复合驱动钻机在长庆油田的配套应用

王瑞成，秦建忠，王汝华，张卫东，王 宇，王 昕

（1.川庆钻探长庆钻井总公司，西安710018；2.咸阳市特种设备检验所，陕西咸阳712021；3.渭南市特种设备检验所，陕西渭南714000） ＊

复合驱动钻机在长庆油田的配套应用

王瑞成1，秦建忠1，王汝华1，张卫东1，王 宇2，王 昕3

（1.川庆钻探长庆钻井总公司，西安710018；2.咸阳市特种设备检验所，陕西咸阳712021；3.渭南市特种设备检验所，陕西渭南714000）＊

介绍了已在长庆油田成熟配套应用的几种复合驱动钻机，这些钻机兼有传统机械驱动钻机与电驱动钻机的互补优点，适用于长庆油田施工区域。针对这些钻机在技术方案、现场配套应用与改进完善等方面进行了论述。

钻机；复合驱动；技术方案；配套应用

长庆油田的“三低”特点及深度开发，对钻井施工提出了低成本开发与新技术应用提速的双重要求。为适应市场要求，宝鸡石油机械有限责任公司（以下简称宝石）自2004年起，与原长庆石油勘探局针对长庆油田施工特点共同制定方案，设计研制了复合驱动钻机。该钻机既能满足当前的钻井施工工艺技术参数要求，又具有成套投资成本低的相对优势，适合长庆油气田的低成本高技术开发战略需求。长庆钻井总公司自2004年以来陆续配套了60余部ZJ30LDB型、ZJ40LDB型、ZJ50LDB型等复合驱动钻机，这些钻机既保留了传统机械驱动钻机的优点，又针对新的钻井工艺技术要求对转盘采用了变频电驱独立驱动，同时增加了绞车独立自动送钻装置，并在并车传动设计中配置了节能发电机，其应用效果已受到长庆钻井总公司的广泛认可。

1 技术方案

目前，由宝石生产的复合驱动钻机已在长庆油田成熟应用的有ZJ30／1700LDB型、ZJ40／2250LDB型、ZJ50／3150LDB型3种钻机，其总体技术方案是：前后台驱动动力互相独立，转盘采用交流变频电机经减速箱独立驱动，绞车、泥浆泵、节能发电机采用柴油机经液力偶合正车箱传动至并车传动箱后机械组合驱动［1－5］。绞车均采用低位安装、盘式刹车，高低速离合器与机械换挡组合为内变速4个挡位，钻机底座根据防喷器组合高度要求采用箱块式或旋升式。

1.1 ZJ30LDB型钻机［6］

该型钻机由2台G12V190PZL－3型柴油机作为主动力，经YOZJ700／750型液力偶合正车传动箱传递给并车传动箱后并车，分别驱动绞车和泥浆泵，并在并车传动箱后端带1台400kW节能发电机。绞车配备有独立电机自动送钻装置，该装置由1台22kW交流变频电机经大速比齿轮减速箱减速后，通过绞车中间轴传动，驱动绞车滚筒轴实现绞车自动送钻。钻机转盘采用独立驱动方式，即采用1台400V、300kW交流变频电机通过1挡（2挡）变速箱变速后驱动ZP205型转盘。钻机井架采用JJ170／42－K型井架、4.5m箱块式钻台底座，后台底座高0.8m。JJ170／42－K型井架底部开档尺寸由原来JJ170／41－K型井架开档尺寸6.5m增加为7.5 m，大幅改善了钻台面的作业空间环境。ZJ30／1700LDB型钻机传动方案如图1所示。

