JDR-30DB地热电传动绞车的研制

臧臣坤，何磊，孙军盈，高明帅

(中地装(北京)科学技术研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

随着我国经济快速发展，能源危机日益临近，而传统能源对环境的危害也日益显著，所以急需开发利用新能源来降低对传统能源依赖，并减少环境污染。地热能是由地壳抽取的天然热能，具有清洁无污染、能量储存量大等特点，受到越来越多国家的关注。国家能源局也提出，“十三五”时期，我国将全方位推进地热能发展。

随着我国对地热资源的开发利用，地热井钻机也获得快速发展。但作为钻机主要部件的主绞车，并没有得到应有的重视和发展。传统的转盘式机械钻机采用刹把式齿轮传动绞车，需要人工控制刹车手柄实现钻具提升、下放、刹车等功能，操作人员劳动强度极大，在浅孔时可满足钻进施工要求，但在深孔(超过2500 m)施工中，随着钻具重量的增大，操作人员手臂力量已不能完全满足钻具下放时刹车力矩，很容易发生溜钻、墩钻等情况，极易造成严重孔内事故。近年来，一些地热井队也开始引进更为先进的车载液压动力头式钻机，采用液压缸提下钻，降低了操作人员的劳动强度，但是液压传动效率较低，处理事故能力较弱，同时由于桅杆的长度有限，在深孔钻进时，提下钻辅助时间较长，影响施工效率。目前也有少数地热井队采用小型石油钻机进行地热井施工，但石油设备价格昂贵，在地热施工中并不适用。

综上所述，中地装(北京)科学技术研究院有限公司研发了一套满足3000 m地热水井施工的先进的电传动JDR-30DB型主绞车，本文对该绞车进行简单的介绍。

1 总体方案设计

1.1 设计思路

在制定方案时，充分考虑深孔地热钻井工艺特点，结合石油钻机先进技术，进行方案设计，主要包括以下几个方面：①地热钻机开孔直径较大，钻杆重量大，同时为防止塌孔、卡钻等事故的发生，需要绞车有较大的提升力；②为降低成本，采用尽可能小功率的电机，在满足正常起下钻时提升力需要的同时具有电机过载能力，保证短时间处理事故能力；③多重保护措施，保证绞车在使用过程中安全可靠；④分别设有主电机和送钻电机，降低钻进过程能耗；⑤在卷筒和主减速箱之间采用联轴器而不是气胎离合器，免除气胎离合器磨损风险，降低设备维护时间；⑥增加电、液比例，减少气控比例。

根据以上设计思路，设计了符合3000 m地热施工需求且具有多重安全防护的先进的JDR-30DB电传动主绞车。

1.2 基本组成

JDR-30DB绞车是一种交流变频控制的齿轮传动单轴绞车，主要由大功率交流变频电动机、小功率送钻电机(含减速机)、大减速箱、大联轴器、小联轴器、气胎离合器、液压盘刹、滚筒轴、绞车架、气控系统、润滑系统、控制箱等单元部件组成。绞车结构见图1所示。

1.工作钳；2. 主电机；3.小联轴器；4.主减速箱；5.气胎离合器；6.送钻电机及减速机； 7.电控箱；8.大联轴器；9.卷筒；10.安全钳图1 JDR-30DB绞车结构图

2 主要参数

绞车主要参数见表1。

表1 JDR-30DB绞车主要技术参数

3 主要功能及部件

主绞车在钻井过程中，不仅担负着起下钻具、下套管、处理事故等常规作业，而且还担负着井架起放任务。

3.1 提升下放部分

绞车提升下放部分实现起放井架、起下钻具、下套管及起吊重物等功能。绞车由一台300 kW的交流变频电动机经联轴器同步将动力输入齿轮减速箱输入轴，经三级齿轮减速后，通过大联轴器驱动滚筒工作。快绳额定提升力达到150 kN，电机还可最大1.6倍过载，具有很强的事故处理能力。绞车还配有一台15 kW的小功率交流变频电机，经大传动比送钻减速机和气胎离合器后，通过齿轮减速箱和大联轴器带动滚筒轴，实现较大提升力、较小给进速度的自动送钻功能。变速箱具有两档手动换向，绞车整个变速过程由手动换挡机构和主电机交流变频控制系统操作实现。传动原理图见图2。

图2 JDR-30DB绞车传动图

3.2 盘刹系统

JDR-30DB绞车共设有2副常开和1副常闭共3个刹车钳。同时具备常开式工作钳和常闭式安全钳的复合式装置，形成安全互锁并互为备份。工作制动时，通过操作电比例阀的控制手柄，控制工作钳对制动盘的正压力，从而为卷筒提供大小可调的刹车力矩，实现送钻、调节钻压、调节起下钻速度等功能。绞车短时间停止运行时，可采用安全钳制动；在遇到紧急情况时，按下紧急制动按扭，工作钳、安全钳全部参与制动，实现紧急刹车。刹车钳采用浮动液压缸结构，有自动补偿作用，降低安装要求，提高刹车钳工作寿命。

