石油钻采设备及工艺5

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机械驱动 柴油机+液力装置驱动 (比如ZJ45L钻机) AC—AC驱动 钻机驱动类型 电驱动
(已推出历史舞台)
DC—DC驱动 AC—SCR—DC驱动 AC—CF—AC驱动 (比如ZJ50D钻机) (比如ZJ90/5850DB)
复合驱动
(比如ZJ40/2250LDB)
1、机械驱动 机械驱动,依驱动机组驱动特性的不同可进一步分 为,柴油机直接驱动(或简称柴油机驱动)和柴油机- 液力驱动机械传动两种。
2.转盘
转盘对驱动系统的要求: 1)转速调节范围R=5~10。 2)能倒转、能微调转速 以处理事故。 3)有限制扭矩装置,防 止过载扭断钻杆。
转盘配备的功率是一定的,具有恒功 率调节、能无级变速的柔性驱动、能 充分利用功率,但钻井工艺有时要求 恒转矩调节。
3.钻井泵
正常工作时,在不 会造成井壁冲蚀的前提 下,为了提高钻进速度, 要充分利用泵的功率。 在理想情况下,泵的排 量与泵压的关系曲线为 一双曲线。 但在实际操作中, 钻井泵在一定的冲次下 工作,为使泵不至于超 载,通常采用换缸套的 办法。
钻井泵一般都在额定冲次附近工作,负载的波动幅度 也不大,因此对驱动系统的要求比绞车、转盘都简单。 在处理井喷事故时,有时要求微调泵的排量。为此要 求动力传动系统具有一定的调速范围,R=1.3~1.5即可满 足要求。 钻井泵一般为无载启动,启动不频繁,对启动转矩、 超载能力的要求低于绞车,但为了克服钻井过程中可能出 现的蹩泵,要求动力传动系统具有短时过载能力。
三、驱动设备的特性指标
各类动力机有一些共同的技术经济指标,可用来评价 它们的动力性和经济性。 1、适应性系数K
M max K Me
式中: Mmax——发动机稳定工作状态时发出的最大扭矩; Me ——发动机额定(标定)功率时的扭矩;
K值大小表明动力机适应外载变化(增加)的 能力。K值大,表明动力机过载能力大。
带辅助调速的传动方案 在传动系统中增加了 一个辅助调速的偶合 器,通过调节其充液 量可以微调转盘转速 而不必单独降低1号柴 油机转速,以保证3台 动力机组的正常并车, 充分发挥它们的功率。 当绞车需要较大功率 时,仍可接通总离合 器直接驱动。
二、柴油机驱动特点
柴油机广泛用作钻井设备动力,其主要特点是: 不受地区限制,具有自持能力(只要自带燃料都可工作)。 产品系列化后,不同级别钻机,可采用所谓“积木式”,即增加相同 类型机组数目的办法,以增加总装机功率,从而减少柴油机品种。 在性能上,转速可平稳调节,能防止工作机过载,避免出设备事故。 装上全制式调速器,油门手柄处于不同位置时,即可得到不同的稳定 工作转速。当外载增加超过Mmax时,柴油机便越过外特性上稳定工作 点而灭火,不致造成传动机构或工作机因过载而损坏。 结构紧凑,体积小,重量轻,便于搬迁移运,适于野外流动作业。 不足:扭矩曲线较平坦,适应性系数小(1.05~1.15),过载能力有 限;转速调节范围窄(1.3~1.8);噪音大,影响工人健康;与电驱 动比较,驱动传动效率低,燃料成本高等。
石油钻采设备及工艺概论 5
朱宏武
第一章
钻井工艺基本知识
第三章 起升设备 第四章 地面旋转送进设备 第五章 钻机的驱动与传动 第六章 石油矿场用往复泵 第七章 油田用离心泵 第八章 石油矿场用压缩机 第九章 采油工程基本知识 第十章 机械采油及设备 第十一章 钻采工具及仪表 第十二章 海洋石油钻采设备
一、机械传动系统 二、柴油机驱动特点 三、柴油机驱动特性 四、钻机柴油机的典型工况和功率标定 五、国产Z190系列钻机柴油机 六、电动钻机用柴油机G12V190ZLD
一、机械传动系统
机械驱动钻机的传动方案依据钻机的用途、钻井深度、所采 用的驱动类型及主传动元件的不同而异。 但是,任何一种钻机其传动系统的基本组成和所承担的任务 却具有共性,都主要是由并车、倒车、减速增矩、变速变矩 及转换方向等几部分所构成,将一台和几台驱动机组的动力 及运动单独地或统一地传递给各工作机,以满足钻井工作的 需要。
按绞车工作特点,对动力机组的要求是:
Vmax R 5 ~ 10 1)能无级变速,以充分利用功率,速度调节范围 Vmin 2)具有短期过载能力,以克服启动动载、振动冲击和轻度卡钻。 3)绞车工作时起停交替,要求动力传动系统有良好的启动性能 和灵敏可靠的控制离合装置
绞车驱动需要的是具有恒功率调节、能无级变速 并具有良好启动性能的柔性驱动。
的优点; (2)能满足现代深井、超深井钻机采用7~9m高钻台的需要: 可将转盘和辅助绞车(猫头轴)在高钻台上,而主绞车不上 高钻台; (3)能满足丛式井钻机对工作机平面布置的要求 :转盘、绞车 在钻台上并可随钻台一起作纵横方向的移动,而钻井泵 组不必移动 ,因此转盘、绞车同钻井泵组不能有任何机械 传动方面的联系,必须进行两分组驱动。
3、几种典型驱动设备的外特性
复习题
1、按照采用的动力设备的不同,钻机驱动类型分为 哪几类?各有何特点? 2、何为动力机的外特性? 3、按绞车工作特点,对动力机组的要求有哪些? 4、按钻井泵工作特点,对动力机组的要求有哪些? 3、按转盘工作特点,对动力机组的要求有哪些?
