PSW12型动力水龙头装置研制

PSW12型动力水龙头装置研制
郑芸哲;张忠家;孙艳;王玉;商伟伟;赵岩民
【摘要】The imported power swivel unit is a lot more expensive. Technical support, parts and services cannot be supplied well to satisfy the demand of oil operations in China. In order to improve the workover treatment technology level in China and relief the contradiction between few domestic equipment supply and big demand for operations, PSW12 Power Swivel unit is developed. This unit is equipped with big power head and large capacity hose reel,the power unit is equipped with closed-type statistic transmission system and hose reel is equipped with an open-type transmission. The complete unit is truck-mounted or skid-mounted structure. All units are fastened on a firm base and Operation with high efficiency, light weight, good mobility. Test demonstrated that this unit can totally meet drilling and repairing well technology.%进口动力水龙头价格昂贵,技术支持和配件供应不及时,难于满足国内油田钻修井作业生产的需要.为了提高我国钻修井作业工艺水平,缓解动力水龙头市场的供需矛盾,研制了PSW12型动力水龙头装置.该装置配备了大功率动力头和大容量软管卷筒,动力头采用闭式静液传动,软管卷筒采用开式传动,整机为车栽式或拖撬式.所有单元集成于撬体上,具有作业效率高、质量轻、移运方便等特点.试验结果表明:PSW12型动力水龙头装置能满足国内外钻修井作业的工艺要求.
【期刊名称】《石油矿场机械》
【年(卷),期】2011(040)005
【总页数】3页(P59-61)
【关键词】动力水龙头;软管卷筒;闭式传动;撬装装置
【作者】郑芸哲;张忠家;孙艳;王玉;商伟伟;赵岩民
【作者单位】天津凯德实业有限公司,天津,300308;天津凯德实业有限公司,天津,300308;天津凯德实业有限公司,天津,300308;天津凯德实业有限公司,天
津,300308;天津凯德实业有限公司,天津,300308;中原石油勘探局,井下特种作业处,河南,濮阳,457061
【正文语种】中文
【中图分类】TE926
动力水龙头是钻/修机的重要部件,广泛应用于油田钻/修井作业,能够钻水泥塞、桥塞,进行套铣、磨铣和开窗侧钻等作业。

20世纪50年代,国外就开始了动力水龙头装置的研制工作。

美国BOWEN公司最早开始研制和生产钻井和修井用动力水龙头,以S系列产品最著名。

近年来,BOWEN公司研制了直流电机驱动和液压驱动的动力水龙头[1]。

2000年,BOWEN公司并入美国 National-oilwell公司,取消了BOWEN商标,将动力水龙头改进为轻便式液压顶驱[2];美国BJ公司生产的动力水龙头也已经形成系列化和规模化;美国LOGAN公司研制的850 kN和1 200 kN 系列产品在国内市场中分布较多,均为液压驱动。

但是,国外产品的价格和服务费用昂贵,无法满足国内石油装备市场的需求。

国内顶驱装置成为现代深井钻机的标准装置,但在2 000 m左右的浅井钻机中,配置顶驱较少。

随着勘探开发难度的加大,以及小井眼钻井、煤层气井开发和海上钻井的需要等,要求浅井小钻机和大型修井机配备轻便小顶驱或动力水龙头装置。

为了适应市场变化和需求,天津凯德实业有限公司开发研制了PSW12型液压动力水龙头装置,以满足油气钻井和煤层气开发
的需要,为国内钻井、修井市场提供顶驱装置。

本文主要从工作原理、结构组成和
使用情况等方面进行研究。

动力水龙头是机-电-气-液一体化的石油机械产品,它的核心部件是驱动井下钻柱旋转的动力头。

动力头主轴的最大扭矩和转速、主轴通孔尺寸等必须能满足钻修井工艺的要求;动力头上的提环能够承受井下所有钻具重力。

动力水龙头装置的总体设
计思路是:首先确定动力头的主要参数,包括动力头驱动功率、最大扭矩、最大转速、主轴通孔直径、泥浆循环压力及动力头与钻修井机联结的主要尺寸;其次,依据动力
头的参数确定驱动方式及主辅液压系统的压力、流量等参数;最后,进行动力头、原
动机、液压泵、液压马达、液压附件及气动或电控系统等计算和选型工作,并绘出
总体布局图,输出气动或电控-液压控制工艺描述文件。

动力水龙头撬座上的柴油发动机驱动油泵旋转,高压油经高压软管进入油马达使其
转动,又经变速箱把扭矩传递给动力短节和钻具。

连结在油路中的伺服阀可改变油
马达的供油方向和调整供油排量大小,以改变钻具旋转方向和扭矩大小。

为防止动
力头壳体随之转动,需在提环销上系2根钢丝绳,并将其固定在绷绳上,用来承受反扭矩。

钻井液通过水龙带、鹅颈管、冲管总成和动力钻杆短节进入钻具水眼,进行循环。

钻修井作业中,动力水龙头取代机械转盘和方钻杆驱动井下钻柱旋转;同时,也配合实现立根作业,提高钻/修井作业效率,在井下遇阻或坍塌时能及时上提钻柱,避免井下
事故发生。

