石油钻机绞车及部件的发展现状与趋势

石油钻机绞车及部件的发展现状与趋势

一：钻机绞车的发展现状与趋势

1.1 钻机绞车概述

在石油钻井领域，绞车是钻机核心部件，直接决定着钻机钻进能力。有些国家把绞车称作钻机。钻井绞车一般由动力、变速机构、滚筒、离合器、刹车等部件组成。绞车在钻井过程中具有起下钻具、下套管、控制钻进过程钻压和整体起立井架等功用，它工作特点是操作使用频繁，变速范围宽、载荷变化大。绞车有多种多样用途，这就要求绞车的结构和种类有所不同[2-3]。

1.2 国内钻机绞车发展现状

我国钻机和国外先进水平还存在差距，主要表现在如下几个方面：

(a) 可靠性较差：目前国内浅井钻机主要表现在绞车变速箱故障率高，直接影响钻井效率、钻井速度，增加钻井成本。

(b) 实用性较差：配置单一，增加了一些不必要的费用。

(c) 机械钻机用动力机组：调速性能差，直接影响使用和节能。选用产品单一，普遍采用济柴厂生产的柴油机。

(d) 电驱动钻机：电子产品质量及电系统主要部件仍依赖进口。

(e) 运移性差、搬家安装慢。

(f) 配套水平低，设备备件多，标准化程度低。

(g) 外观质量形状差，油漆脱落严重，没有一套严格的喷漆工艺。

(h) 资料不全，专用设备API认证少，安全防爆国际规范化不够。

1.3石油钻机绞车发展趋势

向交流变频电驱动（AC-VFD-AC或AC-GTO-AC）绞车的石油钻机是当今发展方向。与普通电驱动绞车、AC-SCR-DC电驱动绞车及其它机械传动绞车相比，AC变频电驱动（AC-VFD-AC或AC-GTO-AC）石油绞车具有钻井性能好、启动平稳、过载性能强、恒功率调速范围大、功率利用率高、电动机无电刷火花隐患等独特优势，可简化绞车结构(两档、3轴或两轴和单轴、高低速离合器换档、取消辅助刹车、采用盘式刹车)、指标先进、适应性强、经济性好、可靠性高等优点，已经成为当今四大新技术之一，成为新一代石油钻机关键设备。

二：石油钻机绞车盘式刹车系统现状与趋势

绞车的刹车机构包括主刹车和辅助刹车。现场不止一次因刹车不可靠而发生重大六钻事故，造成设备损失、井下事故，甚至危及工人的人身安全。在现场可看到，钻井过程中司钻手不离把。如果刹车机构不灵活、省力，将大大加重司钻的体力劳动强度，将来操作的不方便生产实践表明：刹车机构是钻机的重要部件，石油矿产机械工作者要充分重视。

刹车按作用分为带式、块式、盘式等，石油矿产主要用带式，近年来盘式发展很快。辅助刹车主要有水刹车及电磁涡流刹车两种。水刹车结构简单，广泛用于钻井绞车上作为减速机构刹车。电磁涡流刹车是近年来发展起来的，性能好，我国已设计制造系列电磁涡流刹车，正广泛用于各级钻机[6]。

盘式刹车的各项性能指标均优于带刹车，现概括如下：

(a) 制动效能稳定，热稳定性和水稳定性均好。

(b) 刹车灵敏度高，操作轻便，调整、维修方便。

(c) 散热性能好，受力状态尤佳，比压均匀。

(d) 结构紧凑，刹车力矩容量大，安全性和可嚣性大大提高。

带刹车由于自身结构和固有供能特性的原因，已难以适应现代钻井、修井工艺的要求。盘式刹车是取代带刹车的理想刹车系统和换代产品。

2.1 国内钻机盘式刹车发展应用

1998年，北石所以PSZ75型深井、超深井盘式刹车为突破口，将液压盘式刹车装置设计进一步优化，形成目前的制动执行机构、液压站和操作台3大模块，以方便在新旧钻机上安装使用。制动执行机构采用先