§5-2
柴油机驱动-机械传动
2、统一驱动方案
转盘、绞车、钻井泵三工 作机由2~4台动力机并车 统一驱动; 统一驱动装机功率利用率 高,可并车调剂各工作机 不同的功率需要,动力机 有故障时动力可互济。
但驱动系统复杂,传动效 率低,安装找正困难。
柴油机直接驱动和柴油机 -变矩器驱动广泛采用统 一驱动方案。
ZJ45J 钻机传动图
三、柴油机驱动特性
柴油机驱动特性就是柴油机自身的特性,包括: 外特性 负荷特性 调速特性
1、柴油机外特性
油泵齿条固定于供油量最大位 置时,性能参数Ne、Me、ge、 GT随n变化的规律性,即外特 性。 外特性是正确选择及合理使用 发动机的基础。 外特性曲线: 定量地指明了不同转速下的Ne、 Me和ge值。 指明了最大功率Nmax、最大扭 矩Mmax及最大功率时扭矩Me、 最小耗油量gemin及相应的经 济转速,可确定适应性系数K 和合理的工作转速范围。
驱动设备和传动系统是钻机八大系统设备中的两大部分, 它们是为三大工作机组服务的。 驱动设备,或称动力机组,提供工作机需要的动力和运 动。 传动系统,将动力机和各工作机联系起来,将动力和运 动传递并分配给各工作机。 钻机驱动设备类型的选择和传动系统的设计,必须满足 钻井过程中各工作机对驱动特性及运动关系的要求,并具有 良好的经济性。
α=ΔM/Δn
ΔM——扭矩变化的百分比; Δn——转速变化的百分比。
当α=∞是,即扭矩M的变化而转速n不随之变化,称为特硬特 性; 当α=40~100时,即转速n随扭矩的的增加而下降,但是改变 程度不大称为硬特性; 当α<10时,即转速随扭矩增加快速下降,称为软特性。
按照采用的动力设备的不同,分为机械驱动与电驱动两大类。 机械驱动以柴油机为动力机;电驱动以直流或交流电动机为 动力机。 柴油机直接驱动(皮带并车) (比如ZJ45J )
2、负荷特性
定转速下油耗ge随功率 Ne而变化的规律,称负 荷特性。 依据负荷特性,可确定 动力机在定转速下工作 时的经济负荷,即耗油 率最小的功率范围。 由坐标原点引射线与ge 曲线相切,切点所对应 之功率即最经济的功率, 因为该点Ne与ge比值最 大。
四、钻机驱动类型及典型驱动设备 的外特性
钻机驱动类型按照采用的动力设备的不同,分为机械驱 动与电驱动两大类: 机械驱动以柴油机为动力机; 电驱动以直流或交流电动机为动力机。
所谓动力机的外特性,指的是扭矩M随转速n而变化的 规律性,即M=f(n),常用曲线描述,称为外特性曲线。
对于电动机而言,一般称为机械特性,用特性硬度系数α 表示,
2、速度范围R
nmax R nmin
式中: nmax——动力机最高稳定工作转速; nmin ——动力机最低稳定工作转速。
R越大,表明速度调节范围越宽。 通常所说的柔性,即指K值大、R值大,随外载增加 (或减少)而能自动增矩减速(或减矩增速)的范围宽。
3、燃料(能源)的经济性 指的是提供同样功率时所消耗的燃料费用。柴油机、 燃气轮机,以耗油率来表征;电动机,则以耗电量、功 率因素来表征。
§5-1
概述
一、绞车、转盘、钻井泵负载特点 及对驱动特性的要求 二、典型驱动方案 三、驱动设备的特性指标 四、钻机驱动类型及典型驱动设备的外特性 附:本节复习题
一、绞车、转盘、钻井泵负载特 点及对驱动特性的要求
1.绞车
特点 若大钩提升速度能随载荷的变化 按理想功率曲线 QhV C 相应 地改变,即沿右图中曲线1工作, 这是最理想的情况,功率利用最 充分。 若提升速度V也能随立根数的每 一次减少而相应增加,即沿曲线 2工作,则功率利用虽不是最理 想的,也已很充分。但在机械变 速有限档的情况下,这是不可能 做到的。 曲线3是分级变速时的曲线,可 见功率利用不充分,阴影三角面 积是未被利用的功率。
