JC50D型一橇式绞车的提升特性及关键技术分析

鞠家奎，张忠平，孟萌，王祥伟，黄占鳌

（南阳二机石油装备（集团）有限公司，河南南阳 473006）①

20世纪70年代，直流驱动钻机就开始应用。发展至今，该种技术仍然具有很大发展空间［1］。绞车是钻机的关键部件，其工作性能关系到钻井质量、成本和钻井效率。以前的直流驱动绞车在调速性、传动稳定性、大扭矩直流电机的研究应用方面取得较好发展［2］，但存在几个特点：配备捞砂滚筒及猫头，不带自动送钻系统，分两橇布置，搬家、维修复杂。为此，开发高度自动化和智能化、一橇、模块式、低成本、配置更具现代化的钻井绞车尤为重要。南阳二机集团研制了新一代JC50D 型一橇式直流驱动绞车，以便进一步提高该类型钻机整体水平，满足目前钻井工艺要求。

1 传动原理

JC50D 型直流驱动绞车传动原理如图1。

1）主传动系统由2台直流电动机经联轴器同步驱动，经过中间轴变速后传动滚筒轴，实现绞车4个正挡和4个倒挡。主电机可按钻机的要求进行平滑柔性调速。

2）自动送钻系统由一台功率较小交流变频电机驱动，经大扭矩、超大减速比减速器和径向离合器后，将动力传递到滚筒轴，完成自动送钻过程。

图1 JC500D 绞车传动原理

2 技术参数

3 提升特性分析

以南阳二机集团生产的ZJ50D 型钻机为例，绞车的提升特性是大钩钩载与大钩钩速的关系。

大钩钩载可由式（1）计算：

式中：T为驱动电机的转矩，选用2台800kW 直流电动机为动力；i为传动系统总传动比；η1为传动系统总效率，η1＝0.78；η2为游动系统总效率，η2＝0.77（6×7绳系）；Z为支承游动载荷的钢丝绳根数，Z＝12；D为滚筒平均直径，D＝0.783m。

大钩钩速v可由式（2）计算：

式中：n为直流电动机转速，r／min。

根据电机转矩－转速特性参数，利用式（1）～（2）计算JC50D 绞车大钩载荷、钩速，并绘制该绳系下的提升曲线，如图2所示。

图2 钩速－钩载曲线

由图2可知，绞车在Ⅰ挡（低速挡）工作时，钩速在0～0.51m／s。在钩速0～0.28m／s段，钩载可达恒定值3150kN，绞车可利用这段曲线处理井下事故，下套管以及提升钻机最大载荷。钻机起放井架、底座时也用该挡。绞车在Ⅱ挡的钩速为0～0.82 m／s，其中钩速在0～0.45m／s段，钩载可达恒定值3150kN，绞车可利用这段曲线处理井下事故、提升最大载荷。绞车在Ⅰ、Ⅱ挡的恒定钩载曲线段，两电机均处于恒转矩区。

绞车在Ⅲ、Ⅳ挡工作时，钻机的工作速度范围较宽，钩速为0～1.5m／s。Ⅲ挡钩速为0～1.46m／s，钩速在0～0.81m／s段两电机为恒定转矩区，最大钩载为恒定值2608kN。Ⅳ挡为高速挡，钩速在0～1.5m／s，在钩速为0～1.3m／s段，两电机为恒转矩区，最大钩载为1254kN，此时若需提升最大钻柱重力1600kN，可利用短时过载（过载系数仅为1.276，当然也可利用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ挡），过载时间不超过30s，绞车可利用这段曲线起升最大钻柱。在利用Ⅳ挡工作时，若电动机转速提高，钩速在空载下，速度达到2.37m／s，这是不允许的，所以在钩速达到1.5m／s时［3］，即图中A 曲线，电路增设防滑电路，避免速度过快，以完成空吊卡工作。

4 关键技术及特点

4.1 模块的整体布局设计

根据运输条件，宽度尺寸控制在3.3 m 以内，高度尺寸控制在2.9 m 以内。由于绞车为四轴绞车，而且含有3台电机和1台电磁刹车，整体要求结构布置紧凑。JC50D 型绞车整体为一模块，将卧式自动送钻减速箱安装在绞车顶部，2台主电机的风机及接线盒朝向内侧，后侧不超出绞车橇。由于整体布置后接线位置受限，在底座增设了2个过度接线箱，满足人性化要求。电磁刹车的接线盒安装位于靠近主电机一侧，双面液压盘刹按8个液压钳安装空间布置，便于绞车升级，使盘刹护罩安装后与绞车橇前边沿仅凸出50 mm。换挡气缸机构安装在绞车顶部、位于自动送钻装置离合器的下面，为了给换挡机构足够的安装空间，将安装面低于电机安装面50mm。因中间轴上的链轮直径约为1m，输入轴较中间轴靠上布置，油腔与滚筒轴间的隔板设计成不对称凹槽型。允许路况下，绞车模块整体运输，不需拆卸任何零部件。

