电驱动测调联动测试绞车设计及选型计算

李志宏 马陆杰 张军帅 王蕾

摘 要：本文根据油田水井测试实际工况的需求，设计开发了一款新型的变频电驱动测调联动测井绞车。通过对测调联动绞车结构参数、动力性能、重要件性能的系统性设计及计算，确定了绞车的主要设计参数，校核了绞车的运行及承载能力，校核结果显示，设计结果完全满足设计要求。为进行类似绞车设计提供了相关的设计计算参考。

关键词：测调联动 变频电驱动 测试绞车 动力性能

中图分类号：TE93 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（a）-0084-04

Abstract： One logging winch driving by electric has been designed and calculated according to the actual working conditions in this paper. Through systematic designing and calculating of the structural parameters， dynamic performance and important parts performance of the winch， the main design parameters of the winch has been determined； The operation and bearing capacity of the has been checked also. The results of the check show that the design results fully meet the design requirements. It provides a reference for similar winch design.

Key Words： Testing and adjusting； VVVF drive； Logging winch； Dynamic performance

据调研，国内油田为增加原油产量，在油田测试作业中广泛采用了油井注水增压工艺，该类工艺需要油井试井车和测井车两车配合、联动作业才能达到施工要求[1]。油田为降低采购成本，同时，满足“联动作业”的井场需求，要求试井车能够一车两用，使井下测试与井下注水调配一次性完成。因此，具有测调联动功能的试井车装备在油田测试领域具有广泛市场需求以及研究改进的价值。

同时，在国家大力提倡节能环保概念的背景下，试井绞车作为测调联动试井车中的驱动机构仍采用传统液压动力驱动形式实现钢丝的起下动作。液压试井车存在着系统复杂、管线接头渗漏、故障排除困难，废旧油液污染环境等问题[2]。

本文将根据油田实际工况需求，设计开发一款新型环保的电驱动测调联动测试绞车。通过对测调联动绞车结构参数、动力性能、重要件性能的系统性设计及计算，确定绞车主要结构设计参数，校核绞车运行及承载能力等。

1 电驱动联动绞车结构设计计算

本文设计的电驱动测调联动试井绞车立用油田井场电力来驱动试井绞车，电缆滚筒和钢丝滚筒同轴布置，两滚筒独立工作[3]。

根据油田工况需求，确定联动绞车设计的主要技术指标，如滚筒同轴布置：两滚筒可独立工作，具有动力切换装置；滚筒容绳量：电缆滚筒φ3.2mm×6000m，钢丝滚筒φ2.4mm×6000m；绞车提升能力：最大提升能力10kN；井下仪器重量约300kg；绞车上提及下放速度范围：低速低于250m/h，高速8000m/h等。为满足以上设计要求，本文将对绞车布置形式、滚筒结构、动力校核等进行设计选型及计算分析。

1.1 绞车布置形式

根据对以往测试联动绞车的研究发现，联动试井绞车的滚筒与动力机构（马达及减速箱）布置及传动形式可以分为两类[4]：（1）动力机构与绞车滚筒并联连接，如图1所示；（2）动力机构与绞车滚筒直连连接，如图2所示。

并联式与直连式布置及传动形式相比，具有结构紧凑、布置合理、检修方便等优点；相比之下，直连式布置方式占据的横向空间较大，绞车的液压马达、减速机及滚筒串联连接，检修及更换配件非常困难[5]。因此，本次设计的电驱动测试绞车选择并联式的布置及传动方式，根据以往并联式联动绞车布置经验，可得到电驱动测试绞车的结构简图，见图3。

1.2 结构及动力参数计算

1.2.1 系统功率计算

根据油田用户对测调联动绞车技术参数的要求，绞车在提升及下放钢丝或电缆的工况中具有两种重要的工况要求。工况1，滚筒底径出绳：最小出绳速度250m/h，最大拉力10kN；工况2，滚筒大径出绳：出绳速度8000m/h，拉力0.3kN。

（1）

其中，P为计算功率，F为载荷拉力，V拉力瞬时速度。将上述工况1、工况2的主要参数带入式⑴，计算得到工况1所需功率P1=5.5kW，工况2所需功率P2=6.6kW。

根据系统所需功率，可初选电机功率为7.5kW，额定转速1500r/min，额定扭矩约45N·M。本系统选用变频器进行电机调速，所选电机的调速范围满足需满足在5Hz到100Hz变频调速的要求，其中5～50Hz调速为恒扭矩调速，50～100Hz时为横功率调速。

1.2.2 绞车底径计算

滚筒底径直径D0，由钢丝或电缆自身的最小缠绕直径dmin决定，其中，滚筒底径必须满足D0≥钢丝或电缆自身的最小缠绕直径dmin，即，D0≥dmin。

其中，本次设计电缆直径d01=3.2mm，其最小缠绕直径d01min=340mm；本次设计钢丝直径d02=2.4mm，其最小缠绕直径d02min=294mm；所以，本次設计的电缆滚筒的底径D0电≥340mm，钢丝滚筒的底径D0钢≥294mm[6]。为节约成本，使钢丝滚筒与电缆滚筒同时加工备料，确定电缆及钢丝滚筒的最小缠绕直径D0=346mm≥d01min>d02min，满足电缆使用要求。