4、发动机比质量 发动机比质量即每单位功率(KW)的质量,用KG表示:
G KG Ne
kg / kw
式中: G ——发动机(包括必备的附件)的质量,kg; Ne——额定功率,kw。
5、使用经济性 除已特殊指明的燃料经济性之外,使用经济性尚包 括:对工作地区的适应性、启动性能、控制操作的灵敏 程度、工作的可靠性、安全性、持久性及维护保养难易 性等。
第五章
§5-1 §5-2
§5-3 §5-4
钻机的驱动与传动
概述 柴油机驱动-机械传动
柴油机-液力驱动与变矩器 电驱动原理与设备
本章主要介绍钻机驱动与传动系统的类 型,了解主要工作机组的工作特性,掌握动 力机组结构组成、外特性和驱动特性。
现代石油 钻机具有绞车、 转盘、钻井泵 三大工作机组, 为适应石油钻 井工艺过程的 要求,工作机 组具有不同的 负载特点和运 动特性。
泵对驱动传动的要求是: 1)动力机要有足够的过载能力; 2)动力机具有一定的柔特性(R=1.3~1.5)。
二、钻机的典型驱动方案
单一驱动 钻机典型驱动方案
统一驱动
分组驱动
1、单独驱动方案
转盘、绞车、钻井泵三工作 机组,各由不同的动力机一对 一或二对一地进行驱动; 电驱动钻机大都采用如右图 所示的单独驱动方案; 单独驱动,传动系统简单、 效率高;工作机间无机械形式 的联系,便于钻机在井场进行 平面布置。 装机功率利用率低,动力机 不能互济。
F320—3DH钻机传动图
3、分组驱动方案
分组驱动: 将三个工作机 分成两组,绞 车、转盘为一 组,钻井泵为 另一组(或者 绞车、钻井泵 为为一组,转 盘为另一组), 每组由动力机 (柴油机或电动 机)分别驱动, 也称为二分组 驱动。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特 点:
(1)兼有统一驱动利用率高和单独驱动传动简单、安装方便
2、电驱动 电驱动,依其发展历程可分为: 交流AC-AC驱动:柴油机交流发电机组或电网,向交流电动 机供电,经机械传动去驱动绞车、转盘和钻井泵,称 AC-AC驱动。 直流DC-DC驱动:柴油机直流发电机组,向直流电动机供电, 经机械传动去驱动绞车、转盘和钻井泵,称DC-DC驱动。 交直流AC-SCR-DC驱动:柴油机交流发电机组发出交流电, 汇聚汇流母线,经可控硅整流,再向直流电动机供电, 经一对一或二对一安装,去驱动绞车、转盘与钻井泵, 称AC-SCR-DC驱动。 交流变频驱动:柴油机交流发电机组发出交流电,经变频 器成为频率可调交流电,驱动交流电动机去带动绞车、 转盘和钻井泵,这是正在发展中的第四代电驱动型式, 称交流变频驱动。
柴油机驱动机械传动:以柴油机为动力,2~4台柴油机, 经齿轮、胶带、链条、万向轴等机械传动元件的多种形 式的组合,实现并车、减速增矩、换向、倒车,以驱动 传动绞车、转盘和钻井泵。 驱动特性就是柴油机本身的特性,工作机只能得到有限 档的有级调速。
柴油机-液力驱动机械传动:以柴油机为动力,但柴 油机首先与液力变矩器(或偶合器)结合,组成柴油 机-液力驱动机组,再经链条、胶带、齿轮、万向轴 等机械传动元件的多种形式的组合,实现并车、减速、 换向、倒车,以驱动传动绞车、转盘和钻井泵。 驱动特性是柴油机-液力变矩器联合输出特性,能自 动变速变矩,属柔性驱动。
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