1.2 ZJ40LDB型钻机［7］

该型钻机由2台G12V190PZL－3型柴油机作为主动力，经YOZJ700／750型液力偶合正车传动箱传递给并车传动箱并车后，分别驱动735kW绞车和1台F－1300型泥浆泵，并在并车传动箱后端带1台400kW节能发电机。绞车配备有独立电机自动送钻装置，该装置由1台22kW交流变频电机经大速比齿轮减速箱减速后，通过绞车中间轴传动驱动绞车滚筒轴实现绞车自动送钻。VFD房配置630 kW、42kW变频柜各1套，600V／400V－800kVA主变频器1台及全套抽屉式结构的MCC单元。钻机转盘采用独立驱动方式，即采用1台400V、400 kW交流变频电机通过1挡（2挡）变速箱变速后驱动ZP275型转盘。钻机井架采用JJ250／44－K型井架、旋升式钻台底座高度6m，后台底座高0.8m。井架下部开档为8.5m。同时为满足长庆油气井井型及施工工艺要求，井架及立管留有满足安装使用顶驱装置的接口，并可根据具体工况增配独立机泵组进行并车运行。ZJ40／2250LDB型钻机传动方案如图2所示。

图1 ZJ30／1700LDB型钻机传动方案

1.3 ZJ50LDB型钻机［8］

该型钻机由3台G12V190PZL－3型柴油机或AD12V190PZLT－3型燃气机组作为主动力，经YBLT900－45DDf型液力变矩器传递给并车传动箱后并车，分别驱动1 100kW绞车和2台F－1600型泥浆泵，并在并车传动箱后端带1台400kW节能发电机。绞车配备有独立电机自动送钻装置，该装置由1台37kW交流变频电机经大速比齿轮减速箱减速后，通过绞车中间轴传动驱动绞车滚筒轴实现绞车自动送钻。钻机转盘采用独立驱动方式，即采用1台400V、600kW交流变频电机通过2挡变速箱变速后驱动ZP375型转盘。VFD房配置630 kW、55kW变频柜各1套，600V／400V－800KVA主变频器1台及全套抽屉式结构的MCC单元。转盘转速范围0～205r／min，最大工作扭矩可达32 459 N·m，可根据钻井工艺参数调控要求进行无级调速；钻机井架采用JJ315／45－K型井架、旋升式钻台底座高度9m，后台底座高0.8m。井架下部开档为9m，井架及立管留有满足安装使用顶驱装置的接口，钻台面与井口作业空间开阔。ZJ50／31500LDB型钻机传动方案如图3所示。

图2 ZJ40／2250LDB型钻机传动方案

图3 ZJ50／31500LDB型钻机传动方案

转盘传动方案如图4所示。转盘由1台交流变频电动机经联轴器同步将动力输入链条箱输入轴，经一级链轮减速后由万向轴传给转盘输入轴带动转盘工作。链条箱有2挡，转盘可实现2挡传动，换挡结构简单、可靠性高、维护性能好。

图4 转盘2挡传动方案

2 运行优点

1） 由于转盘采用独立电驱动，改变了原来机械驱动钻机动力由链条或万向轴传动方式传输上钻台的模式，大幅缩短了传动链，提高了传动效率，减少了安装工序与难度，解除了钻台面高度受机房后台至钻台传动方式的限制，完全可依据现场安装防喷器组高度的要求设计钻台高度。同时钻台底座采用旋升式结构，实现了钻台面设备低位安装，克服了传统箱块式底座结构复杂、吊装困难等缺点。

2） 转盘采用变频电机与1挡或2挡减速箱配合使用。交流变频电机技术由于其兼容性好，可靠性高，易于实现全数字一体化控制，进一步增大了转盘转速与扭矩变化范围，大幅提升了转盘的工作能力，有利于满足不同的钻井工况对钻井技术参数要求。

3） 井架底部开档较大，钻台底座净空高可满足不同井型安装不同防喷器组合要求，绞车采用低位安装，钻台面开阔；配备了一体化司控房，司钻的视野及操作的舒适性增强；同时钻台传动得到简化，底座的结构型式更加简洁，拆装方便快捷。

4） 复合驱动钻机在投资成本上较机械驱动钻机略有增加，较电驱动钻机有较大节余。以ZJ40LDB型钻机为例，其具有优越的控制性能与优良的性价比，一次性投资较ZJ40DB型钻机少￥1 000万元以上，与长庆油田的低成本开发具有良好的适配性，已普遍为用户所接受。