进的常开式工作钳和常闭式安全钳复合式结构，更适合钻机作业工况要求；液压系统采用冗余设计，具备双油源、双回路、多重保护功能，提高了安全性和可靠性；液压站设计为全封闭的内外箱结构，外箱为防护箱，以适应油田野外施工作业环境。该液压盘式刹车装置可以实现工作制动、紧急制动、过卷保护以及驻车制动等功能，而且操作灵敏、省力、可靠，全面提高了钻机的控制精度，保证了配置盘式刹车的钻井绞车的使用安全性。

经过几年的使用和改进，盘式刹车技术更加成熟和完善。目前，北石所的该项技术产品已初步形成系列。

2.2 钻机盘式刹车发展趋势

盘式刹车是一项推广价值极高的技术，它将会给钻井、修井设备和工艺技术带来一系列变革和技术飞跃，其技术价值、社会经济效益是显而易见。

(a) 刹车盘的结构改进：除有风冷和水冷结构之外，由于刹车力矩储备较大，在中小型石油钻机中，有可能减少一个刹车盘，只用一个刹车盘，简化刹车结构、降低成本、提高指标。

(b) 刹车钳的结构改进：取消双活塞液缸和杠杆增力机构，改为两个液缸直接控制刹车块将工作刹车钳由常开式改为常闭式结构，用工作刹车钳代替紧急刹车钳。在每个刹车盘上只用一种常闭式工作刹车钳。减少品种、通用性和互换性好，易损件储备品种也大大地减少。

(c) 自动送钻与盘式刹车一体化技术：它具有送钻更均匀、钻井质量高、取芯率高、井眼轨迹偏斜小、经济效益好、事故少等优点。

三：石油钻机绞车自动送进技术现状与趋势

3.1 概述

石油钻机在使用带式刹车时，司钻手扶刹把，眼看转盘和指重表或钻井参数仪，刹车力完全由司钻作用在刹把的力产生，司钻手感明显。在使用盘式或伊顿刹车后，与带式刹车相比较，司钻体力消耗虽然明显减少，但精神常常处于紧张状态。

自动送钻目的就是使钻头对井底的钻压保持设定的恒定值，实现这一目标的手段是控制主滚筒的刹车，适时向井底送进钻头。如果能在井底钻压和滚筒刹车之间建立直接或间接的自动控制关系，就可以实现自动送钻。自动送钻的基本原理就是由死绳锚感知大钩载荷，与输入的设定钻压对比，对比结果送入中央处理器处理。由中央处理器控制刹车装置的控制系统，自动控制游车大钩和钻杆的运动，从而实现自动送钻。

3.2 国外自动送钻技术的现状与趋势

从钻井发展历史来看，整个钻井控制的发展大致可分为三个阶段。即司钻控制阶段、自动控制阶段、全面最优化自动控制阶段。就世界范围来讲。五十年代前为司钻控制阶段。七十年代以后，由于电子技术和自动化技术的应用与发展，出现了最优化钻井，开始时只是在部分钻井参数上优化，其发展方向是全面最优化自动控制钻井自动控制给进的歃点在于，只能根据司钻给定的钻压值进行恒钻压钻井，钻井的其它参数均不是最优值。给定的钻压值不能根据地层的变化而合理改变，也不是最优值。全面最优化自动钻井，各种参数在钻井过程中均在变化，并且保持着最优值钻井，所以具有最优的经济效益[11]。

3.3 国内自动送钻技术的现状与趋势

随着盘式刹车装置的不断改进及逐步推广使用，以及电一液、电一气一体化控制元件和电子控制技术不断完善，机电一体化的盘式刹车自动送钻装置将成自动送钻装置的发展方向。特别是在深井、超深井、定向井钻井中将有广阔的市场。由于在中深井钻井中，盘式刹车有取代带刹车的趋势，在这一领域，盘式刹车自动送钻装置也有一定市场。