第六章钻机驱动设备与传动系统
钻机驱动设备与传动系统
钻机驱动设备与传动系统1. 引言钻机驱动设备与传动系统是钻井工程中至关重要的部分，它们负责控制钻头的旋转和下压力，以实现钻井的顺利进行。
本文将介绍钻机驱动设备与传动系统的工作原理、主要部件以及常见故障处理方法，以增加读者对该系统的了解。
2. 工作原理钻机驱动设备与传动系统的工作需要运用机械原理和转动传动原理。
通过驱动系统的转动，可使钻杆和钻头产生旋转，实现钻进地层的目的。
同时，钻机的驱动系统还需要通过传动系统的设计和控制，调节钻头的下压力，确保钻进过程的稳定性。
3. 主要部件3.1 钻机主驱动装置钻机主驱动装置通常由电机和装有花键轮的变速箱组成。
电机作为驱动源，通过电路控制使变速箱中花键轮旋转，进而带动钻杆和钻头的旋转。
3.2 钻机主传动轴钻机主传动轴位于钻机主驱动装置和井口装置之间，负责将电机传递的动力传到钻杆和钻头上。
主传动轴通常由高强度合金材料制成，以承受大扭矩和重负荷。
3.3 钻机变速箱钻机变速箱位于钻机主驱动装置内，用于改变驱动装置输出的转速。
通过变速箱的设计，可以实现适应不同井深和地层条件下的钻井作业。
3.4 钻机离合器钻机离合器用于控制钻机主驱动装置的连接和断开。
在钻井作业中，需要频繁地进行钻杆和钻头的连接和断开，离合器的可靠性和灵活性对钻机的作业效率有着重要的影响。
3.5 钻机液压系统钻机液压系统用于控制钻杆下压力的调节和控制。
通过液压系统的工作，可以实现对钻杆下压力的精确控制，以适应不同地层的钻进要求。
4. 常见故障与处理方法4.1 电机故障当钻机主驱动电机发生故障时，往往会导致钻机无法正常工作。
处理方法包括检查电源线路是否正常连接，检查电机是否过热，以及检查是否存在电机绕组短路等问题。
4.2 变速箱故障变速箱是钻机驱动传动系统中的关键部件之一，一旦发生故障，会影响钻井作业的顺利进行。
常见的变速箱故障包括齿轮磨损、轴承故障等。
处理方法通常是对故障部件进行更换或修理。
4.3 钻机离合器故障钻机离合器的故障会导致钻杆和钻头的连接和断开无法正常进行。
石油钻采机械概论(1-6)
第三章 石油钻机总论及旋转设备
石油钻机或油、气钻机是指用来进行油气勘探、开发的成套钻井设备， 通称钻机。 陆用转盘钻机是成套钻井设备中的基本型式．即通常所说的钻机，也称 常规钻机。 为适应各种地理环境和地质条件，为加快钻井速度，降低钻井成本，提 高钻井综合经济效益．近年来相继研制了各种具有特殊用途的钻机， 如沙漠钻机、丛式井钻机、斜并钻机、顶驱钻机、且升飞机吊运的钻 机、小井眼钻机、连续柔管钻机等，可称为特种钻机。 整套钻机包括驱动与传动、旋转、起升、循环等系统设备，以及辅助设 备与测量仪表等。本章简要介绍钻机的组成、类型、基本参数与标准 系列、主要国产机械驱动与电驱动钻机传动方案、特点以及旋转设备。
5．涡轮驱动沼油泵采油 上部为轴流涡轮级，下部为轴流泵级， 共同固定在一根轴上，其问有止推轴承 和密封装置。地须提供的高压动力液通 过井口阀和中心油管进入井下机组的中 间部位，从涡轮级的下方向上流动，推 动涡轮级带动离心泵级转动，抽出地层 液。采出液自下向上流动，与乏动力液 混合，一起进入泊套管环形空间排出。
设备包括3部分：地面部分——游梁 式、链条式或液压式抽油机；井下部 分 ——抽油泵．又称深并泵；抽油机与 抽油泵连接部分——抽油杆。习惯上 将有杆泵上述3部分称作“三抽”设 备。动力机通过减速箱、曲柄连杆机 构和游粱等，将高速旋转运动变为抽 油机驴头的低速上下往复运动；井通 过悬绳器、光杆和抽油杆带动有游动 阀的柱塞，在深井泵筒中上下往复运 动，实现抽油．
第五节 油、水并的维护与修理
在油井自喷、抽油和注水过程中、由于地质、工程和人为等因素，常会 有一些影响生产的情况发生，有时还会出现油、水井或设备故障。因 此，必须建立一套系统的维护和修理工艺程序，并配备相应的设备。 一、油井清蜡及降粘技术 我国有些油田生产的原油含蜡量很高，开采过程中，无论蜡在油层内还 是在油管、集输管内析出．都会增加油流阻力，甚至堵塞油层影响生 产。因此，在开采过程中，油井清蜡、防蜡和降粘是开采含蜡原油的 主要措施之一。清蜡和防蜡技术由初期的机械清蜡、热载体循环清蜡， 已发展到电热清蜡、化学清蜡、微生物清蜡等，并且做到清、防结合， 以防为主，效果很好。 1．机械清蜡 以机械刮削方式清除油管、抽油杆及输油管中沉积的蜡物质，称机械清 蜡。
钻井的八大件
钻井的八大件：天车，大钩、游车、井架、泥浆泵、水龙头、绞车、转盘钻井作业的八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机等。
钻井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。
起升系统是为起升和下放钻具、下套管以及控制钻压、送进钻具服务的，钻具配备有起升系统。
起升系统包括绞车、辅助刹车、天车、游车、大钩、钢丝绳以及吊环、吊卡、吊钳、卡瓦等各种工具。
