扭矩。確保滾筒軸的受載情況與實(shí)際工作時(shí)最大程度地相符。

圖5 滾筒軸受力分解圖Fig.5 Force on drum shaft

3.1.3 結(jié)果分析

圖6 滾筒軸受力分析云圖Fig.6 Force analysis cloud chart of drum shaft

3.2 底座

3.2.1 載荷分析

絞車底座吊裝時(shí)受載情況最為惡劣。底座吊裝時(shí)主要承受安裝在其上的盤剎、減速箱、電機(jī)、滾筒軸總成及自動(dòng)送鉆裝置等的重力作用。

3.2.2 約束和載荷

根據(jù)絞車底座的結(jié)構(gòu)尺寸，放開(kāi)底座一端吊耳切向和軸向自由度，并放開(kāi)另一端吊耳的旋轉(zhuǎn)和水平方向平移自由度，約束其他方向的自由度，將各主要承載件質(zhì)量換算成力加載在對(duì)應(yīng)的底座面上。

3.2.3 結(jié)果分析

對(duì)處理完成的模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到絞車底座的應(yīng)力和位移云圖，如圖7所示。從圖7a可以看出，最大應(yīng)力值為111.64 MPa。

圖7 底座受力分析云圖Fig.7 Force analysis cloud chart of base

4 試驗(yàn)情況及對(duì)比分析

絞車廠內(nèi)試驗(yàn)包括整車3 h的空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、剎車盤的磨合、邏輯功能測(cè)試、換擋試驗(yàn)、30 min自動(dòng)送鉆空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、防碰功能測(cè)試、排繩試驗(yàn)[18]，以及鉆機(jī)的起升、下放試驗(yàn)和鉆機(jī)的聯(lián)合調(diào)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，絞車軸承最大溫升為30℃，噪聲最大為82 dB(A)，邏輯功能正常，無(wú)漏油現(xiàn)象，滿足HSE要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

2019年10月絞車隨鉆機(jī)出廠，應(yīng)用于科威特9 000 m拖掛鉆機(jī)項(xiàng)目中，在中東沙漠地區(qū)環(huán)境溫度55 ℃、濕度100%的環(huán)境下使用。2020年7月鉆機(jī)成功在油田現(xiàn)場(chǎng)完成起升。

常規(guī)9 000 m鉆機(jī)用分體式絞車因?yàn)橘|(zhì)量大、尺寸大，不能布置在鉆臺(tái)高位。一體式絞車上采用單減速箱設(shè)計(jì)，2套自動(dòng)送鉆裝置集成在主減速箱上；采用以太網(wǎng)通信技術(shù)、盤剎控制與減速箱控制且分模塊控制，減少了絞車底座上76%管線與電纜數(shù)量；減速箱輸入軸和輸出軸采用花鍵連接方式，縮短了絞車底座長(zhǎng)度(7 750 mm)；通過(guò)集成設(shè)計(jì)，與常規(guī)絞車相比，整體減重35%，實(shí)現(xiàn)了一撬吊裝運(yùn)輸。絞車在加工制造工藝、輕量化設(shè)計(jì)和提升性能等方面得到了很大的提升。兩種交流變頻絞車性能對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 兩種交流變頻絞車的性能對(duì)比Table 2 Performance comparison of two AC variable frequency drawworks

5 結(jié) 論

(1)JC90DB一體式鉆井絞車結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、質(zhì)量輕，適用于鉆臺(tái)高位布置，為9 000 m超深井拖掛鉆機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了超深井大功率絞車的一撬式吊裝，安裝方便。自動(dòng)送鉆提升載荷大，滿足中東地區(qū)用戶的使用需求。

(2)集成一體式減速箱的設(shè)計(jì)和電氣控制技術(shù)的應(yīng)用，大大減少了底座管線布置數(shù)量，維護(hù)保養(yǎng)更為方便。通過(guò)更換側(cè)板和槽體可適用直徑為45和42 mm兩種規(guī)格的鉆井鋼絲繩，增強(qiáng)了滾筒體的通用性。

(3)JC90DB一體式鉆井絞車廠內(nèi)以及油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了絞車設(shè)計(jì)的合理性。該絞車可推廣應(yīng)用于常規(guī)鉆機(jī)、拖掛鉆機(jī)及海洋鉆機(jī)，能適應(yīng)海洋、沙漠及寒冷等環(huán)境下的施工作業(yè)。