1.2.3 传动速比计算

由技术参数要求可知，滚筒小径排绳时需提供最大拉力Fmax=10kN，此时滚筒端所产生的扭矩T0为：

= 1730（N·M）

由于测试井工况需要在5～50Hz之间调速需要电机可以保持恒扭矩状态，所以此时电机端产生的扭矩等于电机的额定扭矩N额定=45N·M，进而，初算传动比I总。

=1730÷45=38.5

滚筒小径D0，且变频控制器输出控制频率为最低5Hz时，滚筒转速及绞车出绳速度具有最小值Vmin。

=1500×5/50/38.5≈254（m/h）

Pmin=5Hz（电机变频最小频率）

为满足设计要求，将最小出绳速度比降低至250m/h以下，将电机与滚筒之间的中间速比调整至40，这时有：

=1500×5/50/40=244.5（m/h）<250（m/h）

满足绞车出绳速度的低速要求。

1.2.4 滚筒大径及挡板开档计算

根据设计参数要求，滚筒大径D、滚筒容量（最大6000m）、滚筒开档B以及绞车最大出绳速度Vmax之间有如下关系，

（2）

（3）

其中，A=6000m，为滚筒容绳量；n为滚筒铁丝或电缆缠绕层数；CO=0.85，为缠绕常数；B为滚筒开档；DO=346mm，为滚筒底径；D为滚筒大徑；do=2.4mm或3.2mm，为钢丝或电缆直径。

根据式（3）可得到，排绳容量6000时挡板大径与宽度关系曲线，如图4所示，挡板大径与挡板宽度成反比例曲线关系；挡板宽度与出绳速度之间的关系曲线，如图5所示，挡板宽度与出绳速度呈现正比例曲线关系。

由关系曲线图4及图5综合计算后，可确定滚筒挡板大径D=640m，对应的电缆滚筒开档为B1=307mm，B2=173mm，钢丝滚筒开档为，此时，当变频电机转速N电=2850r/min（变频器输出约95Hz），V绳具在滚筒挡板最大直径D处具有最大出绳速度，考虑机械传动效率 =0.9，计算得到最大出绳速度。

=8161m/h ⑷

1.2.5 减速比分配

由系统总速比I总=I减速机i链=40，选取减速机I减速机=16，计算得到链轮速比：i链=2.5。这时将链轮齿数进行合理分配：大链轮：Z1=63齿，小链轮：Z2=25齿；实际链轮速比i链= 2.52，计算得到实际总速比I总=40.32；总传动效率=0.9。此时，在滚筒挡板大径D=640mm处，具有绞车出绳的最大速度V绳=8096m/h≥8000m/h，满足设计要求。

1.3 设计参数整理与校核计算

1.3.1 绞车校核

由以上计算结果，得到绞车滚筒最终的几何参数（见表1）。

根据公司之前绞车滚筒的设计经验，在同联动测试车滚筒几何参数、滚筒材料、加工工艺等要求一致的情况下，公司所生产的两款同类型绞车滚筒，其设计载荷拉力为15kN，该绞车按行业标准进行载荷实验时满足设计需求，未出现由于强度原因引起的绞车故障。类比本次设计，联动测井车所设计的钢丝滚筒及电缆滚筒强度完全满足10kN的载荷拉力。

1.3.2 系统外购件或标准件选型

其中主要包括变频电机及变频器、减速机、绞车滚筒轴承座、传动链轮等校核。

由表2、表3、表4可知，测调联动测试绞车设计中所选的变频电机、变频器、减速机、绞车滚筒轴承座、传动链及链轮等关键部件的性能参数及载荷强度均能满足设计要求。

2 结语

本文将根据油田实际工况需求，设计开发了一款应用变频电驱动测调联动测试绞车。对测调联动绞车结构布置形式、动力性能、重要件性能进行了设计计算，并校核验证了电驱动测调联动绞车运行及承载能力，本次设计完全满足设计需求，测试绞车载荷性能安全可靠。本次设计也为进行类似绞车系统的开发设计提供了相应的参考。

参考文献

[1] 刘永胜.注水井分层智能联动调配系统[J].石油仪器，2007（1）.

[2] 李瑞斌.液压驱动作业绞车设计及其工作性能研究[D].大庆石油学院，2008.

[3] 樊祥娟.双滚筒测调联动测试车起升系统与控制系统设计[D].大庆石油学院，2009.

[4] 王亚娟.多井联动排采设备钢丝绳力学性能分析[D]. 西安石油大学，2015.

[5] 韩强.注水井测调一体化的研制与推广应用[D].中国石油大学（华东），2013.

[6] 山特维克.测试井电缆及钢丝使用手册[Z].山特维克公司，2014.