交流变频低温钻机两档绞车研制及应用

何江海　冯定

摘要：在北极区蕴藏着丰富的石油、天然气资源，由于其特殊的低温环境使得开发难度大，对钻机各方面的性能要求更高。目前我国生产的钻机一般适用条件是温度不低于-20℃的工作环境，不能满足工作环境温度

－45℃地区的使用要求。绞车作为钻机的核心部件，担负着起下钻具、下套管、控制钻压、处理事故、提取岩芯筒、试油以及井架和底座起升下放等各项作业，其性能好坏直接影响钻机的钻井效率。江汉石油管理局第四机械厂研制开发了ZJ50DB低温轮轨钻机，已经在俄罗斯西伯利亚北极圈内作业，通过了-45℃工作环境的考验，性能稳定，为该钻机研制的交流变频两档绞车得到了成功应用。

关键词：交流变频；低温钻机；两档绞车；传动系统；两档齿轮减速箱；自动送钻装置

中图分类号：TE922 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）02-0040-03

目前我国生产的钻机一般适用条件是温度不低于－20℃的工作环境，不能满足工作环境温度

－45℃地区的使用要求。由于低温使用环境对钻机金属结构件、橡胶件、电器原件、信号原件、流体介质、制造工艺、操作环境等的性能都产生极大的影响，使得研制开发适合－45℃使用的低温钻机有着独特的意义。绞车是钻机的核心部件，直接决定钻机的钻井效率，要求其性能好、启动平稳、调速范围广、过载能力强、功率利用率高、电机无电刷火花隐患等独特优势，重要的一点还必须满足特殊环境下的使用要求。

为了满足俄罗斯－45℃低温环境下钻丛式井的要求，钻深能力5000m，特研制开发了ZJ50DB低温轮轨钻机，为该钻机研制的交流变频两档绞车，经过了－45℃工作环境的考验，性能稳定。本文结合常规ZJ50DB钻机的成熟技术，研制一种交流变频电机驱动的两档单滚筒绞车，满足环境温度－45℃条件下的使用要求。

1 传动原理及技术参数

1.1 传动原理

为了满足ZJ50DB低温轮轨钻机最大钩载3150kN和最大钩速达到1.5m/s以上的使用要求，同时实现65m外远程控制绞车起升井架，确定两档绞车配置2台800kW交流变频电机、1台两档齿轮减速箱、1台单滚筒轴总成、1套液压盘式刹车和1台45kW自动送钻装置。传动原理如图1所示：

1，3.交流变频电机 2.两档齿轮减速箱

4.液压盘式刹车 5.主滚筒 6.绞车架及护罩总成

7.推盘离合器 8.自动送钻装置

图1

绞车共分2个传动系统，即由2台800kW交流变频电机为动力的主传动系统和由1台45kW交流变频电机为动力的自动送钻系统。整个绞车独立成撬布置，保证运输要求。

主传动系统构成：绞车由2台800kW、0～2300r/min的交流变频电动机经过1台两档两级齿轮减速箱后，动力合并，同步驱动主滚筒轴，绞车整个调速过程及同步控制完全由主电机交流变频控制系统操作实现，具有零转速悬停、下钻能耗制动功能。

自动送钻系统构成：自动送钻由1台45kW的交流变频电动机驱动，经过大扭矩、大传动比的减速机后，通过推盘离合器将动力输入到两档齿轮箱送钻输入轴，满足提升最大钻柱重量的要求。

1.2 技术参数

绞车输入功率 2×800kW

快绳最大拉力 340kN

档数 2正2倒（无级调速）

钩速 0～1.63m/s（高速档） 0～0.91m/s（低速档）

滚筒直径×长度（开槽） Ф685×1386mm

适用钢绳直径 Ф35mm

主刹车形式 液压盘式刹车（风冷）

辅助刹车形式 能耗制动

刹车盘直径×厚度 Ф1570×76mm

自动送钻电机功率 45kW（交流变频）

自动送钻速度 0～0.0138m/s

绞车外形尺寸 7460×3205×2530

绞车总重量 38000kg

2 提升特性分析

根据配置的电机功率，绞车传动原理以及钻机游吊系统特性及计算方法，绘制出绞车工作时大钩负荷和大钩速度之间的特性曲线，如图2所示：

图2 绞车工作特性曲线

根据交流变频电机特性，由图2可知，提升特性曲线分为3个区域：恒扭矩区、恒功率区和降功率区。

绞车在低速档（I档）时，大钩速度范围0～0.91m/s，当钩速在0～0.28m/s范围内时，为恒扭矩区，大钩载荷为3743kN，保持恒定值，在电机不过载时，可以满足起升最大载荷3150kN的使用要求，如果利用电机过载（通常电动机和变频器允许过载1.5倍），大钩的提升载荷更大，绞车可以利用这段曲线来处理井下事故、下套管以及起升井架。当钩速在0.28～0.57m/s范围内时，为恒功率区，可以提升的载荷为1875～3743kN。当钩速在0.57～0.91m/s范围内时，为降功率区，对钻井要求偏低，一般不用。