起升时，绞车滚筒缠绕钢丝绳，天车和游车构成副滑轮组，大钩上升通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升。
下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。
在正常钻进时，通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升，下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。
在正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。
旋转系统是转盘钻机的典型系统，其作用是驱动钻具旋转以破碎岩层，旋转系统包括转盘、水龙头、钻具。
在钻井现场我们观察到的钻具包括：方钻杆、钻杆、钻铤和钻头，此外还有扶正器以及配合接头等。
其中钻头是直接破碎岩石的工具，有刮刀钻头，牙轮钻头、金刚石钻头等类型。
钻铤的重量和壁厚都很大，用来向钻头施加钻压，钻杆将地面设备和井底设备联系起来，并传递扭矩。
方钻杆的截面为正方形，转盘通过方钻杆带动整个钻柱和钻头旋转，水龙头是旋转钻机的典型部件，它既要承受钻具的重量，又要实现旋转运动，同时还提供高压泥浆的通道。
钻机的动力和传动装置分析
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通常所说的柔特性，是指K值大的同时R值亦 大。即随外载变化时动力机自动增矩减速或减 矩增速的范围宽。
而硬特性则是K值大而R却小，即外载变化很 大时，动力机速度变化很小。
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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(能源)
费用。对柴油机，燃气轮机以耗油率来表征； 电动机则以耗电量，功率因素来表示。
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2.转盘 在钻进过程中，随着井深及岩层的变化，需
要及时改变钻压及转速。转盘要求动力系统的 力矩及转速调节范围是5～10。
在处理事故时，要求能细微调转速，又能倒 转。当钻具遇卡时，为了防止扭断钻杆，需要 设置限制力矩装置，达到限定力矩值时能自动 停止旋转。
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3.钻井泵 钻井泵一般利用变换缸套的办法来调节排
钻机的动力和传动 装置分析
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3.1概述 机械系统的动力装置(驱动装置或原动机)是机
械系统的重要组成部分。
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Байду номын сангаас
它是执行系统的动力来源，它的性能的优劣直接 决定着机械系统的工作性能和构造特征。因此，合 理选择机械系统的动力装置的型式变成为机械设计 中的重要问题之一。
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根据动力装置与执行机构之间的联系，分为 直接驱动和间接驱动两类。
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根据能量的转换方式，分电力驱动,内燃机驱动， 复合驱动等。
由于钻机在野外工作，因内燃机的机械特性不能 适应钻机工作，使柴油机直接驱动的钻机传动系统 相当繁杂。
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为了简化钻机传动系统，改善钻机的驱动性 能，钻机也采取复合驱动的型式，如内燃电 力驱动的电驱动钻机，内燃液力驱动的链条 钻机等。
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3.1.1 驱动设备特性指标和外特性 各类动力机有一些共同的技术经济指标，可
石油机械重点总结
杨笑源
Part Ⅰ重点
一、基本概念、填空
1、石油钻机三大工作机组包括（ 旋转设备 ）、（ 循环设备 ）和（ 起升系统设备 ）。 2、按驱动设备类型，石油钻机可以划分为（ 机械驱动钻机 )、（ 电驱动钻机 ）和（ 液压 钻机 ）三种。 3、按驱动方式，石油钻机可以划分为（ 单独驱动钻机 ）（ 统一驱动钻机 ）和（ 分组驱 动钻机 ）三种。 4、钻机主参数是表明钻机的（ 总体 ）性能、对钻机的其它参数有重要（ 决定作用 ）的 参数，我国钻机应用（ 名义钻井深度 ）作为钻机主参数。 5、名义钻井深度 Lmax 是指在标准规定的（ 绳数下 ）下，使用（ 127 ）mm 钻杆柱可钻 达的（ 最大井深 ）。 6、某钻机游动系统结构表示为 5×6，则游车滑轮数为（ 5 ）、天车滑轮数为（ 6 ），有效 绳数为（ 10 ）。 