3.3 盘刹液压系统

液压系统由电机—齿轮泵总成、手动应急泵总成、高压蓄能器总成、阀组总成、管路总成等组成。采用双液压源双回路加蓄能器结构，一套电机—泵总成工作，另一套备用，两套同时出现问题时，可使用手动应急泵应急处理，具有多重保护功能，提高了可靠性和安全性。

3.4 气控系统

气控系统由气源、操作控制系统、执行机构等组成。操作控制系统安装在司钻控制房内，控制压力气进入或排出气胎离合器，实现离合器的啮合和脱开。

3.5 电控系统

JDR-30DB绞车控制系统嵌入在主机系统中，通过司钻房内一体化座椅上不同的旋钮控制大小电机的启停、气胎离合器的开合、安全钳的开合、送钻速度、钻压等；通过座椅上左侧手柄控制大钩运行方向和速度，右侧手柄可比例控制工作钳压力；右侧红色按钮为绞车急停按钮，按下后工作钳和安全钳同时刹车；通过触摸屏控制送钻上下行方向，并实时监控绞车各项参数及运行状态等。

3.6 润滑系统

绞车润滑使用了机油润滑和脂润滑。减速箱内的齿轮及轴承均采用机油润滑方式润滑降温，该系统主要由电动齿轮液压泵、吸油过滤器、吸油与回油管线及各种管线接头等组成，电动齿轮液压泵安装在减速箱箱体上，通过吸入减速箱底部的润滑油送至齿轮减速箱各润滑部位，绞车电机启动时该泵自动启动。绞车滚筒两侧滚筒轴支撑轴承、盘刹液压缸、电机轴承，连接电机与齿轮减速箱的齿式联轴器、滚筒轴端仪表装置、挡绳轮和盘刹钳缸连杆等部位均采用润滑脂润滑。

4 技术特点

(1)绞车由1台功率300 kW的交流变频电机驱动，减速箱设有两挡，手动换挡，可实现挡内无级调速，并通过换挡实现较大扭矩或较大转速。可以实现在高速挡时绞车输出较高转速和较大的提升力，满足快速提下钻要求，节约辅助作业时间，提高效率；在处理孔内事故或超深孔钻进时，可选择低速挡，绞车输出大扭矩和较低转速，实现以较小功率满足不同工况各种作业要求。绞车变速范围大，提升能力强。

(2)钻井施工中，钻进时间占整个施工时间比例较大，绞车配置了15 kW交流变频电机驱动的自动送钻装置，通过大减速比实现满足钻进要求的给进速度和提升力，采用小功率电机较大幅度降低能耗，绿色节能；同时小功率电机噪音较大功率电机低很多，为操作人员提供较为舒适的工作环境。

(3)绞车主刹车为主电机能耗制动，具有悬停功能，通过操纵手柄即可实现绞车的减速、悬停，操作人员不需要操作刹车就可实现大钩的减速和停止，简化操作流程，降低误操作几率，操作灵敏、快捷。绞车辅助刹车为液压盘式刹车，包括两个工作钳和一个安全钳，刹车力矩大，安全可靠。

(4)由于气路阀岛价格昂贵，维修困难，JDR-30DB绞车尽量减少气路的使用。送钻减速机与主减速机之间采用气胎离合器，主减速箱和卷筒之间采用鼓型齿式离合器，同时过卷防碰装置与天车防碰装置采用电信号控制，减少气路原件与气路逻辑关系，采用电路逻辑关系代替，降低设备成本，同时由于系统结构简单，便于维护。

(5)绞车具有电子过卷防碰和天车防碰功能，可有效防止由于司钻误操作导致的大钩碰撞天车的事故发生。同时，通过程序设计，保证在电机不启动状态时盘刹无法打开，也可防止司钻误操作导致大钩坠落造成各种事故的发生，而电控工程师在场的情况下，可以通过程序设定实现电机不启动打开盘刹，进一步提高绞车的安全系数。

5 现场调试试验

JDR-30DB绞车是为中地装(北京)科学技术研究院有限公司与张家口中地装备探矿工程机械有限公司联合研发的ZP30DB地热钻机提供配套，该钻机是一种新型的变频电驱动地热钻机，集成了一体化座椅、液气大钳、直驱顶驱、变速转盘、变速绞车等系统和部件。JDR-30DB绞车与ZP30DB钻机进行了一系列严格的调试和试验，完成了卷筒高速回转、盘刹刹车能力、液压站压力保持可靠性测试、过卷及防碰试验等，测试结果完全达到设计要求，目前正在台湾地热井施工中使用，技术特点效果明显。

6 结论

JDR-30DB绞车可用于3000 m深地热井(水井)施工，其结构简单、重量轻，可挡内无级调速，电机具有悬停和过载功能，提升能力强；采用电气化控制，安全防护措施多；具备自动送钻技术，降低了绞车的运行成本，提高了工作环境舒适程度。该绞车性能特点体现了“安全、先进、可靠、环保、智能”的设计原则，既能满足深孔地热井施工的需求，也可用于水井、煤层气、页岩气、油气井施工，具有广阔的市场前景。