石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向分析

寇蓓 程立

（蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅蘭州 730314）

0 引言

隨著石油鉆采裝備的自動化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)多級傳動絞車因其結(jié)構(gòu)復雜、體積大、傳動效率低、維護成本高、本質(zhì)安全性差等因素，已逐漸無法滿足現(xiàn)有鉆機的配套要求。近年來，直驅(qū)技術(shù)在石油鉆采領(lǐng)域被快速推廣，其主要應用在絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、頂驅(qū)、自動化機具等設(shè)備上。

本文重點針對直驅(qū)技術(shù)在鉆井絞車領(lǐng)域的應用進行研究，并提出觀點。

1 石油鉆井對絞車的要求

石油鉆井絞車是一種多功能起重工作機，其工作性質(zhì)不同于一般起重設(shè)備。研究石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù)，需根據(jù)鉆井工況分析石油鉆井作業(yè)對絞車的要求。

（1）足夠的提升能力：在鉆井過程中，鉆井絞車實現(xiàn)鉆具的提升、下放，為了滿足最大鉤載的作業(yè)需求，應具備足夠的提升能力。

（2）較寬的調(diào)速范圍：根據(jù)鉆井作業(yè)工況，每下放一立根，需空鉤快速上行，再次抓取鉆具繼續(xù)下放；另外，為了提高作業(yè)效率，鉆井絞車需根據(jù)不同的載荷，具備較寬的調(diào)速范圍，而不失其提升能力。

（3）起升、下放井架底座：以絞車為動力源完成井架、底座的起升和下放工作。

（4）緊急事故處理能力：時刻具備活動鉆具、解卡、處理復雜井下事故的能力。

（5）超低頻精準控制自動送鉆：鉆進時，懸吊鉆具，并實現(xiàn)恒鉆壓或恒鉆速精準控制鉆進。

（6）下套管：完鉆后，需進行下套管作業(yè)，以便快速完成固井，提高完井質(zhì)量。

（7）應急預案：在作業(yè)安全方面，絞車一旦出現(xiàn)故障，整個作業(yè)過程基本中斷，甚至會發(fā)生重大安全事故，因此，絞車還必須具備較高的可靠性、靈敏的控制系統(tǒng)、安全的剎車系統(tǒng)。同時，在主電機、電控等出現(xiàn)故障的情況下，應具備應急提升、活動鉆具功能。

2 石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，直驅(qū)技術(shù)發(fā)展迅速，促進了石油鉆采裝備直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展。蘭石集團對絞車直驅(qū)技術(shù)研究應用較早，2005年，蘭石研制直升機吊裝鉆機初期，就率先研發(fā)直驅(qū)絞車，采用異步電機直接驅(qū)動滾筒軸，但因電機技術(shù)和控制技術(shù)限制，沒有實現(xiàn)工業(yè)化。隨后，研發(fā)者轉(zhuǎn)變思路研制半直驅(qū)絞車，在滾筒軸一端懸掛大齒輪，在異步電機軸頭懸掛小齒輪，采用一級減速裝置，去除齒輪傳動箱體。這種方案能簡化絞車傳動系統(tǒng)，消除電機技術(shù)限制，滿足送鉆控制精度要求，降低送鉆過程中的能量損耗，實現(xiàn)直升機吊裝要求。

寶雞石油機械廠在JC30～90絞車上廣泛應用直驅(qū)技術(shù)，均采用異步電機驅(qū)動，電機分別布置在滾筒軸一側(cè)或兩側(cè)，與滾筒體通過鼓形齒式聯(lián)軸器連接，如圖1所示，其技術(shù)特點：結(jié)構(gòu)簡單、拆裝工作量??；布局緊湊，整齊美觀；傳動效率高，維護保養(yǎng)少[1-2]。

宏華在JC40～70絞車上先后應用直驅(qū)技術(shù)，均采用單異步電機或雙異步電機直接驅(qū)動滾筒，無減速換擋機構(gòu)、無聯(lián)軸器，將電機定子直接和絞車墻板融合設(shè)計[3]，如圖2所示。與傳統(tǒng)絞車相比，其體積小40%，重量輕25%，保養(yǎng)工作量減少70%～80%。