7、钩载储备系数是指（ 最大钩载 ）与（ 最大钻柱重量 ）的比值。钩载储备系数越大， 表明钻机下套管与处理事故的能力（ 越强 ）。 8、我国石油钻机一般设置 6 个起升挡数，即有 6 个起升速度。其中 1、2 挡为（事故）挡， 3～6 挡为起升挡。结构上的第 3 挡为起升的第（ 1 ）挡。起升第 1 档的起升速度 V1 一般 为（ 0.45 ）m/s～（ 0.5 ）m/s。 9、ZJ20 表示名义钻井深度上限值为（ 2000 ）m 的（ 链条 ）并车钻机；ZJ45D 表示名义 钻井深度上限值为（ 4500 ）m 的（ 电 ）驱动钻机。 10、机械传动钻机是指以（ 柴油机 ）为动力、通过（ 液力变矩器 ）、（ 链条 ）、（ 齿轮 ）、 （ 三角胶带 ）等不同组合传动形式所驱动的钻机。 11、地面旋转设备包括（ 转盘 ）、（ 水龙头 ）和（ 顶驱钻井装置 ）。 12、转盘作用包括旋转（ 钻具 ）、提供（ 破碎岩石 ）的能量。 13、水龙头作用包括（悬持）并允许钻杆柱旋转，保证（高压钻井液 ）的通过和密封。 14、转盘主轴承的作用是承受载荷。在静止时，承受最重（ 管柱 ）重量；旋转工作时，承 受方钻杆下滑造成的（ 轴向 ）载荷与 锥齿轮传动所形成的（ 径向 ）载荷。 15、转盘辅助轴承作用是（ 径向 ）扶正和（ 轴向 ）防跳。 16、转盘主辅轴承的布置方案包括（ 主辅轴承均布置在大锥齿轮下方 ）和（ 主辅轴承均 布置在大锥齿轮下上方 ）两种。 17、转盘的制动方案包括：制动（ 快速轴 ），并通过锥齿轮传动制动转台；直接制动（ 转 台 ）。 18、ZP—520 表示转盘的（ 通孔直径 ）为 520mm。 19、水龙头是钻机（ 提升 ）、旋转、（ 循环 ）三大工作机组 的（ 关节 ）部件。 20、水龙头由（ 承载 ）系统、（ 钻井液 ）系统与（ 辅助 ）系统所组成。 21、两用水龙头既具有普通水龙头功用，又可以在接单根时进行旋转（ 上扣 ）。 22、SL-450 表示水龙头所能承受的（ 最大静载荷 ）为 450tf。 23、顶驱钻井系统一般由（ 钻进马达—水龙头总成 ）、（ 钻杆上卸扣装置 ）和（ 导轨— 导向滑车总车 ）3 部分组成。
钻机机械传动
链传动的缺点是结构较为复杂、 成本较高，且链条的磨损较快，
需要定期维护。
轴和轴承
轴是传递扭矩和旋转运动的机械部件， 轴承则是支撑轴并降低摩擦的部件。
在钻机机械传动中，需要选择合适的 轴和轴承材料、结构和润滑方式，以 保证其承受大扭矩、高转速和高冲击 的能力。
轴和轴承是钻机机械传动的重要组成 部分，其性能和质量直接影响钻机的 稳定性和使用寿命。
便携式钻机具有轻便、易于携带和操作简单的特点， 但钻孔精度和效率相对较低。
04
钻机机械传动的优缺点
优点
高效稳定
机械传动结构简单，传动效率 高，能够保证钻机的稳定运行
，减少故障率。
耐久性强
机械传动部件承受力大，耐磨 损，寿命长，能够保证钻机的 长期使用。
维护方便
机械传动部件结构简单，拆装 方便，便于维护和保养，降低 了维护成本。
03
钻机机械传动的类型
固定式钻机
固定式钻机是一种常见的钻机类 型，通常安装在固定位置，通过 电机或柴油机驱动钻头旋转，实
现钻孔作业。
固定式钻机适用于大型工程和建 筑物的钻孔作业，如桥梁、高层
建筑等。
固定式钻机具有高效率、高精度 和高稳定性的特点，但移动不便，
需要预先安装。
车载式钻机
车载式钻机是将钻机安装在汽车上的一种类型，通过汽车的动力系统驱 动钻头旋转，实现快速移动和钻孔作业。
对维护要求高
虽然机械传动结构简单，但对其维护 要求较高，需要专业人员进行保养和 维护，以保证其正常运转。
05
钻机机械传动的维护和保养
定期检查
01
02
03
定期检查传动部件
包括齿轮、轴承、链条等， 确保其无磨损、无松动。
钻井主要设备的基本组成及功用
八、钻机的辅助设备
（1）组成 由供电、供气、供水、供油、器材储存、防喷设施、钻
井液的配制、储存、处理设施及各种仪器仪表等组成。
（2）作用 满足钻井工艺的各种要求。
二、钻井主要设备的基本组成及功用
1、井架 2、天车 3、绞车 4、游动滑车 5、大钩 6、转盘
7、水龙头 （动力水龙头） 8、钻井泵 9、动力机 10、联动机
4、游动滑车
（1）组成： 由上横梁、滑轮 、滑轮轴、侧板 组、轴承、下提 环及侧护罩等组 成。
（2）功用：
与 天 车 组 成 游 动 系 统 。
5、大钩
（1）组成： 由吊环、吊环
销、吊环座、定位 盘、弹簧、筒体、 钩身、轴承及制动 锁紧装置等组成。
（2）功用：
是悬挂水龙头 和钻具；悬挂吊环 、吊卡等辅助工具 ，可起下钻具和下 套管；起吊重物， 安装设备或起放井 架等。
游动系统。
3、绞车
（1）组成： 由支撑系统、传动系统、控制系统、 制动系统、卷扬 系统、润滑及冷却系统等组成。
（2）功用： 是起下钻具和下套管； 控制钻压；上卸钻具螺 纹；起吊重物和进行其 他辅助工作。
伊顿水冷盘刹的应用
2000M钻机绞车
70D钻机绞车
JC50D
卷扬系统
（主滚筒、 副滚筒、各 种猫头等卷 绳装置）
动力设备
10、联动机
