ZJ50LDB型钻机转盘驱动电机配置技术研究

2014-06-05罗军

石油矿场机械 2014年9期

关键词：钻具B型钻机

罗军

（中国石油西部钻探工程有限公司吐哈钻井公司，新疆鄯善 838200）①

ZJ50LDB型钻机转盘驱动电机配置技术研究

罗军

（中国石油西部钻探工程有限公司吐哈钻井公司，新疆鄯善 838200）①

分析了ZJ50 LDB型钻机转盘独立驱动装置电机配置的技术性能，并进行了相关计算、校核，提出改造方案，对改造方案进行了可行性论证。为转盘独立驱动装置进行技术改造和相关新钻机配套提供了技术支持，使钻机转盘独立驱动装置不仅适应常规钻井，更适应水平井、大位移井及处理井下复杂等钻井工况的需要。

钻机；驱动；转盘；电机

随着石油钻机的不断发展，设备越来越先进，在机械钻机基础上设计的转盘独立电驱动机电复合钻机应用越来越广泛，实现了转盘无极调速功能，更方便钻井作业。某公司2009年生产的ZJ50LDB型钻机，转盘独立驱动装置驱动电机采用400 kW交流变频电机，转盘为ZP-275型，减速箱为ZP40BS型两级齿轮减速箱，传动原理如图1所示。变频电机与齿轮减速箱通过齿式联轴器连接，齿轮减速箱与转盘通过万向轴连接，两级齿轮减速箱一侧安装液压盘式惯刹，可以通过齿轮减速箱上的换挡手柄转换转盘转速挡位。

该钻机转盘独立驱动装置，启动平稳，转盘实现了无级调速，液压惯刹制动速度快，操作灵敏，在普通井承钻过程中，转盘操作发挥了优越性能。但是在承钻水平井、大位移井及处理井下复杂时，转盘转矩不足，使转盘不能再转动，相对于ZJ50J型、ZJ50 L型机械钻机，转盘转动钻具圈数小了近60%，甚至实现不了为爆炸松扣作业紧扣程序，不能满足特殊井工艺需求。

图1 转盘独立驱动传动示意

1 ZJ50型钻机转盘功率及转矩常规计算

ZJ50型钻机最大名义井深（ø114mm（4 1z/2英寸）钻杆）为5 000 m，按照ø127 mm（5英寸）钻杆计算井深为4 500 m，驱动转盘需要的功率按照经验公式［1］为

式中：L为井深；犆为经验系数，ZJ50型钻机犆取100。

转盘工作转矩包括钻头破岩转矩和旋转钻具所耗转矩［3］，计算公式为式中：M1为钻头破岩转矩；M2为旋转钻具所耗转矩。

M1和M2不易得到，但Mr可根据经验公式［3］得出，即

式中：L为井深，计算时取最大井深4 500 m；α为系数，取1时为最大工作转矩。则

所以取ZJ50型转盘驱动钻机转盘的最大功率为325 k W，最大工作转矩为22.5 k N·m。

2 400 k W交流变频电机驱动转盘转矩及相关核算

400 k W交流变频电机驱动的转盘独立驱动装置，两级减速齿轮箱减速传动比分别为i1＝1.020 4和i2＝1.821 4，减速齿轮箱在低速挡时，减速传动比大，输出的转矩大。电机技术参数如表1。

表1 转盘电机参数

转盘独立驱动装置400 k W交流变频电机输送到转盘的最大转矩［4］为

式中：N为电机额定功率；n为电机额定转速；η为电机额定效率；i2为两级减速齿轮箱低速传动比；i3为ZP-275型转盘传动比。

转盘低速挡位的最高转速为

转盘高速档位的最高转速为

根据转盘说明书，ZP275型转盘最高转速300 r／min，转速满足要求。ZP275型转盘最大工作转矩为27.459 k N·m，400 k W交流变频电机输送到转盘的最大转矩为33.1 k N·m，几乎刚满足设计要求。但是在承钻水平井、大位移井及处理井下复杂时，井下钻具需要的转矩短时间内要增大许多。吐哈油田在玉北602井钻至水平段3 658 m时，ZJ50 LDB型钻机转盘不再转动，此时转矩仪显示为22 k N·m，钻具转了12圈，而预期钻具转18圈就能紧扣，进行爆炸松扣作业。承钻连平23-1井，处理井下复杂时转盘最大可转动到14圈，预期钻具能转20～22圈，就便于井下处理复杂情况。对于ZJ50J型、ZJ50 L型机械钻机，转盘、绞车及钻井泵多种设备可以实现功率互补，在短时间内钻具可转动20～28圈。所以，ZJ50LDB型钻机转盘配置400 kW交流变频电机只能满足常规钻井，但钻井工作中井下情况复杂，需要加大转盘的转矩来及时处理，此时为ZJ50LDB型钻机转盘配置400 k W交流变频电机输出转矩就显不足，为此提出增大一级电机功率的方案。

