采用气控盘式刹车的石油钻井绞车及其控制系统设计

□ 杨秀菊 □ 刘晓峰 □ 李云鹏 □ 王 兰 □ 张 鹏

1.宝鸡石油机械有限责任公司 陕西宝鸡 721002

2.国家油气钻井装备工程技术研究中心 陕西宝鸡 721002

1 设计背景

石油钻井绞车的发展已经日趋成熟，但目前绞车的设计方案仍有待改进。现用的电驱动钻机绞车主要分为三种[1-2]：① 单轴齿轮绞车，电机经联轴器与齿轮减速箱输入轴连接，并通过齿轮减速箱减速后驱动滚筒轴，齿轮减速箱采用独立润滑系统对齿轮、轴承等实施强制润滑，并带有低压报警装置等，结构较简单，传动效率较高，但体积大、质量重，结构需要简化；②外变速绞车，传动链长，效率低，运输车次多；③ 内变速绞车，结构复杂，动力与绞车滚筒不在同一个底座上，要对接链条箱，存在拆装困难、体积大、安装精度差等缺陷。

石油钻机上普遍采用的石油钻井绞车主要由电机、减速箱、滚筒、液压盘式刹车、自动送钻装置、绞车架等组成。这种石油钻井绞车一般采用液压盘式刹车作为主刹车，绞车滚筒轴上同时连接辅助刹车，辅助刹车可位于电机和滚筒轴之间，也可位于滚筒轴另一端。辅助刹车为电机能耗制动、气控盘式刹车或电磁涡流刹车[3]，结构复杂。

为满足用户及目前油气钻井市场的使用需求，笔者设计开发了一种采用气控盘式刹车的JC70DB型石油钻井绞车。这一绞车采用气控盘式刹车作为主刹车，采用电机能耗制动作为辅助刹车，具有结构简单、质量轻、拆卸方便、运输便捷、控制系统先进等优势。

2 传动系统

在常规石油钻井绞车的基础上[4-5]，为使绞车质量轻，拆卸方便，设计了采用气控盘式刹车的JC70DB型石油钻井绞车，其传动原理如图1所示。这一绞车是一种采用气控盘式刹车的单减速箱石油钻井绞车，采用一台两挡变速箱，具有两个传动系统，即以两台主电机为动力的主传动系统和以一台小电机为动力的自动送钻系统。

绞车主传动系统中，两台857 kW交流变频电机经联轴器将动力分别输送至齿轮减速箱输入轴，经两级齿轮减速后传递至滚筒轴。绞车的整个变速过程由主电机交流变频控制系统控制实现。

▲图1 JC70DB型石油钻井绞车传动原理

绞车自动送钻系统由一台45 kW交流变频电机驱动，经大传动比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，再经齿轮箱一级减速后带动滚筒轴完成自动送钻过程。此外，自动送钻电机可完成井架底座的升降。

3 技术参数

采用气控盘式刹车的JC70DB型石油钻井绞车技术参数见表1。

表1 JC70DB型石油钻井绞车技术参数

电机能耗制动通过变频系统的制动电阻吸收绞车的动能，进而对绞车进行制动刹车，能量的转化过程为重力势能→绞车动能→电网电能→热能→消耗。

4 技术特点

采用气控盘式刹车的JC70DB型石油钻井绞车主要特点如下。

（1）以两台交流变频电机为动力，这两台交流变频电机分别通过联轴器与齿轮减速箱输入轴两端相连传递动力，减速箱输出轴再通过联轴器与滚筒轴连接，带动滚筒轴。

（2）滚筒轴通过联轴器与气控盘式刹车相连，可直接悬挂在气控盘式刹车上。采用电机能耗制动作为辅助刹车。电机、齿轮减速箱、滚筒轴、自动送钻装置等均安装在一个绞车底座模块上。

（3）滚筒轴与气控盘式刹车之间、电机与齿轮减速箱之间、滚筒轴与齿轮减速箱之间的连接均可通过鼓型齿联轴器连接，滚筒轴与气控盘式刹车之间也可直接悬挂。自动送钻装置与齿轮减速箱之间采用离合器连接，气控盘式刹车独立为一个单元，方便快速拆装。

（4）采用单减速箱，且绞车底橇采用梯形结构，质量轻，绞车运输最大质量不超过30 t。

（5）主刹车采用气控盘式刹车，辅助刹车采用电机能耗制动，取消了常规的液压盘式刹车。气控盘式刹车时，工作钳刹车为通气刹车，安全钳刹车为断气刹车。工作钳刹车的冷却采用强制水冷方式，配置气控刹车进水压力与回水温度传感器[6]。

（6）齿轮减速箱通过联轴器悬挂在滚筒上，与电机连接的输入端由销轴与绞车架固定，所有配套设备均安装在一个绞车底座模块上。

5 性能提升

5.1 性能提升曲线

绞车最大输入功率为1 714 kW，可优化钻机提升曲线。在低速挡时，电机无需加载即可提升最大钩载，提高了钻井性能及钻井时效。

双电机工作12绳系时钩载与钩速参数见表2。

表2 钩载与钩速参数

根据主电机特性、绞车变速箱传动比及钻机游吊系统计算方法，得出钻机钩速钩载性能提升曲线，如图2所示。

▲图2 钻机钩速钩载性能提升曲线

由图2可知，性能提升曲线分为三个区域：恒扭区、恒功率区和降功率区，性能提升曲线由低速挡和高速挡组成。

5.2 低速挡

低速挡时，绞车钩速在0～0.27 m/s范围之内为恒扭矩区，钩载的恒定值为4 500 kN。此时不利用电机和变频器过载特性，即可满足提升钻机最大起升钩载，提高钻井时效。