联动机是指由动力机至工作机的传动装置。
（1）组成： 由并车、倒车、 减速增扭、变速 变矩及方向转换 装置等组成。
（2）功用：是将动力机发出的动力分配给各工作机。
一、钻机的主要系统和设备有： 起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动 系统、控制系统、动力驱动设备、钻机底座、 钻机的辅助设备。 二、钻井主要设备有： 井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、 水龙头、钻井泵、动力机、联动机、固控设备 、井控设备等。
钻机驱动设备与传动系统
钻机驱动设备与传动系统钻机驱动设备与传动系统是钻机的核心部件，它们对于钻机的性能和效率起着至关重要的作用。
钻机驱动设备和传动系统的设计和制造直接影响钻机的工作能力和稳定性。
钻机驱动设备包括发动机和液压系统。
发动机是钻机驱动的动力源，通常采用燃油发动机或电动机。
燃油发动机通常具有较高的功率和扭矩，适合于大型和重型钻机的使用；而电动机则更适用于小型和轻型钻机。
液压系统则是将发动机的动力转化为钻机工作所需的液压能量，通过液压泵、阀门和液压缸等部件实现钻机的各项功能，如旋转、推进、提升等。
传动系统则是将动力传递到钻机的工作部件，如钻杆、钻头等。
传动系统通常采用齿轮、链条、液力传动等方式，将发动机或液压系统产生的动力传递到钻机的工作部件上，实现钻机的旋转、推进和提升等操作。
传动系统的设计和制造需要考虑到动力的传递效率、稳定性和可靠性，以及对钻机工作部件的精准控制和调节。
总的来说，钻机驱动设备与传动系统是钻机的核心部件，它们直接影响着钻机的工作能力和效率。
优秀的驱动设备和传动系统能够提升钻机的性能，减少能源消耗，延长设备的使用寿命，提高工作效率和安全性。
因此，在钻机的设计和制造中，需要注重对驱动设备和传动系统的选择和优化，以实现钻机的高效、稳定和安全运行。
钻机的驱动设备和传动系统的设计和制造是非常复杂的工程，需要综合考虑多种因素，如功率输出、传动效率、负载承受能力、工作环境等。
在钻机领域，经常使用的驱动设备包括内燃机、电动机和液压驱动系统。
这些驱动设备再通过传动系统，将动力传递到钻机工作部件上，完成各项工作。
首先，内燃机是一种经常应用于钻机中的驱动设备。
它通常具有较高的功率和扭矩输出，适用于大型和重型钻机。
内燃机的优点在于其功率密度高、适应性广、使用寿命长。
它能够为钻机提供足够的动力，使钻机能够在各种地质条件下完成各项作业。
然而，内燃机的使用也会带来一定的挑战，如功率输出不稳定、噪音和振动较大、维护成本高等问题。
钻井的八大件
钻井的八大件：天车，大钩、游车、井架、泥浆泵、水龙头、绞车、转盘钻井作业的八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机等。
钻井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各级泥浆净化循环系统。
循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机等。
钻井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。
动力设备。
钻机的动力设备有柴油机、交流电机、直流电机，我们在钻井现场观察到的是柴油机动力。
起升系统、循环系统和旋转系统是钻机的三大工作机组，用来提供动力，它们协调工作即可完成钻井作业，为了向这些工作机组提供动力，钻机需要配备动力设备。
柴油机适应于在没有电网的偏远地区打井，交流电机依赖于工业电网或者是需要柴油机发出交流电，直流电机需要柴油机带动直流发电机发出直流电，目前更常用的情况是柴油机带动交流发电机发出交流电，再经可控硅整流，将交流电变成直流电。
传动系统。
传动系统将动力设备提供的力和运动进行变换，然后传递和分配给各工作机组，以满足各工作机组对动力的不同需求。
传动系统一般包括减速机构、变速机构、正倒车机构等。
由柴油机直接驱动的钻井多采用统一驱动的形式，6．水龙头16．指重表26．节流管汇36．储水罐7．吊卡17．司钻控制台27．泥浆-天然气分离器37．发电机8．方钻杆18．井场值班室28．脱气装置38．防喷器组9．方钻杆补心19．水龙带29．泥浆储备池10．方补心20．蓄能装置30．泥浆池1.钻井上所说的一开，二开，三开是什么意思？怎么区分？（1）第一次开钻（一开）：1.钻表层，下表层套管，固井；2.装井口；3.试压；4.防喷设备的安装。
石油工程概论复习重点--钻井部分
石油工程概论复习重点—钻井部分题型：名词解释(20分)；判断题(20分) ；简答题(60分)绪论1、 石油的定义：一种以液态形式存在于地下岩石孔隙中的可燃性有机矿产，是以碳-氢化合物为主体的复杂混合物。
没有确定的化学成分和物理常数。
又称原油。
2、 天然气的定义：与石油有相似产状的、通常以烃类为主的气体，指油田气、气田气、凝析气和煤层气。