3 600 k W交流变频电机驱动转盘转矩及相关核算

将转盘独立驱动装置电机由400 k W改造成600 k W交流变频电机，电机输送到转盘的最大转矩为

600 k W交流变频电机的额定转速为672 r／min，转盘转速也相应发生变化，转盘低速挡位的最高转速为

转盘高速挡位最高转速为

ZP275型转盘最高转速300 r／min，采用600 k W交流变频电机后，转盘最高转速为171 r／min，满足转盘设计要求，在实际钻井中也满足转速要求。600 k W交流变频电机转盘最大输出转矩为51.3 k N·m，比ZP275型转盘最大工作转矩27.459 k N ·m增加了86%。根据SY／T5050—2004《石油钻机和修井机用转盘》标准［5］，规定结构件最小安全系数为1.67，也就是转盘在处理井下事故等复杂时短时间可承载到45.9 k N·m。而600 k W交流变频电机输出功率可在VFD房变频器上可以设置输出百分比，这样设置到输出45.9 k N·m以内，司钻控制房内转矩输出挡位也可以设置，通过多重保护就不会损坏转盘。况且在实际钻井过程中，80%～95%的情况下转盘输出功率仅为30%～50%，这样的使用方式从机械角度来考虑，也是对转盘的保护。

查阅《钻井工具手册》二级S135钢级ø127 mm（5英寸）钻杆上扣转矩为33.4 k N·m，最薄弱环节处的抗扭屈服强度为68.3 k N·m，1 000 m S135钻杆最大可转动15.75圈［6］，使用600 k W交流变频电机估算1 000 m S135钻杆最大可转动11.8圈，3 000 m钻具可转动25～33圈，所以转矩满足钻井工艺需求。

两级齿轮减速箱和液压惯刹也按照常规钻井和承钻水平井、大位移井及处理井下复杂等工况进行分析，在短时间内可以超负荷运转，满足要求。

将400 k W交流变频电机改造成600 k W交流变频电机，还需要改造VFD房内变频器等电控部分。国内山西永济电机厂生产的400 k W交流变频电机和600 k W交流变频电机安装尺寸和外形尺寸都一致，使设备改造的可行性增大。

4 现场应用

2014-03，西部钻探吐哈钻井公司将50562队ZJ50 LDB型钻机转盘独立驱动装置400 k W交流变频电机改造成600 k W交流变频电机，相应地对VFD房进行配套改进。改造后在吐哈油田玉北602井施工过程中，最大转矩上限设定在38 k N·m，顺利钻穿2 130 m的定向段，最大实际转矩为36 k N·m，没有因为转盘转矩不足，出现转盘转不动的现象，满足了钻进要求。为了进一步验证效果，在后期钻探过程中继续进行跟踪研究。

5 结论

对于ZJ50型钻机而言，转盘独立驱动装置配置400 kW交流变频电机和ZP275型转盘，只能适应常规井，即正常钻进、顺利完井的直井、或短水平段定向井。但是，ZJ50型钻机转盘独立驱动装置配置600 k W交流变频电机和ZP275型转盘才能满足各种钻井工况需要，又可以通过电控保护对转盘进行保护，仅在少数特殊情况下处理井下复杂时，可让转盘在45.9 k N·m以内工作。通过上述论证，将400 k W交流变频电机改造成600 k W交流变频电机比较合理。为适应各种工况，新配套ZJ50型转盘独立驱动钻机时，建议转盘驱动电机为600 k W交流变频电机。

［1］嵇彭年.钻井机械［M］.北京：石油工业出版社，1990.

［2］陈如恒，沈家骏.钻井机械的设计计算［M］.北京：石油工业出版社，1992.

［3］韩景山，李培江.石油钻机独立电驱动转盘及动力的配置［J］.石油矿场机械，2005，34（1）：97-98.

［4］孙恒，陈作模，葛文杰，等.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］ SY／T5050—2004，石油钻机和修井机用转盘［S］.

［6］杜晓瑞，王贵文，王德良，等，钻井工具手册［J］.北京：石油工业出版社，2000.

Rotary Table Drive Motor Configuration Technology Research for ZJ50LDB Rig

The ZJ50LDB rig wheel independent drive motor performance is analyzed，and configuration technology，the related calculation，and comparison are made to put forward the reform scheme，the feasibility of retrofit scheme.The conclusion that for the wheel independent drive technical renovation and new rig related provides data support，make the rig rotary table drive not only to be adapted to the conventional drilling，but more suitable for horizontal well，the large displacement and downhole complex such as the need of drilling condition.

drilling rig；drive；rotary table；motor

TE922

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.021