RS-QF800HL轻型高压钻井泵组的开发

2021-07-02周东亮

机械制造 2021年4期

□ 田龙 □ 周东亮

1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司河北任丘 062552 2.河北省井控与井口设备技术创新中心河北任丘 062552

1 开发背景

钻井泵属于往复机械,其功能对钻井作业的速度、质量和成本有较大影响,是工程钻探中的重要机械设备。连续油管作业中,要求泥浆泵提供流量为12 L/s,压力高于40 MPa的流体,设备的质量、外形尺寸、环保排放、自动化控制有严格要求。传统泥浆泵占地面积大,噪声高,环保排放不达标,传动效率低,不能满足连续油管作业对泥浆泵组的要求。

荣盛公司针对以上情况,开发了RS-QF800HL轻型高压钻井泵组,最高工作压力达到52 MPa,采用交流变频直驱电机驱动泥浆泵,传动方式简单、可靠,安装、操作及维护方便,易于控制与监测。

2 电控设计

电控系统原理如图1所示。电控系统基于电磁兼容性制造规范进行设计和布线,配置一台600 V交流柴油发电机组,并配置300 kVA、600 V/400 V环氧树脂干式变压器,提供 400 V、50 Hz辅助电机动力电源和生活区供电。主电机采用交流变频装置驱动。控制系统采用数字通信方式,以高性能可编程序控制器为核心,利用实时以太网现场总线将泥浆泵变频柜、触摸式操作屏组成数字化控制网络,由可编程序控制器进行逻辑处理及故障诊断,并集中显示。

电控系统可以在环境温度-35 ℃～50 ℃、相对湿度不高于90%的野外恶劣环境条件下可靠、稳定运行。电控系统的控制特性、操作逻辑和各种保护功能满足钻井泵组的工作要求和钻井工艺的要求,采取可靠的防爆、防振、防潮、防火措施,符合安全性要求。

3 结构

RS-QF800HL轻型高压钻井泵组结构如图2所示,主要由泥浆泵、变频电机、电机支架、灌注管汇等组成。泥浆泵直接动力来源的变频电机为卧式双轴承结构三相异步电机。电机转子及其支架依靠球笼联轴器连接在泥浆泵的齿轮轴上,实现电机转子直接向齿轮轴传递转矩。电机定子通过连接盘固定在泥浆泵底座上。风冷电机通过导风筒将冷却气流引入主电机内,对变频电机进行强制冷却。

▲图1 电控系统原理

▲图2 RS-QF800HL轻型高压钻井泵组结构

4 工作原理

RS-QF800HL轻型高压钻井泵组主电源来自柴油发电机,电流经过转换路径提供给变频电机。变频电机额定转速与泥浆泵的额定输入转速相等,变频电机特性曲线的恒扭矩段覆盖泥浆泵的各个工作冲次。通过交流变频控制单元调节变频电机电流的输入频率,进而调节变频电机的转速,以达到钻井工艺需要的泵冲次。

泵组工作时,变频电机带动泥浆泵运转,泥浆泵不断重复吸入、排出泥浆,为井下钻具提供能量。在这一过程中,泥浆泵将泥浆罐中具有一定重力、黏度的钻井液以一定的压力和流量输向井底。泥浆泵传动轴处和排出管汇上安装有泵冲次计数器与压力传感器,实时监测泥浆泵冲次和排出液压力。

5 技术参数

RS-QF800HL轻型高压钻井泵组结构紧凑,体积小,质量轻。主泵配置灌注增压辅助泵,改善泵组的吸入性能。主泵缸套活塞配置冷却喷淋泵,延长易损件寿命。配置电动强制润滑油站,延长轴承和导板十字头的寿命。

电机型号为YAP630-12,采用32PL型电动喷淋泵、1.5 kW润滑油泵、30 kW灌注砂泵。泵组尺寸为5 500 mm×2 500 mm×2 830 mm,质量为21 500 kg。

RS-QF800HL轻型高压钻井泵组不仅可以满足连续油管作业中的高压作业要求,而且能够满足常规钻和修井作业要求。

RS-QF800HL轻型高压钻井泵组曲轴采用组装式结构,材料为优质锻造合金钢,具有质量轻、承载能力大等优点。曲轴达到全平衡要求,使泵组运转更加平稳。液力端为L型式,维修方便,承压高。配置飞溅润滑装置,可以在不使用电动强制润滑装置的情况下正常工作。也可以安装电动强制润滑装置,两个系统同时工作,互不影响。

RS-QF800HL轻型高压钻井泵组的技术参数见表1。

表1 RS-QF800HL轻型高压钻井泵组技术参数

6 技术特点比较

传统电机驱动泥浆泵采用电机后置式、侧置式或顶置式布局。采用电机后置式和侧置式布局的泵组,占地面积大,传动环节多,质量重。采用电机顶置式的泵组,需要配置专用链条箱、齿轮减速箱或带轮,泵组减重效果有限。

与电机后置式和电机顶置式钻井泵组相比,RS-QF800HL轻型高压钻井泵组的优势是泵组外形尺寸小,质量减轻约15%。电机直接将动力传递给泥浆泵,消除中间传动损耗,没有带传动或链传动所存在的径向张紧力的影响。

7 现场应用

RS-QF800HL轻型高压钻井泵组如图3所示,于2019年11月分别进行了最大排量试验、最大泵压试验和满功率耐久性测试。联动试验时,使用100 mm缸套,负载压力为41.4 MPa,泵组运行平稳,泥浆泵液力端密封可靠。主机轴承温升测试、导板间隙检测、噪声和振动监测结果均符合要求,交流变频控制单元变频控制逻辑同样满足要求。