甲烷成分CH4>80%3、 石油工程的定义：石油工程是根据油气和储层特性建立适宜的流动通道并优选举升方法，经济有效地将深埋于地下油气从油气藏中开采到地面所实施的一系列工程和工艺技术的总称。
包括油藏、钻井、采油和石油地面工程等4、 石油工程的任务：勘探发现具有工业油气流的含油气构造；制定合理的开发方案；进行合理的钻井设计和科学的钻井施工；制定采油工程方案，确定采油工艺技术；开发的动态监测与开发调整；采取有效措施，提高原油采收率5、 石油工程的目标：经济有效地提高油田产量和原油采收率第一章 岩石的工程力学性质1、 岩石的类型：根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。
钻井中常遇到的是沉积岩2、 岩石各向异性的概念：如果物体的某一性质随方向的不同而不同,则称物体具有各向异性岩石一般具有各向异性的性质。
如在垂直于或平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。
岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。
结晶矿物的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。
3、 不均质性: 如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。
4、 强度：岩石在外力作用下发生破坏时所承受的最大应力5、 抗压强度—岩石单纯受压缩应力破坏时的强度6、 岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力7、 硬度与抗压强度区别：前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。
％地质储量采出的油气总量油气采收率＝100前者反映岩石颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；后者反映岩石的组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响8、 塑性系数：岩石破碎前耗费的总功AF 与岩石破碎前弹性变形功AE 的比值9、 应力应变曲线：主要掌握塑脆性10、 影响岩石力学性质的因素：岩石结构；井底各种压力；载荷性质的影响11、 岩石可钻性：指岩石破碎的难易程度，可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。
钻井主要设备的基本组成及功用
10、联动机
联动机是指由动力机至工作机的传动装置。 （1）组成： 由并车、倒车、 减速增扭、变速 变矩及方向转换 装置等组成。
是将动力机发出的动力分配给各工作机。 （2）功用：
一、钻机的主要系统和设备有： 起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动 系统、控制系统、动力驱动设备、钻机底座、 钻机的辅助设备。 二、钻井主要设备有： 井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、 水龙头、钻井泵、动力机、联动机、固控设备 、井控设备等。
（1）组成： 由绞车、井架、天 车、游车、大钩及钢丝 绳等组成。 （2）作用： 主要作用是起下钻 具、控制钻压、下套管 以及处理井下复杂情况 和辅助起升重物。
二、旋转系统
（1）组成： 由转盘、水龙头（动力水 龙头）、井内钻具（井下 动力钻具）等组成。
（2）作用： 其主要作用是带动井内钻 具、钻头等旋转、破碎岩 石，连接起升系统和钻井 液循环系统。
钻井设备
安全经验分享
钻井主要设备的基本组成
本章节介绍的主要内容有：
一、钻机的主要系统和设备 二、钻井主要设备的基本组成及功用
结束
钻井主要设备的基本组成
一部常用石油钻机主要由动力机、传动机、工作
机及辅助设备组成。要具有起下钻能力、旋转钻
进能力、循环洗井能力。
主要设备有：井架、天车、绞车、游动滑车、大
三、钻井液循环系统
（1）组成： 由钻井泵、地面管汇、立管、水龙头、钻井液配 制净化处理设备、井下钻具及钻头喷嘴等组成。 （2）作用： 主要作用是冲洗净化井底、携带岩屑、传递动力。
四、传动系统
（1）组成： 由动力机与工作 机之间的各种传 动设备（联动机 ）和部件组成。 （2）作用： 是将动力传递并 合理分配给工作 机组。
钻井的八大件
钻井的八大件：天车，大钩、游车、井架、泥浆泵、水龙头、绞车、转盘钻井作业的八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。
在正常钻进时，通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升，下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。
在正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。