5） 钻机采用液力柔性传动，传动效率高，同时配备有节能发电机装置，根据工况的变化可充分利用柴油机的余功率带动节能发电机为井场供电及为转盘动力提供动力，大幅节约了燃油消耗费用，节能效果明显。

6） 司钻控制采用PLC逻辑控制，所有气路、液路、电路控制信号均进入PLC一体化控制，各种故障报警及互锁功能更加完善；同时，在绞车上配备了电机自动送钻装置，可恒钻压或均速钻进，控制精确，提高了井身质量，减轻了司钻的劳动强度。

3 改进完善

3.1 转盘驱动撬

1） 根据以往转盘先期损坏的特点，把配套的转盘规格进行提升，将ZJ30LDB型、ZJ40LDB型、ZJ50LDB型钻机配套的转盘规格分别由ZP175、ZP205、ZP275型提升到ZP205、ZP275、ZP375型，本质上提升了转盘工作能力。

2） 根据大斜度井、水平井日益严格的施工工艺要求，将转盘驱动减速箱由1挡减速逐步完善为2挡减速，进一步增大了转盘转速与扭矩变化范围，速度范围宽、扭矩大，进一步提升了转盘的工作能力。

3） 转盘惯刹由气囊离合方式改进为气动液压惯刹方式，进一步提高了惯刹响应的及时性。

4） 将转盘驱动电机进行升级改造，如把ZJ30LDB型钻机转盘电机的功率由300kW提升为400kW，解决水平井等特殊工艺井施工或处理井下事故过程中井下扭矩大与电机扭矩安全保护限制的矛盾，提高了钻机井下事故的处理能力。

3.2 动力机组

根据燃料性价比分析，可将后续配套的ZJ50LDB型钻机配置的G12V190PZL－3型柴油机更新为AD12V190PZLT－3型燃气机组，发电机组配置为济柴的G12V190ZDT1－2型、TAD1461GE型燃气发电机组，降低燃油消耗成本。

3.3 泥浆泵

根据长庆油田钻井需要经常进行钻机油转气或气转油施工调迁的实际情况，ZJ30LDB型、ZJ40LDB型钻机先配置1台SL3NB－1000A型或F－1300型泥浆泵，可依据排量、泵压等钻井工艺要求增配1套单机泵组进行并合运行。目前，还可配套宝石新制造投用的F1－1600轻型泥浆泵。

3.4 底座推移系统

考虑到丛式井的施工要求，前期配套的钻机在底座上留有推移系统安装接口。但为避免二次改造，后期配套的复合驱动钻机全部将底座推移系统一次性安装配套到位，丛式气井的搬安时间由原来的平均2d缩短为平均6h。

3.5 节能发电机

根据柴油机现场运行速度范围，优化调整了链条并车传动箱附带节能发电机的传动比，并选用无刷恒压同步宽频结构的西门子节能发电机。由于该发电机的电枢、磁通、绝缘、励磁、电压调节等方面做了新的设计及调整，使发电机在柴油机频率变化范围±10%内，即发电机转速在（1 000±100）r／min范围（频率在45～55Hz范围）变化时，发电机电压输出满足（400±60）V，加大了作为被动对象的节能发电机适应柴油机随载荷变化转速发生波动的能力范围。由于变频器通常要求供电频率变化范围、电压变化范围分别为±6%、－15%～＋10%；一般交流电机及照明适合频率变化范围、电压变化范围应分别不超出±8%、±10%～15%，同时由于转盘变频器和MCC柜均有过、欠压保护，过电流限制保护等规定和措施，转盘变频器还有过、欠频保护，只要保护值设置合适，可避免因柴油机转速波动对转盘电机变频器及井场其他交流电机及照明等设备设施造成的破坏。