3 永磁直驅(qū)絞車技術(shù)

目前，直驅(qū)絞車均采用異步電機，未采用永磁電機，原因在于石油鉆井對絞車的可靠性、安全性要求極高，同時，鉆井絞車需在不同工況分別具備較大加速度、較高運行速度、超低頻運行穩(wěn)定性、大負載持續(xù)提升性能。如圖3所示，因為材料的物理特性，隨著溫度的升高，永磁體磁性會快速下降，甚至會發(fā)生失磁。

另外，綜合考驗永磁電機的磁場、溫度場、流體場以及機械性能的輸出性，是一個多物理參量相互影響與多目標參數(shù)相互優(yōu)化的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 石油絞車永磁電機多物理參量相互影響關(guān)系

4 異步直驅(qū)絞車測試

在滿足設(shè)備性能的前提下，直驅(qū)的目的是減少傳動鏈，提高傳動效率，提高設(shè)備的經(jīng)濟性。下面對不同絞車進行效率測試（圖5、表1），得出如下結(jié)論：同負載下永磁直驅(qū)絞車效率最高，其次是異步半直驅(qū)絞車，最后是異步直驅(qū)絞車；同時，在負載降低時異步直驅(qū)絞車效率降低幅度較大，半直驅(qū)和永磁直驅(qū)絞車降低幅度較小，反映出在重載情況下異步直驅(qū)能耗較高，在高速輕負載下異步直驅(qū)能耗更高，在超低速送鉆狀態(tài)下長時間工作，異步直驅(qū)能耗較大。前文講到永磁直驅(qū)在石油鉆井絞車上沒有被應用，這里不再論述。

圖5 異步電機直驅(qū)滾筒效率測試

表1 直驅(qū)絞車與半直驅(qū)絞車效率測試

5 工業(yè)試驗驗證

筆者先后調(diào)研了不同工況、不同級別的19臺直驅(qū)絞車工業(yè)應用，其在綜合能耗、設(shè)備成本、控制成本、送鉆性能和維護成本方面相對半直驅(qū)絞車均有所增加，尤其是大級別直驅(qū)絞車，其綜合能耗增加較大，結(jié)果如表2所示。

表2 直驅(qū)絞車工業(yè)試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)工業(yè)應用驗證，對異步直驅(qū)絞車和傳統(tǒng)絞車進行技術(shù)經(jīng)濟指標分析，得出以下結(jié)論：

異步直驅(qū)絞車具有重量輕、體積小、維護成本低等優(yōu)點，但存在以下問題：（1）裝機功率大，電機能耗高；（2）變頻器配套功率加大，電控成本高；（3）主電機超低頻控制精度較低，導致自動送鉆穩(wěn)定性差，鉆壓波動較大；（4）工作噪聲大，由于發(fā)熱量較大，單臺絞車配4臺風機進行強制冷卻，絞車在部分轉(zhuǎn)速段存在嘯叫聲；（5）應急預案不足。

而半直驅(qū)絞車具有效率較高、重量較輕、體積小、維護成本較低、送鉆性能很穩(wěn)定、控制制造成本較低、能耗較低、擁有應急預案等優(yōu)點。

6 石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù)發(fā)展建議

雖然我國在石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù)領(lǐng)域已取得一定突破，但其經(jīng)濟指標暫時無法滿足市場要求，這是導致其推進緩慢的主要原因之一。

綜合需求與市場導向，筆者提出建議如下：（1）開發(fā)新型直驅(qū)電機，提高其安全性，降低裝機功率，降低輕載運行功率損耗；（2）改善性能，提高超低頻控制精度，降低長時間超低頻作業(yè)時的自身能量損耗；（3）優(yōu)化主體結(jié)構(gòu)，考慮采用水冷方式進行降溫[4]，降低工作噪聲；（4）提高基礎(chǔ)工業(yè)研發(fā)制造能力，推進半直驅(qū)絞車發(fā)展理念，促進石油裝備自動化、智能化技術(shù)發(fā)展。