石油钻井绞车直驱技术现状与发展方向分析

寇蓓 程立

（兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃兰州 730314）

0 引言

随着石油钻采装备的自动化、智能化发展，传统多级传动绞车因其结构复杂、体积大、传动效率低、维护成本高、本质安全性差等因素，已逐渐无法满足现有钻机的配套要求。近年来，直驱技术在石油钻采领域被快速推广，其主要应用在绞车、转盘、泥浆泵、顶驱、自动化机具等设备上。

本文重点针对直驱技术在钻井绞车领域的应用进行研究，并提出观点。

1 石油钻井对绞车的要求

石油钻井绞车是一种多功能起重工作机，其工作性质不同于一般起重设备。研究石油钻井绞车直驱技术，需根据钻井工况分析石油钻井作业对绞车的要求。

（1）足够的提升能力：在钻井过程中，钻井绞车实现钻具的提升、下放，为了满足最大钩载的作业需求，应具备足够的提升能力。

（2）较宽的调速范围：根据钻井作业工况，每下放一立根，需空钩快速上行，再次抓取钻具继续下放；另外，为了提高作业效率，钻井绞车需根据不同的载荷，具备较宽的调速范围，而不失其提升能力。

（3）起升、下放井架底座：以绞车为动力源完成井架、底座的起升和下放工作。

（4）紧急事故处理能力：时刻具备活动钻具、解卡、处理复杂井下事故的能力。

（5）超低频精准控制自动送钻：钻进时，悬吊钻具，并实现恒钻压或恒钻速精准控制钻进。

（6）下套管：完钻后，需进行下套管作业，以便快速完成固井，提高完井质量。

（7）应急预案：在作业安全方面，绞车一旦出现故障，整个作业过程基本中断，甚至会发生重大安全事故，因此，绞车还必须具备较高的可靠性、灵敏的控制系统、安全的刹车系统。同时，在主电机、电控等出现故障的情况下，应具备应急提升、活动钻具功能。

2 石油钻井绞车直驱技术现状

近年来，直驱技术发展迅速，促进了石油钻采装备直驱技术的发展。兰石集团对绞车直驱技术研究应用较早，2005年，兰石研制直升机吊装钻机初期，就率先研发直驱绞车，采用异步电机直接驱动滚筒轴，但因电机技术和控制技术限制，没有实现工业化。随后，研发者转变思路研制半直驱绞车，在滚筒轴一端悬挂大齿轮，在异步电机轴头悬挂小齿轮，采用一级减速装置，去除齿轮传动箱体。这种方案能简化绞车传动系统，消除电机技术限制，满足送钻控制精度要求，降低送钻过程中的能量损耗，实现直升机吊装要求。

宝鸡石油机械厂在JC30～90绞车上广泛应用直驱技术，均采用异步电机驱动，电机分别布置在滚筒轴一侧或两侧，与滚筒体通过鼓形齿式联轴器连接，如图1所示，其技术特点：结构简单、拆装工作量小；布局紧凑，整齐美观；传动效率高，维护保养少[1-2]。

宏华在JC40～70绞车上先后应用直驱技术，均采用单异步电机或双异步电机直接驱动滚筒，无减速换挡机构、无联轴器，将电机定子直接和绞车墙板融合设计[3]，如图2所示。与传统绞车相比，其体积小40%，重量轻25%，保养工作量减少70%～80%。

3 永磁直驱绞车技术

目前，直驱绞车均采用异步电机，未采用永磁电机，原因在于石油钻井对绞车的可靠性、安全性要求极高，同时，钻井绞车需在不同工况分别具备较大加速度、较高运行速度、超低频运行稳定性、大负载持续提升性能。如图3所示，因为材料的物理特性，随着温度的升高，永磁体磁性会快速下降，甚至会发生失磁。

另外，综合考验永磁电机的磁场、温度场、流体场以及机械性能的输出性，是一个多物理参量相互影响与多目标参数相互优化的结果，如图4所示。

图4 石油绞车永磁电机多物理参量相互影响关系

4 异步直驱绞车测试

在满足设备性能的前提下，直驱的目的是减少传动链，提高传动效率，提高设备的经济性。下面对不同绞车进行效率测试（图5、表1），得出如下结论：同负载下永磁直驱绞车效率最高，其次是异步半直驱绞车，最后是异步直驱绞车；同时，在负载降低时异步直驱绞车效率降低幅度较大，半直驱和永磁直驱绞车降低幅度较小，反映出在重载情况下异步直驱能耗较高，在高速轻负载下异步直驱能耗更高，在超低速送钻状态下长时间工作，异步直驱能耗较大。前文讲到永磁直驱在石油钻井绞车上没有被应用，这里不再论述。

图5 异步电机直驱滚筒效率测试

表1 直驱绞车与半直驱绞车效率测试

5 工业试验验证

笔者先后调研了不同工况、不同级别的19台直驱绞车工业应用，其在综合能耗、设备成本、控制成本、送钻性能和维护成本方面相对半直驱绞车均有所增加，尤其是大级别直驱绞车，其综合能耗增加较大，结果如表2所示。

表2 直驱绞车工业试验数据

根据工业应用验证，对异步直驱绞车和传统绞车进行技术经济指标分析，得出以下结论：

异步直驱绞车具有重量轻、体积小、维护成本低等优点，但存在以下问题：（1）装机功率大，电机能耗高；（2）变频器配套功率加大，电控成本高；（3）主电机超低频控制精度较低，导致自动送钻稳定性差，钻压波动较大；（4）工作噪声大，由于发热量较大，单台绞车配4台风机进行强制冷却，绞车在部分转速段存在啸叫声；（5）应急预案不足。

而半直驱绞车具有效率较高、重量较轻、体积小、维护成本较低、送钻性能很稳定、控制制造成本较低、能耗较低、拥有应急预案等优点。

6 石油钻井绞车直驱技术发展建议

虽然我国在石油钻井绞车直驱技术领域已取得一定突破，但其经济指标暂时无法满足市场要求，这是导致其推进缓慢的主要原因之一。

综合需求与市场导向，笔者提出建议如下：（1）开发新型直驱电机，提高其安全性，降低装机功率，降低轻载运行功率损耗；（2）改善性能，提高超低频控制精度，降低长时间超低频作业时的自身能量损耗；（3）优化主体结构，考虑采用水冷方式进行降温[4]，降低工作噪声；（4）提高基础工业研发制造能力，推进半直驱绞车发展理念，促进石油装备自动化、智能化技术发展。