输入轴总成、自动送钻轴总成安装从机架左端整体装入。中间轴总成从机架后侧靠左装入后，整体向右推进到位。绞车的所有液、气、电控制线均从绞车左右两侧进出。导轨式排绳器在搬家时需拆卸。

4.2 主电动机选择

主电机为直流电机，可在额定转速0～150%范围内调节。恒定转矩为8022 N·m，最高转速1500r／min。一般钻井工况下，不需提升最大钩载，此时若其中一台电动机发生故障，另一台可单台短时应急运行。另外，在司钻侧电动机与输入轴间安装有惯性刹车装置，利用其反扭矩功能实现快速停止。

电动机功率因数高，直接带载软启动，并由电动机直接控制绞车。在Ⅰ挡恒转矩区，2台800kW 电动机采用串联，没有过载系数，所具备的提升能力远大于最大钩载，大于同级钻机绞车的载荷能力，提高处理事故时解卡能力，也提高在相同载荷下的提升速度，减少起下钻时间，增强了绞车的适应性和经济性。

4.3 自动送钻系统

采用交流电机、超大扭矩减速箱及径向离合器装置。自动送钻动力直接输入到主滚筒高速端空套链轮。自动送钻共有2个挡：一路直接挂合高速端离合器；另一路经过中间轴，挂合低速端离合器带动滚筒低速运转。挂合低速端离合器可以起升井架和底座。自动送钻还可在主动力系统发生故障时，带动滚筒提升或活动钻具，防止井下可能发生的事故［4］。

自动送钻动力直接传递到高速空套链轮，高速端采用了大扭矩离合器，保证提升所需要的足够转矩。自动送钻传动路线上的所有离合器均设有事故销。

4.4 控制系统

绞车除电磁刹车的手动离合外，其余操作全部集中在司钻房，操作台安装有各种钻井仪表。司钻可以根据仪表指示的大钩载荷，利用手柄或按钮合理选择绞车挡位，即使发生操作失误或大钩载荷超载，操作面板上的仪表均有显示，司钻便可及时纠正，选择更匹配的挡位及转速。

JC50D 型绞车低速端底座内安装有阀岛箱，能实现集机、电、液一体控制。以盘刹液压站压力油和压缩空气作动力，利用所编PLC程序去控制电磁阀组，使其进行换挡、锁挡。由行程检测装置检测并反馈信号给PLC，PLC再通过其发出的信号和控制指令，实现实时监测和故障处理。

绞车挡位为4＋4R，Ⅳ挡能满足正常钻井需要；Ⅰ、Ⅱ挡可用于处理井下事故和下放套管，Ⅰ档还用于起升底座或井架。正常钻井时选择好挡位后不需频繁换挡。

4.5 其他

1）主刹车采用液压双面风冷盘刹，辅助刹车采用风冷电磁涡流刹车。

2）根据目前钻井工艺及用户要求，不再设置捞砂滚筒轴及猫头装置。

3）滚筒体采用厘巴斯绳槽，两半对接式焊接结构，轮毂耐磨板为可拆式结构，进行了特殊工艺处理，以延长滚筒寿命。主大绳入绳口位于右轮毂。

4）绞车设有整体防雨棚，自动送钻电机设有防污罩。

5）底座预埋有水冷管线及进水分配装置，可匹配水冷盘刹和水冷电磁刹车。

6）改换电磁刹车、滚筒体、增加2个盘刹工作钳即可升级为JC70D 型一橇式绞车。

5 结论

1）研制的JC50D 型一橇式绞车能满足用户提出的实际钻井工艺要求，功率利用范围宽。电机启动与制动较平衡，允许频繁启动和制动，调节与使用均方便，适应性强。操作方便，具有较好的处理事故能力。

2）解决了由传统的两橇到一橇式设计难题。与两橇结构相比，制造、搬家、维修方便，占用钻台面积小。

3）JC50D 型绞车的不足是自动送钻系统用低速挡起升井架、底座，速度稍偏低。

4）直流驱动钻机相比交流驱动钻机成本低，因此仍受用户青睐。

5）对电机功率利用的合理性、挡速分配的科学性、能耗制动方面还需要深入研究。

［1］陈如恒，沈家俊.钻井机械的设计计算［M］.北京：石油工业出版社，1995：83－91.

［2］吴福才，卢群辉.5000 m 钻机选型分析［J］.石油矿场机械，2005，34（5）：58－60.

［3］陈如恒.电动钻机的工作理论基础（一）［J］.石油矿场机械，2005，34（3）：1－10.

［4］陈如恒.电动钻机的工作理论基础（二）［J］.石油矿场机械，2005，34（5）：1－6.