钩速在0.27～0.53 m/s范围内为恒功率区，绞车可在该钩速范围内满足钩载4 500 kN～2 200 kN之间实际工作载荷的需要。

钩速在0.53～0.78 m/s范围内为降功率区，钩载在2 200 kN～1 100 kN之间，对于钻井而言钩速偏低，一般不用，但可作为高速挡故障时的工作备用。

5.3 高速挡

高速挡时，绞车钩速在0～1.6 m/s范围之内，钻机提升工作速度范围较宽。钩速在0～0.56 m/s范围内为恒扭矩区，钩载的恒定值为2 200 kN，绞车可利用这段曲线来完成最大钻柱重力为2 200 kN的提升工作。钩速在 0.56～1.09 m/s范围内为恒功率区，钩速在1.09～1.6 m/s范围内为降功率区，对应钩载在1 106 kN～522 kN之间，满足绞车空吊卡与解卡作业。

6 控制系统

6.1 气控盘式刹车控制系统

工作钳刹车采用强制水冷方式，所配置的气控刹车进水压力不得大于0.4 MPa。安全钳刹车无强制冷却装置。气控盘式刹车的最低使用压力为0.83 MPa，当压力低于最低使用压力时，安全钳刹车会处于似刹非刹的中间状态，这不仅造成功率损耗，而且会对动力设备、传动装置造成一定损害。此外，还会对刹车盘造成影响，使刹车副过热引起粘结，造成钻井不流畅。可见，过多的磨损与发热严重影响气控盘式刹车的工作寿命[7]。气控盘式刹车的最高使用压力为1.03 MPa，当压力大于最高使用压力时，会造成刹车装置密封性降低，影响刹车的使用性能。气控盘式刹车的使用压力设定为 0.85 MPa～1.0 MPa。

配置一个0.5 m3的储气罐，储气罐进气口设有增压器，增压器出口压力设定为1.2 MPa。增压后的压缩空气储存在储气罐内，储气罐内的压缩空气经减压阀减压至0.85 MPa，用于绞车刹车的气动控制。储气罐设有压力表及传感器，压力表安装在司钻房内，用于司钻实时监测储气罐压力。压力传感器监测到的储气罐压力信号输入可编程序控制器（PLC），在PLC模式下，在触摸屏上显示储气罐压力，同时可以控制绞车。当储气罐压力低于0.9 MPa时，包括主电机及自动送钻电机在内的绞车电机均会悬停，气控盘式工作钳刹车与安全钳刹车会同时刹车。

在PLC模式下，工作钳刹车控制信号为PLC系统计算值与工作钳刹车手柄给定值中的较大者。PLC系统所给出的计算值为刹车自动控制信号[8-10]。工作钳刹车气路设有压力表及传感器，当工作钳刹车气路压力小于0.85 MPa时，主电机及自动送钻电机均会悬停。

安全钳刹车的控制理念为断电、断气刹车，一般情况下，安全钳刹车的同时，工作钳刹车也会刹车。安全钳刹车气路同样设有压力表及传感器，当安全钳刹车气路压力小于0.85 MPa时，主电机及自动送钻电机均会悬停。

工作钳刹车采用强制水冷方式，当冷却水进水压力大于0.4 MPa时，会造成密封装置损坏，影响钻机工作性能的稳定性。冷却水供水部分设有压力表及传感器，当冷却水进水压力大于0.4 MPa时，主电机及自动送钻电机均会悬停，气控盘式工作钳刹车与安全钳刹车会同时刹车并报警。

6.2 自动送钻控制系统

自动送钻离合器由触摸屏控制，当采用手动点击自动送钻选项进行自动送钻时，绞车会断开主电机，自动送钻电机运行，然后自动送钻离合器自动挂合，确认绞车减速箱在空挡位置，以减少功率损耗。当游吊系统出现上碰下砸、自动送钻电机出现故障、绞车减速箱未锁挡或锁挡不彻底造成无锁挡反馈时，自动送钻离合器分离，并使气控盘式刹车中的工作钳刹车与安全钳刹车同时刹车。当按下防碰释放按钮时，自动送钻离合器会自动分离。自动送钻离合器设有气路反馈回路，当自动送钻离合器气路损坏或泄漏时，离合器的压力迅速下降，使气路反馈压力开关产生断电信号，并将信号送入PLC，输出控制信号，使自动送钻电机悬停并刹车。另外，当按下紧急刹车、电子防碰作用，以及安全钳刹车压力小于0.85 MPa、工作钳刹车压力小于0.85 MPa、绞车储气罐压力小于0.9 MPa、绞车冷却水压力大于0.4 MPa时，包括主电机及自动送钻电机在内的绞车电机均会悬停，工作钳刹车与安全钳刹车同时刹车，此时自动送钻离合器不分离。

7 结论

JC70DB型石油钻井绞车充分应用了交流变频电机的特性及气控盘式刹车的优势，结合钻井工艺对绞车的要求，规避了常规石油钻井绞车的不足，解决了以往绞车结构复杂、运输质量大、拆装困难、易漏油、体积大等问题。目前，这一绞车已通过静载荷加载、空吊卡提升、主电机能耗制动、气控盘式刹车能力、小电机自动送钻等多项试验，各项性能指标均满足设计要求，得到用户认可，并通过油田工业性试验，性能良好。这一绞车的设计方法也可推广应用至其它系列绞车的设计开发中。