修井机动力系统油改电技术方案

陈 灿，赵晓龙，于继林，邢有为

（1.渤海装备钻采装备销售公司，天津 300280；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

随着国内油田矿区电网覆盖范围的不断扩大，油田石油钻机、修井机使用公共电网作为主要动力源成为可能，驱动方式的改变将彻底解决以往靠柴油机直接驱动或柴油发电机间接驱动的油耗高、噪音大、排放污染不达标等弊端。以一套XJ650修井机的实际改造实施试验为例，改造后取得了良好的节能减排效果。

1 系统主要改造方案

改造内容包括动力传动系统、电驱控制系统、液压控制系统、气路控制系统四大系统和辅助设备的改造。

1.1 动力系统

（1）发动机。以CAT C9 发动机为主行走动力，通过并车分动箱实现动力切换。行驶状态时，发动机动力经并车分动箱动力输出口，由传动轴分配给底盘前后车桥，实现载车行驶。

（2）变频电机。由电机、并车分动箱、角传动箱、主滚筒、刹车系统、转盘传动装置、井架和液压、气压系统等组成。作业状态时，变频电机的动力经并车分动箱传给车上作业部分，分动箱动力输出口经传动轴传至角传动箱，经链条传至滚筒实现修井时起下钻作业。

1.2 传动系统

并车分动箱配套有专用部件，采用直齿圆柱齿轮组成的闭式传动，主要由输入轴、二级轴、三级轴、四级轴、五级轴、输出轴、换档机构及左右箱体等组成，是电动修井机中实现动力传动及分配、改变动力传动方向的重要部件。改造后的电动修井机是在分动箱上增加电机扭矩输入端，即实现发动机动力输入端和电机动力输入端并存；在并车分动箱上设计两个动力输入端，利用并车分动箱的手动换挡机构来实现并车分动箱的动力功能切换。行走时，使用发动机传动机构；作业时，可以使用柴油发动机提供动力，也可以使用电机提供动力。在施工井场具备用电条件时，使用电机传动机构完成施工作业；在施工井场不具备用电条件时，使用发动机传动机构完成施工作业。

1.3 电驱控制系统

包括主控制柜、蓄电池组、直流整流充电器、能量回馈单元4 个主要的电驱控制部件。

（1）主控制柜。使用额定电压380 V、频率50 Hz 交流电源，配置漏电保护，零地分开，配置过载保护，在负荷达到设定负荷的极限值时，接收到过载信号，自动断电。

（2）蓄电池组。40 只6-GFM-150Ah 电池串联作为1 组，单只电池额定电压为12 V，串联额定电压480 V，胶体电池单只容量为150 A·h，满充电电压520 V，工作电压440～520 V。该电池组低内阻，自放电率低，性能稳定，有效充电量多，循环耐久能力强，在环境温差变化大的使用条件下性能优越。现场作业时，如果井场用电负荷不足，电池组内储存的化学能将转化为电能，整形、整流后提供给电机使用，满足主电机工作的正常用电要求。

（3）直流整流充电器。包括整流电源和逆变电源，完成修井机工作状态时的直流和交流电源的交互转换和电能存储。

（4）能量回馈单元。系统由电网供电设备、变频器、储能单元（电池组）、负载及连接电缆等构成。在作业现场电源容量不足、修井机难以满负荷运转时，补充部分电能，同时减少电机启动过程中启动电流对作业现场电网的冲击，增强电动施工时对现场作业环境的适应性。

1.4 液压控制系统

双液路液压系统，液压系统包括行驶液压系统和作业液压系统，即发动机自带液压系统和电动液压系统，两套液路互相连通但互不干涉，供液稳定可靠。通过电机或发动机来驱动液压泵向液压系统供油，液压油箱至主液压部分分为两路液压管路，主管路和控制元件采用同1 套，实现双动力修井机在行走和施工作业时用不同动力，使用同1 套主液路向液压系统提供压力油。

1.5 气路控制系统

保留原车的BW550 空压机，增加GX5 电动螺杆空压机进入原车储气瓶，共用1 个储气瓶，使用相同气路，原车气路系统未作改动，气压系统由车载空压机、电动空压机、干燥器、滤清器、自动排水器、防冻器及各类控制阀件组成，压缩空气经多级净化处理后供给修井机气压系统。修井机行驶时使用车载空压机，车上作业时使用电动空压机提供气源。电动空压机气路直接接入原车载气路主管路，两套设备都能提供气源，不互相影响设备工作，行驶时使用车载空气压缩机，作业时使用电动空气压缩机。