旋转系统是转盘钻机的典型系统，其作用是驱动钻具旋转以破碎岩层，旋转系统包括转盘、水龙头、钻具。
在钻井现场我们观察到的钻具包括：方钻杆、钻杆、钻铤和钻头，此外还有扶正器以及配合接头等。
其中钻头是直接破碎岩石的工具，有刮刀钻头，牙轮钻头、金刚石钻头等类型。
钻铤的重量和壁厚都很大，用来向钻头施加钻压，的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。
动力设备。
钻机的动力设备有柴油机、交流电机、直流电机，我们在钻井现场观察到的是柴油机动力。
起升系统、循环系统和旋转系统是钻机的三大工作机组，用来提供动力，它们协调工作即可完成钻井作业，为了向这些工作机组提供动力，钻机需要配备动力设备。
柴油机适应于在没有电网的偏远地区打井，交流电机依赖于工业电网或者是需要柴油机发出交流电，直流电机需要柴油机带动直流发电机发出直流电，目前更常用的情况是柴油机带动交流发电机发出交流电，再经可控硅整流，将交流电变成直流电。
传动系统。
传动系统将动力设备提供的力和运动进行变换，然后供钻井操作场所。
井架用来安装天车、悬挂游车、大钩、水龙头和钻具，承受钻井工作载荷，排放立根；底座用来安装动力机组、绞车、转盘、支撑井架，借助转盘悬持钻具，提供转盘和地面之间的高度空间，以安装必要的防喷器和便于泥浆循环。
辅助设备。
为了保证钻井的安全和正常进行，钻机还包括其他的辅助设备，如防止井喷的防喷器组，为钻井提供照明和辅助用电的发电机组，提供压缩空气的空气压缩设备以及供水、供油设备等。
钻机的驱动与传动资料重点
2020/10/27
石油钻采机械
钻机的驱动与传动
9
石油钻采设备 第一节 概 述
钻机的驱动与传动
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。
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石油钻采机械
12
石油钻采设备
第一节 概 述
钻机的驱动与传动
2．统一驱动方案
统一驱动：首先将2～4台动力机并车，然后再统一分配并传递给转盘、绞
车、钻井泵三工作机。
特点：1）装机功率利用率高；
2）各动力机可以互济； 3）驱动系统复杂，传动效率低，安装找正困难。 机械钻机广泛采用统一驱动方案。 示例1：三台柴油机由胶带并车统一驱动钻机 ZJ45J 。国产ZJ32J·2钻机也属此类型。 示例2：三台柴油机—变矩器由链条并车统一驱动钻机F320—3DH 。国产 ZJ45链条 钻机也属此类型。
石油钻采设备
钻井机械
钻机的驱动与传动
第五讲 钻机的驱动与传动
一、 概述 二、 柴油机直接驱动机械传动钻机 三、 柴油机加液力驱动机械传动钻机 四、 电驱动钻机
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石油钻采机械
1
石油钻采设备 钻 井 机 械
钻机的驱动与传动
第一节 概述
一、工作机的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
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）。
钻井工程理论与技术(第二版)课后题简答题答案
第一章钻井的工程地质条件1.简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层孔隙压力和基岩应力三者之间的关系。
答：静液压力：是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。
地应力：钻井工程施工之前存在于地下某点的应力状态为原地应力状态。
地层孔隙压力：岩石孔隙中流体所具有的压力。
也称地层压力。
上覆岩层压力：是指由上覆岩层重力产生的铅垂方向的地应力分量。
该处以上地层岩石基质和岩石孔隙中流体的总重力所产生的压力。
基岩应力：是指由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力。
也称有效上覆岩层压力或骨架应力。
地层破裂压力：地层某深度处的井壁产生拉伸破坏时的应力地层坍塌压力：地层某深度处的井壁产生剪切破坏时的应力上覆岩层的重力是由岩石基质（基岩）和岩石孔隙中的流体共同承担的，即上覆岩层压力是地层压力与基岩应力的和2、简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。
答：在稳定沉积过程中，若保持平衡的任意条件受到影响，正常的沉积平衡就被破坏。
如果沉积速度很快，岩石颗粒就没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒之间的压力。
由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，而下面基岩的支撑能力没有增加，孔隙中的流体必然开始部分地支撑本来应由岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力，从而导致了异常高压。