PSW12型动力水龙头装置采用液压传动,主轴转速可测、可调,且传动
平稳。

它由动力头、液压动力单元、软管卷筒和液压-气动控制系统或电气控制系
统4部分组成,采用车载式或拖撬式结构。

PSW12型拖撬式动力水龙头装置如图1。

根据用户需要也可采用车载式或分撬方式,将动力撬和动力头分成2个撬。

柴油发
动机及其冷却系统和液压站集中在1个撬座上,动力头、软管卷筒和控制系统集中
在另一个撬座上。

4.1 动力头
动力头是动力水龙头装置的核心部件,由提环、变速箱、水龙头组件、提环销、动力钻杆短节和扭矩臂等构成。

动力头提环与普通水龙头的提环结构一样,上端与游车大钩连接,下端通过提环销和动力头的箱体连接。

变速箱内装有承受井下全部钻柱重力的主轴承,箱体上部设计有防跳轴承,下部设计有扶正轴承,用来防止主轴旋转时中心管摆动。

水龙头组件主要包括冲管总成、密封组件和鹅颈管,与变速器通过中间结构连接。

变速驱动部分包括齿轮减速机构和液压马达。

作业时,液压泵驱动液压马达带动动力头的变速机构,使主轴输出合适的扭矩和转速。

主轴工作时,井下产生的反扭矩通过主轴施加在扭矩臂上,扭矩臂再将扭矩施加在绷绳上[3]。

绷绳绷紧时,扭矩臂就限制了动力头的反转。

4.2 液压动力单元
液压动力单元由柴油发动机、柱塞泵、液压油箱和辅助装置构成。

柴油发动机驱动柱塞泵,柱塞泵驱动液压马达运转,同时,柴油发动机还驱动空气压缩机,给储气罐储气,保证气动系统正常工作。

液压油箱实现液压系统的油液循环、存放和散热功能。

辅助装置包括液压油冷却器、燃油箱和发动机的加热装置。

柱塞泵、液压马达和液压阀件组成闭式循环系统。

柱塞泵的流量与发动机转速成正比,并且可无级调节,动力头转速的无级调节就是通过调节柱塞泵的流量实现的。

闭式回路中变量泵的出油口和马达的进油口相连,马达的回油口和泵的进油口相联,组成一个封闭的回路,能够有效减小液压油箱容积。

闭式传动原理如图2。

4.3 软管卷筒[4]
软管卷筒单元主要由卷筒、变速装置、液压泵、液压马达、旋转接头、辅助支撑和液压胶管等组成。

需要收放液压胶管时,柴油发动机驱动液压泵,液压泵驱动液压马达和变速装置带动卷筒旋转,使液压胶管自动收起或放开。

液压动力单元在离开井口40～50 m的距离处工作,司钻操纵软管卷筒方向控制阀
手柄,液压泵驱动液压马达使软管卷筒正向旋转放开液压软管,同时,动力头从撬体上的本体支架移至井口,装于井架游车大钩上。

作业完成后,司钻操纵软管卷筒方向控
制手柄,使软管卷筒反向旋转,将主液压马达和其液压泵之间的液压软管整齐地收起来。

4.4 控制系统
动力水龙头装置的控制系统采用液压-气动或液压-电气控制2种方式,由用户选择,
其中包括扭矩控制、转速控制和功率控制。

施工现场采用远程控制,操纵液压和气
动控制阀对液压泵的排量和系统压力进行远程调节,从而对动力头主轴的转速和扭
矩进行设定和调节[5]。

当需要增加系统的功率输出时,通过加大柴油机油门,增加功率输出,而不需机械传动的换挡、停车或重新启动来调整转速和扭矩。

4.5 撬座单元
撬座分车载式和拖撬式。

车载式和拖撬式的撬体上安装着液压动力单元、软管卷筒、控制装置、冷却装置、空气压缩机、储气罐、工具箱和动力头支架及动力头。

工作时,操纵控制阀软管卷筒正向旋转,放开液压管线,动力头安装于井架大钩的吊卡上;不工作时,软管卷筒反向旋转,收起液压管线,动力头放回支架上。

车载式牵引方便,速度快,移运方便;撬装式对地面比压小,可在松软地面和沼泽地运行。

1) 是取代机械转盘和方钻杆的新型石油钻修井装备。

2) 轻便、机动性大,可用于开发油气井、煤层气井,也可用于海上平台打桩钻井等作业。

3) 采用液压驱动,输出扭矩和转速无级调节,可监测实际输出扭矩。

4) 能够实现立根作业,减少辅助作业时间。

5) 在井下遇阻或卡钻时,能够在钻进过程中迅速上提钻具,边循环,边旋转。

PSW12型动力水龙头采用全液压驱动,具有传动平稳、操作方便、电-气-机-液集
中控制与远程控制、输出扭矩大和移运方便等优点。

主参数的确定充分考虑了钻修
井作业工艺和国内外作业现状,具有实用性和针对性。

依据API Spec 8C—2003和我国石油钻机顶部驱动装置标准,笔者做了动力头拉伸载荷、动力头扭矩加载和液压系统运转等试验,结果表明,PSW12型动力水龙头各项参数能够满足油田钻/修井作业工艺要求,即将投放市场使用。

【相关文献】
[1] 胡辛,刘寿军.S-120动力水龙头在修井作业中的应用[J].石油机械,2002,30(7):69-70.
[2] 万仁傅,罗英俊.采油技术手册:第5分册[K].北京:石油工业出版社,1989:281-288.
[3] 李铭巍.浅议国外动力水龙头装置的发展[J].化学工程与装备,2008(5):91-93.
[4] 郑芸哲,齐明侠.基于西门子 PLC的司钻控制系统[J].石油矿场机械,2008,37(5):53-56.
[5] Loganoiltools Company.PS-85 LOGAN power swivel Manual[Z].。