9 000 m直流电驱动钻机绞车链传动系统设计与分析*

胡军旺

(1.西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065； 2.兰石石油装备工程有限公司，甘肃 兰州 730050)

9 000 m直流电驱动钻机绞车链传动系统设计与分析*

胡军旺1,2

(1.西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065； 2.兰石石油装备工程有限公司，甘肃 兰州 730050)

依据9 000 m直流电驱动钻机的性能要求，制定了所配套绞车的传动方案。根据绞车功率配置和传动原理，以两种不同的方案对绞车链传动系统进行了详细设计，并分析了两种方案下钻机的负载性能。

直流电驱动钻机；绞车；链传动系统；设计分析

Abstract: According to the performance requirements of DC drilling rig, the transmission scheme of winch used for 9000 meters rig is developed. According to the power allocation and transmission principle, the detail design and performance analysis for two different kinds of chain drive system have been done, the load performance of drill for two schemes is analyzed.

Key words: AC-SCR-DC drive drilling rig; winch; chain drive system; design analysis

0 引 言

随着油气能源开采力度的不断增强，易开采的能源逐渐减少，油气勘探开发不断向深海、深地层等难动用储量延伸，对石油装备制造业提出了更高的要求。适应节能降耗的要求，石油装备不仅需满足油田的使用要求，而且还需具备较高的效率，较低的使用和维护成本。直流电驱动钻机以其控制技术的成熟性、维护的方便性及购置成本低等因素，受到市场的青睐。作为9 000 m钻机核心部件的绞车，其性能的优劣直接决定了钻机的提升性能。提升钻具时，绞车需要低速运转以获取较大负荷能力；在下放钻具时，为提高生产效率，绞车又需要较高的速度。因此，在直流电动钻机中，科学合理的配置绞车输入功率、设计传动系统是决定绞车提升性能和效率的关键因素。

1 绞车传动原理

该9 000 m直流电驱动钻机绞车传动原理如图1所示。绞车共设4个挡位，绞车主动力由3台YZ08直流电动机并车提供，通过链条变速后驱动滚筒轴。绞车设自动送钻装置,由1台小功率交流变频电机驱动,经大传动比减速机变速后,驱动绞车传动轴及滚筒以实现自动送钻功能。

2 主要技术参数[1]

额定输入功率：2210 kW；最大快绳拉力：640 kN；钢丝绳公称直径：φ45 mm;挡数：4挡(各挡内可无级调速);主刹车：水冷液压盘式刹车；辅助刹车：水冷电磁涡流刹车。

图1 9 000 m直流电驱动绞车传动原理

3 链传动系统设计分析

直流电驱动四挡绞车,在设计传动系统时,通常将Ⅰ挡设为事故挡,以提供标定的最大快绳拉力；Ⅱ挡用于提升最大钻柱重量；Ⅳ挡最高速度用于起升空吊卡，一般将钩速设定在1.5～2 m/s之间。从根本上来说依据这一原则设计绞车传动系统时，影响系统性能的因素其实是最高钩速的选择。因为同一级别的绞车，其最大快绳拉力和最大钻柱重量是一样的，这就限定了Ⅰ、Ⅱ挡减速比的范围，也基本确定了绞车输入轴和传动轴之间变速链轮及滚筒低速端配对链轮的齿数，而最高钩速的选择会影响滚筒高速端传动链轮的速比，致使滚筒高、低速端的配对链轮拥有不同的中心距，所以为让高、低速端配对链轮的中心距尽可能的接近，必须调整整个传动系统的链轮配齿，进而影响整个系统的的设计。最高钩速的选择受到钢丝绳使用性能的限制，当游车正在轻载升起时,若速度过快可损伤钢丝绳[2]。快绳的最大绳速不宜超过20 m/s[3]。所以对于9 000 m钻机， 在6×7绳系下的最高钩速应不超过1.429 m/s。但以此计算的钩度并不是被广泛认可的，目前国内大部分绞车(包括JC50D、JC70D等)在设定最高挡速时往往以电机额定转速和20m/s的快绳最大绳速作为依据确定Ⅳ挡速比，而忽略了电机恒功段的无级调速性能。当电机在恒功最高转速时，钻机的最高钩速和快绳的最大绳速将增大1.55倍。