2 改造方案技术特点

2.1 设计特点

电驱修井机采用双动力配置，井下施工作业和底盘驱动行走均可使用柴油机进行驱动，在油田电网满足施工的情况下，井下施工作业优先采用电机动力作业。如图1 所示，作业主动力为工业电网200 kW 变频电机，作业部分动力由电机、并车分动箱、角传动箱、主滚筒、刹车系统、转盘传动装置、井架和液压、气压系统等组成。

图1 修井机动力系统油改电平面布局

作业状态时，变频电机的动力经并车分动箱传给车上作业部分，分动箱动力输出口经传动轴传至角传动箱，经链条传至滚筒实现修井时起下钻作业。车上作业部分动力也可由发动机提供，发动机动力经并车分动箱动力输出口经传动轴传至角传动箱，经链条传至滚筒实现修井时起下钻作业。车上动力和底盘动力靠设置在并车分动箱上的操作手柄来控制，保证车上作业和底盘行驶不同时使用，故行驶和作业均安全可靠。整机作业部分的操纵集中在液压控制台和司钻控制台上，集中控制。

2.2 设备改造后应用特点

（1）实现电机直传功能。主电机直接带动分动箱、滚筒作业，减少了传动链，提高了传动效率。由电控无级调速来实现电机输出转速，满足修井作业大钩提升的速度要求，转速调节范围可实现1∶80 的调速比，柴油机一般只有1∶8 的调速比。经过测试，电机输出扭矩能满足作业最大提升载荷的要求，启动扭矩可达3000 N·m，额定扭矩1460 N·m，大于柴油机的1200 N·m。

（2）电源补偿系统的应用。电源补偿系统是“修井机电控驱动系统”的一部分，可在作业现场电源容量不足以带动修井机满负荷运转时，补充部分电能，满足修井机满负荷运行，最大补偿能力50 kV·A。在非补偿输出工况下，作业现场电源一直对补偿系统中的蓄电池充电；在补偿输出工况下，作业现场电源与电源补偿系统同时为修井机主电机提供电能，减少了电机启动过程中启动电流对作业现场电源的冲击。

（3）游车速度实时控制。游车提升速度根据推动控制手柄的多少来决定其提升速度的大小，即控制手柄推动得多则游车提升速度快，反之则慢，并能实现点动功能。电驱同柴油驱修井机油门控制方式一样，便于司钻更快地熟练掌握电驱修井机操作方法，同时能减少对新设备的误操作率，提高安全系数。

（4）各系统独立工作，整机运行可靠性提高。电动修井机主电机、气路系统、液路系统将原来依靠柴油发动机提供动力的运行方式，改为各自独立的动力源，达到减少依赖柴油发动机的目的，提高了电动修井机辅助系统的可靠性。

（5）滚筒离合和电机加速开关一体化操作。滚筒离合器控制和电子加速器开关合二为一的控制装置，实现利用电子行程开关手动控制电机的加减速和正反运转，同时利用压缩空气控制滚筒推盘离合器的正常挂合和断开。取代手动电子油门加速器开关，简化操作步骤，缩短响应时间，提高控制精度，保证了施工作业的安全可靠。

（6）双保险刹车功能的应用。在司钻台上，经过改进气路，把紧急刹车操作阀、防碰天车操作阀和一体化操作阀气路接通。作业时，如果一体化操作阀出现故障发生飞车，需要紧急停车，此时可以立刻合上防碰天车操作阀或紧急刹车操作阀，打通滚筒刹车气路，刹车气缸工作，推动曲拐刹车。同时关闭滚筒离合器，使离合器推盘脱开，使电机空转，而滚筒不转，从而实现双保险刹车功能，保证作业安全。

3 结论

改造后经过3 个多月的现场应用表明：①修井机的使用性、操控性明显增强，各种性能均优于原设备，节能效果明显，可达40%；②现场噪声明显降低，施工条件大大改善；③电控无级调速实现电机输出转速满足修井作业大钩提升速度要求；④修井机网电供电总体互换性强，可满足高压电网正常供电、临时停电和无电等各种工况，高压房具备双电源互锁功能，提高了用电安全性。