3.6 电磁刹车

根据以往ZJ30型、ZJ40型钻机因钻井施工工艺变化，井深、井斜、水平段逐年增加，负荷增大造成起下作业过程中电磁刹车线圈易烧损、转子轴过载扭断的实际情况，为进一步保证起下钻作业安全，提高电磁刹车的服役寿命周期，打破行规将ZJ30LDB型、ZJ40LDB型钻机的配套电磁刹车规格分别由FDWS30、FDWS40提升到FDWS40、FDWS50，制动扭矩分别提高了100%、95%，本质上提升了电磁刹车与钻机的工作安全可靠性。

3.7 井口机械化工具

放弃了原先电磁阀岛控制方式的液压猫头，选用宝鸡液压件厂的YMII－10型、YM－16IIB1型液压猫头，安装板与钻台面箱座螺栓固定（以往为支撑固定），外观简洁，操作方便，关键是克服了电磁阀岛方式控制的液压猫故障难处理的缺点，提高了其工作可靠性。

4 需进一步解决的问题

1） 自动送钻装置在恒钻压钻进使用过程中与司钻手控操作相比钻时过慢，不能满足提速要求，导致在现场未能很好地应用，使用频率不高。

2） 在司钻控制房未预留气动卡瓦气路安装控制接口位置，在使用推广气动卡瓦时需要重新在操作面板上开口确定安装固定位置，影响面板布局及其正压防爆性能。

3） 液压盘刹操控系统未设有盘刹失电保护功能，需要及时完善。如果盘刹液压站柱塞泵一旦即时失电停止工作，司钻在未得到提醒的状况下往往因反应滞后不能及时采取有效措施，绞车盘刹失去控制，易造成井下、设备及人身伤害事故。2009—2011年，已发生了4起均与该功能缺失有关的钻台险肇事件，造成方钻杆弯折或顶驱损坏。

5 结论

1） 2010年，ZJ50LDB钻机平均钻井周期48.94d、平均水平段长1 010.75m，其中苏东67－07H1井仅用28.08d顺利完钻，完钻井深4 824m，水平段长1 319m。2011年，该钻机已完成气田水平井6开6完。2011－10－09，在苏里格气田施工的2台ZJ40LDB型钻机分别以222d2h、222d9h的有效生产时间刷新气田40 000m年进尺原224d6 h的纪录。其中，苏东61－06井设计井深3 409m，水平位移549.67m。彰显了复合驱动钻机在长庆钻井单队单机的作战竞争能力及高端钻井市场“主力军”作用。

2） 复合驱动钻机在长庆油田经过初期使用、后期不断完善改进，使用效果良好，其设计性能得到了充分验证，满足了新形势下钻井工艺的要求，目前已成为川庆钻探长庆钻井总公司在长庆油田进行勘探开发的主力机型。

［1］ 王瑞成，马永恒，聂永坤，等.ZJ30DBT型钻机优化设计［J］.石油矿场机械，2011，40（10）：60－64.

［2］ 杨佳怡.ZJ50／3150DB型自行式钻机［J］.石油矿场机械，2011，40（10）：83－85.

［3］ 周天明，张革民，王建川，等.新型ZJ40／2250J型钻机研制［J］.石油矿场机械，2011，40（10）：69－72.

［4］ 温晓莉，田建新，赵学锋，等.ZJ50／3150LDB－1型钻机研制［J］.石油矿场机械，2011，40（10）：86－89.

［5］ 冯彦伟.ZJ50／3150JD型钻机的研制与应用［J］.石油矿场机械，2010，39（6）：58－60.

［6］ 宝鸡石油机械有限公司.ZJ30／1700LDB钻机技术文件［Z］.2006.

［7］ 宝鸡石油机械有限公司.ZJ40／2500LDB4钻机技术文件［Z］.2005.

［8］ 宝鸡石油机械有限公司.ZJ50／3150LDB2钻机技术文件［Z］.2008.

1001－3482（2012）03－0082－05

TE922

B

2011－09－23

王瑞成（1975－），男，河南通许人，工程师，主要从事钻井设备管理工作，E－mail：zjssbrc＠cnpc.com.cn。