3、简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、孔隙度、声波时差和dc指数随井深变化的规律。
答：所以随井深的增加，地层中岩石密度逐渐变大，而岩石的孔隙度变小。
随着井深的增加，岩石的强度增大。
在正常地层压力井段，随着井深增加，岩石的孔隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。
在正常地层压力情况下，机械钻速随井深增加而减小，d指数随井深增加而增大。
所以dc指数也随井深的增加而增大。
4、解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力。
答：在井下一定深度的裸露地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。
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单独驱动方案。
l
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。但装机
功率利用率低，动力机不能互济。
第六章钻机驱动设备与传动系统
l b、统一驱动方案
l
这种方案是转盘、
绞车、钻井泵三工作机
由2～4台动力机并车
统一驱动。
l
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
第六章钻机驱动设备与传动系统
l 液力变矩器依结构特点可分为： l a、按涡轮级数分：单级，如国产WB型；多级，
如罗马尼亚CHC型（3级）。 l b、按涡轮内液流流向分：离心式、向心式、轴流
式。
液力变矩器类型图 （a）离心式（b）向心式（c）轴流式
第六章钻机驱动设备与传动系统
YB900液力变矩器
l YB900变矩器是北京石油 勘探开发研究院机械所、 大连内燃机车研究所和四 川石油管理局共同研制的 单级充油调节离心液力变 矩器，与PZ12V190B-1柴 油机匹配，用以取代 CHC750变矩器、 MB820Bb柴油机，作为 F320钻机动力机组及国产 深井、超深井机械驱动钻 机如 ZJ32J-5和 ZJ60L的 动力机组。
l ① 外特性 l 油泵齿条固定于供油量最大
位置时
l 外特性是正确选择及合理 使用发动机的基础
l Z12V190B型柴油机外特性 曲线
第六章钻机驱动设备与传动系统
② 负荷特性
l 定转速下，ge,GT,tr,pk随功率Ne 而变化的规律，称负荷特性，其 中GT为每小时油耗。
l 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。 Z12V190B型柴油机负荷特 性曲线。
工作油温/℃
外型尺寸/mm
26000 70～100℃
-
第六章钻机驱动设备与传动系统
6.3 柴油机驱动钻机工作特性
l （1）绞车、转盘、钻井泵负载特点及对驱动特性的要求
l ① 绞车
l 按绞车工作特点，对动力机组的要求是：
l a、能无级变速，以充分利用功率，速度调节范围5～10。
l b、具有短期过载能力，以克服启动动载、振动冲击和轻 度卡钻。
l (1) 驱动设备的特性指标
l ① 适应性系数Ks
l Mmax——动力机稳定工作状态时的最大扭矩； l Me ——动力机额定（标定）功率时的扭矩。 l Ks值大小表明动力机适应外载变化的能力。值大，表
明动力机过载能力大。
第六章钻机驱动设备与传动系统
l ② 速度范围R
l nmax——动力机最高稳定工作转速； l nmin ——动力机最低稳定工作转速。 l 同一根轴上
了柴油发电机组。
l
我国除卡特3500系列柴油机外，还大量使
用底特律（DDC）公司的4000系列柴油机。
第六章钻机驱动设备与传动系统
6.2 石油钻机液力传动装置
l 石油钻机传动装置有机械式的也有其他形式 的，机械式如螺旋、齿轮、皮带、链条、万 向轴等。石油机械功率大，工况特殊，有些 制定了专用标准，如套筒滚子链，石油钻机 用万向联轴器等。但这些传动装置与一般机 械相同。
若外载超过Me点，发动机将在超
负荷工况下运行，动力性和经济
性指标都会变坏，这是不利的。
第六章钻机驱动设备与传动系统
④ 通用特性
l 最内层的等油耗率曲线 表明发动机最经济的工 作范围。
l Z12V190B柴油机的通 用特性曲线
第六章钻机驱动设备与传动系统
(4) 石油机械常用柴油机
l ① Z190系列钻机柴油机
第六章钻机驱动设备与传动系统
② 机械传动钻机的特点
l
钻机机械驱动方案一般采用统一驱动或分组驱
动。这需要将几台柴油机的动力合在一起，这就是
并车，机械驱动的钻机采用皮带并车，早期使用E型 三角胶带，现在广泛使用的是窄V三角胶带。
l
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。
第六章钻机驱动设备与传动系统
l YB900变矩器技术特性
