6000hp石油钻井绞车技术分析

#应用技术!

6000hp 石油钻井绞车技术分析

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姚爱华 贾秉彦 侯文辉 徐小鹏 樊春明

(宝鸡石油机械有限责任公司)

摘要

,研制开发了4410k W (6000hp)

石油钻井绞车。介绍了6000hp 石油钻井绞车的传动方案及结构形式,对绞车提升性能进行了分析,同时分析了绞车模块化、高速大功率齿轮减速箱、超大型绞车滚筒体、液压盘式刹车以及电动机等关键技术。厂内试验表明,该绞车滚筒转速最高为250r /m i n ,噪声低于90dB ,轴承温升及油池温升均不高于40e ,无漏油现象

,控制阀件灵敏可靠。试验结果基本达到最初的设计要求。 关键词 绞车 交流变频 齿轮减速箱 0 引 言

近年来,为了不断满足我国油气勘探开发的需要,宝鸡石油机械有限责任公司相继开发了多种规格和型号的新型石油钻机,特别是国内首台9000m 钻机的研制成功极大地提升了我国石油钻井装备的技术水平。但是随着油气勘探开发工作不断向纵深发展,特深层油气藏的开发已被提到议事日程。在此情况下研制12000m 特深井钻机显得尤为迫切和必要。中国石油天然气集团公司于2006年将该项目列入重大专项研制项目。国家科技部于2006年底批准将12000m 钻机研制列为国家/十一五0863计划重大项目。4410k W (6000hp)石油钻井绞车设计研究是/万米深井钻探装备研制0中重要的子课题。6000hp 石油钻井绞车是国内第1台能够达到钻深12

动,全齿轮传动,单滚筒轴、多运输单元的分块模式等,是国内具有完全知识产权的新型绞车。

1 传动方案及结构分析

111 传动方案

通过详细的方案设计,4410k W (6000hp)

石油钻井绞车最终的传动方案见图1。由图可知,

该绞车传动分为2个系统,即由4台1100k W 交流变频电动机为动力的主传动系统和由2台37k W 小电动机为动力的自动送钻系统。

图1 绞车传动方案

绞车由4台1100k W 的交流变频电动机作为主动力,分别由左、右齿轮箱经一级齿轮传动后驱动单滚筒轴,绞车整个变速过程完全由主电动机交流变频控制系统操作,实现钻具的快速提升、下放和零转速悬停等。绞车自动送钻由2台37k W 的小交流变频电动机驱动,经大扭矩、大传动比减速后,将动力输入左右减速箱输入轴,经一级齿轮减速后带动滚筒轴完成自动送钻过程。正常情况下该装置作为自动送钻用,一旦主电动机出现异常,该装置可以作为应急用,活动钻具并可提起最大钻柱重力。

112 主要技术参数

额定输入功率:4@1100k W;

)

58)

石 油 机 械

CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY

2009年 第37卷 第1期

*基金项目:国家/十一五0863计划重大项目/万米深井钻探装备研制0(2006AA06A110)的部分研究内容。该绞车已申报国家专

利,专利申请号:20072003185212。

最大快绳拉力:850kN;钢丝绳直径:48mm;

挡数:1正1倒(无级调速);滚筒转速:0~328r /m in ;

开槽滚筒尺寸(直径@长度):1132m @2131m ;自动送钻钩速范围:0~0101m /s ;

绞车外形尺寸:12100m @3138m @3126m 。113 结构特点

(1)4台交流变频电动机分别经2台一级齿轮减速箱减速后驱动绞车滚筒。在左、右2台齿轮箱前部对称布置2台37k W 交流变频电动机驱动的直角减速箱,经齿式离合器和一级齿轮减速后带动单滚筒。

(2)绞车配套的4台主电动机、2台齿轮减速箱和2台独立送钻装置均为对称布置。绞车为单滚筒轴型式,滚筒为整体开槽分瓣焊接结构。绞车采用主电动机和独立电动机实现自动送钻功能。刹车采用液压盘式(双盘

)刹车与电动机能耗制动相组和方式。液压盘式刹车配双刹车盘,设常闭、常开钳,独立盘刹液压站。

(3)绞车结构的设计考虑既可分为3个独立的运输单元,也可组合在一起构成一个运输单元。满足铁路、公路的运输要求。

2 提升特性分析

的12000m 钻机()来计算分析绞车的提升特性。绞车的提升特性反映为大钩钩载Q 大钩与大钩钩速v 大钩的关系。

大钩钩载Q 大钩可由下式计算,即

Q 大钩=

2T 电i G 传动G 游Z

1000D 平

(1)

式中 T 电)))驱动电动机的扭矩,该绞车选用4台1100k W 交流变频电动机为动力,根据其扭矩-转速特性,其曲线分为3段:恒扭矩段、恒功率段和降功率段;

i )))齿轮减速箱传动比;

G 传动)))传动系统总效率; G 游)))游动系统效率,G 游=01755(7@8绳系);

Z )))支承游车载荷的钢丝绳根数,7@8绳系时Z =14;

D 平)))滚筒平均直径。

大钩钩速v 大钩可由下式计算,即

v 大钩=

P D 平n 电

60zi

(2)

式中 n 电)))电动机转速,

r/m i n 。

根据电动机扭矩-转速特性参数,利用公式

(1)、(2)计算7@8绳系下的大钩钩载、钩速,并绘制该绳系下的提升曲线,如图2所示。

图2 提升曲线

由图2可以看出,钩速在0~0140m /s 范围内时,钩载和快绳拉力为恒定值,设计最大起升钩载为9000kN,最大快绳拉力851kN,绞车可以利用这段曲线起升钻机最大载荷;钩速在014~1134m /s 和1134~1185m /s 范围内分别对应恒功率区间和降功率区间,绞车可以利用这2个速度区间实施正常钻井作业,并利用接近最大钩速值解空吊卡,利用小于或等于0165m /s 钩速提升钻机最大钻柱重力等。

3 关键技术分析

4410k W (6000hp)石油钻井绞车设计在我国尚属首次,该绞车传递的功率较常用的1470k W (2000hp)绞车增大了许多,因此在设计过

程中有许多技术问题需要研究和解决。311 模块化设计

一般国内绞车设计宽度尺寸必须控制在313m 以内,高度尺寸控制在311m 以内,而单元运输质量不宜过大。

根据此要求优化出既可作为一个整体单元独立运输,又可分为3个独立模块分体运输的绞车方案。绞车滚筒轴及刹车系统安装在1个大底座上,构成1个运输单元,绞车两端电动机、减速箱、自动送钻装置分别安装在2个小底座上,构成2个独立运输单元,并且最大单元质量不超过45;t 有效地解决了绞车的长途运输和搬家问题。而且3个独立模块拆装简单方便,不需要找正。

)59)2009年 第37卷 第1期姚爱华等:6000hp 石油钻井绞车技术分析