图2中给出了一种依据上述原则设计的绞车的性能曲线。此传动系统中各挡实际减速比分别为：14.522、7.966、5.056、2.773。绞车Ⅰ挡时，在电机过载1.07倍的情况下可提升最大钩载6 750 kN。从性能曲线中可以看出Ⅰ、Ⅱ挡及Ⅲ、Ⅳ挡之间存在较大的缺口。钩速在0.4～0.47 m/s和1.16～1.35 m/s之间的区域为电机恒转矩工作段，电机的最大输出功率将随转速的下降而下降,缺口处绞车的输入功率仅为1 874 kW。绞车的功率利用率被降低了。但整个系统在Ⅳ挡下的速度较高，提升性能也比较好。

图2 一号方案绞车性能曲线(6×7绳系)

对于直流电驱动绞车传动系统来说，由于直流电机有较好的恒功调速性能，也可以不按上述原则制订方案，而以电机的恒功调速范围作为公比设计传动系统。由于直流电机的恒功调速范围仅为1.55，相对较小，所以致使绞车的调速范围变窄。需在最高钩速和提升最大钩载时电机的过载倍数之间作适当取舍。以此公比设计的绞车的性能曲线如图3所示。

钻机的最大起重量在井深大于2 500 m时，以套管柱断裂载荷的80%为极限，为最重套管重量的1.25倍[4]。据此，可以将电机的过载系数控制在1.25以内，以保证绞车在不过载的情况下起重量可以达到最大套管重量，在电机过载时可以提升最大钩载。此方案的电机最大过载倍数实际为1.17，各挡减速比分别为：13.329、8.604、5.557、3.587。从性能曲线中可以看出,此方案中电机与传动系统匹配较好，充分利用了电机的恒功范围，绞车的功率利用率将达到100%。但与前一种方案相比，绞车的最大提升速度降低到1.63 m/s；Ⅱ挡恒功最低速度和负载能力与前一种方案都很接近，同样满足提升最大钻柱重的要求。

图3 二号方案绞车性能曲线(6×7绳系)

四挡链传动绞车的换挡是通过齿式离合器和滚筒轴高、低速气胎离合器相互配合实现的。由于使用齿式离合器换挡时绞车必须停车，所以在实际运转过程中通常在一个机械挡位下通过高、低速气胎离合器实现绞车高、低速的切换。传动系统中不同的链轮配齿会对绞车的换挡操作过程产生不同的影响。比如说，当换挡齿式离合器挂合时，通过滚筒高、低速气胎离合器既可以实现绞车Ⅰ、Ⅱ挡之间的切换也可以实现Ⅰ、Ⅲ挡之间的切换。目前所设计的产品中，通常通过高、低速离合器实现交叉挡位的切换而非相邻挡位。采用这种方式时，滚筒轴高速端的链轮齿数较少，下钻过程中可以快速实现较高速度与较低速度间的切换，即可以提供大的提升能力，又可以提供较高的空吊卡提升速度，方便了绞车的换挡操作。

4 总 结

对比两种方案可以看出，第一种方案的功率利用率比第二种方案的低，但可以提供较高的提升速度；第二种方案的功率利用率高，充分发挥了电机的性能，但最大提升速度比第一种方案降低很多。但在实际的使用中， 可能会出于保护钢丝绳或其他安全因素等，降低钻机的最大提升速度，导致所设定的最大钩速在实际使用中不会出现。所以在设计传动方案时应考虑更多的综合因素，如系统的转动惯量、链条的性能及安全系数等。选择适当的最高钩速和传动系统的公比，充分发挥电机的无级调速性能，使所设计的绞车拥有较好的提升性能和较高的功率利用率。

[1] GBT 23505-2009.石油钻机和修井机[S].

[2] API RP 9B-2002 油田钢丝绳的应用、保养和使用的推荐方法(中文版)[S].

[3] 杨海滨.钻井绳索与井场吊运安全操作[M].北京：石油工业出版社，2004.

[4] 赵怀文.钻井机械[M].北京：石油工业出版社，1995.

[5] 张连山.石油钻机绞车的设计与计算[J].石油机械,1997，25(9)：45-47.

Design and Analysis of Chain Drive System of 9000m DC Rig Winch

HU Jun-wang1,2

(1.MechanicalEngineeringCollege,Xi′anShiyouUniversity,Xi′anShaanxi7100652,China; 2.LanzhouLSPetroleumEquipmentEngineeringCo.，Ltd，LanzhouGansu730050，China)

2014-06-13

胡军旺(1982-)，男，甘肃通渭人,工程师，主要从事石油天然气钻采设备的研制和开发工作。

TH12

A

1007-4414(2014)04-0147-02