输入功率/kW（马力） 610（830） 补偿压力/MPa
输入转速/（r/min）
1200
冷却系统最大散 热量/（kCal/h）
0.13～0.25 170000
最高效率/% 启动变矩系数/K 循环圈有效直径/mm
88～90 6.4 900
输出制动扭矩 /Nm
l 除此外，石油机械还常用液力传动装置如液 力变矩器，液力偶合器等，本节主要介绍这 些传动装置。
第六章钻机驱动设备与传动系统
(1) 液力偶合器
l 液力偶合器的主动轴经 离心泵将能量传给工作 液，工作液又经涡轮将 能量传给从动轴，即：
第六章钻机驱动设备与传动系统
l 因此，液体通过它在离心泵和涡轮机中的循环 流动，实现运动的连续传递和能量的连续转换。
第六章钻机驱动设备与传动系统
l ③ 动力机比质量
l 定义：每单位功率（kW）的质量，用KG 表示：
l
(kg／kW)
l G ——动力机（包括必备的附件）的质量， kg；
l Ne——额定功率，kW。
第六章钻机驱动设备与传动系统
l ④ 燃料（能源）的经济性
l
指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
带燃料都可工作，这对勘探和开发新油田是非常重
要的。
l
② 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，以增加总
装机功率，从而减少柴油机品种。
第六章钻机驱动设备与传动系统
l ③ 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 外载增加超过时，柴油机便超过外特性；
l
济南柴油机厂研制生产的Z190系列柴油机包括
有 Z8V190，Z8V190-1，Z8V190-2和Z812V190B，
Z12V190B-1，Z12V190B-2等基本机型及相应的
配套机座（即带有风扇、水箱和底架的动力机组，
如PZ12V190B）。此外，还发展有能适应不同环
境、满足不同性能要求的专用机型。
第六章钻机驱动设备与传动系统
第六章 钻机驱动设备与传动系统
l 6.1 石油机械常用动力装置 l 6.2 石油钻机液力传动装置 l 6.3 柴油机驱动钻机工作特性 l 6.4 电驱动钻机工作特性 l 6.5 传动系统及其部件设计 l 6.6 传动系统的变速设计
第六章钻机驱动设备与传动系统
6.1 石油机械常用动力装置
l
Z190系列柴油机是国产钻机用动力机，也可用
于固定发电、船舶、内燃机车及其他工程机械。
第六章钻机驱动设备与传动系统
Z190系列柴油机基木型号与规格、主要技术参数
第六章钻机驱动设备与传动系统
② 电驱动用柴油机
l
为满足电动机对动力—柴油机发电机组的
需要，济南柴油机厂研制了一种新型1000kW的
柴油机A12V190ZL。并以该机为原动机，开发
1.05～1.15 1.5～3.5 1.6～4.0
1.5～2.2（短期）
1.3～1.8 1.5～2. 5 1. 5～2.5
1.5
第六章钻机驱动设备与传动系统
（2）柴油机驱动的特点
l
柴油机是石油机械使用最广泛的动力机械，主
要是因为它具有以下的特点：
l
① 不受地区限制，具有自持能力。无论寒带、
热带、高原、山地、平原、沙漠、沼泽、海洋，自
第六章钻机驱动设备与 传动系统
2020/11/28
第六章钻机驱动设备与传动系统
第六章 钻机驱动设备与传动系统
教学内容和课程基本要求
l 驱动类型，典型驱动方案； l 工作机对驱动特性要求； l 柴油机驱动特性，柴油-液力驱动特性； l 电驱动特性：直流电动机机械特性，交流
电动机机械特性； l 传动系统的变速设计。
l c、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。
l
综上，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。
第六章钻机驱动设备与传动系统
l ② 转盘
l 钻井工艺对转盘的工作有以下要求：
l a、转速调节范围R＝5～10。
l b、能倒转、能微调转速以处理事故。
第六章钻机驱动设备与传动系统
③ 调速特性
l
在调速器起作用时，保持调
速手柄位置一定，柴油机性能指
标随转速或负荷变化的关系。
l
由调速特性知，装有全制式
调速器的柴油机，负荷可以在很
大范围内变化，而转速则可维持
＜5％的变化。调节油门手柄位
置，可得到一系列形状类似的调
速线。
l
在选择匹配和操作使用柴油
机肘，都应让它在调速线上工作。
围R=1.3～1.5，以充分利用功率；允许短期过
载，以克服可能出现的蹩泵。
第六章钻机驱动设备与传动系统
（2）柴油机-机械传动钻机工作特性
l ① 机械传动方案
l 统一驱动、分组驱动和单独驱动
l a、单独驱动方案
l
转盘、绞车、钻井泵三个工作机
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
l
变矩器结构如图所示。导轮与外壳相连，是不转
动的，叶片大都为空间扭曲形状。与偶合器相比，多
了一个固定不动的导轮，性能便大不相同。当泵轮扭