绞车在高速档（Ⅱ档）时，钻机的工作范围较宽，大钩速度范围为0～1.63m/s，大钩速度在0～0.51m/s范围内时，为恒扭矩区，可以提升的载荷为2089kN，满足提升最大钻柱重量1600kN的使用要求，当钩速在0.51～1.01m/s和1.01～1.63m/s范围内时，分别为恒功率区和降功率区，通常用于绞车空吊卡解卡工作。

3 结构及特点

3.1 结构

交流变频低温钻机两档绞车为撬装结构，主要由交流变频电机、液压盘式刹车、主滚筒、两档齿轮减速箱、自动送钻装置、离合器、联轴器以及加热装置等组成。主动力由2台800kW的交流变频电动机经联轴器同步输入齿轮减速箱输入轴，经两档两级齿轮减速后传给滚筒轴，主刹车采用四开两闭的液压盘式刹车，辅助刹车采用能耗制动，绞车同时还配备了独立的自动送钻装置，由一台45kW的交流变频电机驱动，经大传动比的立式减速机和推盘离合器后，将动力传入齿轮减速箱输入轴端，再经过两档齿轮减速箱一级减速后带动滚筒轴完成自动送钻过程。

3.2 特点

为了满足－45℃环境下正常作业的要求，绞车的部件选用了低温材料，并采取防护保暖措施。对受力件，如滚筒轴、齿轮箱轴、绞车撬座、刹车盘及钳架、齿轮箱体、电机外壳等，均采用耐低温的材料，并对材质取样做低温冲击功试验。板材及壳体件均采用Q345E，轴类采用40CrNiMoA，要求Q345E的板材以及型材－45℃低温冲击功平均值Akv≥34J，单个值不低于27J，经检验合格后方可使用；轴类材料要－45℃低温冲击功平均值Akv≥42J，单个值不低于34J，经检验合格后方可使用；焊接部位采用特殊工艺处理，所有橡胶密封件均采用耐低温的材料，选用的润滑油和润滑脂必须满足低温环境下的使用要求，同时在油箱内安装了加热装置，保证绞车能在－45℃的环境下正常

作业。

绞车配置两台主电机互为备用，当一台电机出现故障时，另外一台仍可正常工作；配置两档齿轮箱，满足不同钻井工况的使用要求，不同的工况选择不同的档位，通过手动实现换档，当处理井下事故、下套管以及起升井架底座时选择低速档，当仅需要提升下放钻柱或者空吊卡解卡工作时选择高速档，在同一个档位下绞车变速过程完全由主电机交流变频控制系统操作实现。在同一档位下，大钩的速度完全依靠交流变频控制系统完成，对电机进行无极调速，实现完成起下钻杆和解卡的目的。自动送钻减速机具有自动送钻、应急和起放井架的多重功用，在钻机搬家、没有电网和发电机组供电时，使用小型的应急发电机组就可以完成井架和底座的起放等搬家安装工作，节约搬家时间；简化绞车结构，提高了传动效率，结构更加紧凑，绞车重量与直流绞车相比，降低了30%。自动送钻减速机还可以实现65m外远程控制起升井架。

4 现场应用

已经有8台ZJ50DB低温钻机在俄罗斯西伯利亚北极圈内作业，经过了－45℃低温环境的考验，两档绞车各项指标均满足使用要求，性能稳定，反应良好，创造了较好的经济效益。当然，对于局部出现的漏油和轴承损坏问题，经过更改密封型式和更换进口轴承，已彻底得到解决，总体上受到了俄方用户的欢迎。

参考文献

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[4] 周天明，彭勇，贾秉炎，陈思祥，赖笑辉．JC-90DB两挡齿轮传动单轴绞车设计分析[J]．石油机械，2008，（12）：35-37．

作者简介：何江海（1977-），男， 高级工程师， 长江大学机械学院工程硕士研究生在读，研究方向：石油钻采机械绞车和传动设计。

（责任编辑：周 琼）