石油钻采设备

一、工作机的负载特点及对驱动特性的要求：

1．绞车

理论功率曲线：QV＝C是理想功率曲线,即图中曲线1

工作特点: 绞车的载荷曲线

是沿曲线2 ？*

实际功率曲线：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。

绞车对驱动传动的要求是：

(1)能无级变速，以充分利用功率，速度调节范围

(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。

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。

2、转盘对驱动传动的要求

1)在钻井过程中，为适应不同的岩层，转盘的转速需要较大范围的调节。

2)在处理井下事故时，还要求微调转速，并且能够倒转。

3)当偶然卡钻时，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，具有过载保护能力。

转盘对驱动传动的要求是：

1）要有一定的柔特性，调速范围较宽，R＝5～10；

2）能倒转、能微调转速以处理各种事故；

3）能够无级微调，有限制扭矩装置，防止过载扭断钻杆速。

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、泥浆泵对驱动传动的要求

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。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。

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、典型驱动方案

1.单独驱动方案

单独驱动：转盘、绞车、钻井泵三工作机组，各自由独立的动力机进行驱动。

特点：

1）传动系统简单、效率高；

2）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；

3）但装机功率利用率低，动力机不能互济。

示例（见下页图）电驱动钻机大都采用如图所示的单独驱动方案，如国产ZJ50DBS、ZJ70DBS

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。

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。

典型示例：

1、国产ZJ50D电动钻机属此类型：转盘、绞车共用一组电动机驱动，钻井泵由另一组电动机驱动。

2、国产ZJ45D丛式井钻机属此类型：钻台上，两台直流电动机驱动绞车，并可通过绞车去驱动转盘；钻台下，4台直流电动机二对一驱动两台钻井泵。

3、国产ZJ70LDB钻机（转盘独立电驱动钻机）

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。

三、机械传动系统

1．并车

现代机械驱动钻机都采用两台以上驱动机组，因此存在并车问题。广泛采用的并车方式是：柴油机直接驱动，胶带并车传动，如ZJ32J—2 ，ZJ45J ；柴油机—液力驱动，链条并车传动，如ZJ45 。

2．倒车

转盘需要倒车，绞车和泥浆泵一般不需要倒车。

3、变速

绞车和转盘需要不同的转速，动力机不能提供

所有的条速范围，必须设置一定的机械档，机械

钻机需要的机械档位更多。

四、柴+液力驱动—机械传动

1、液力传动基本原理

柴油机输出轴带动离心泵叶轮旋转，离心泵从液箱吸液，沿排液口高速排出，高速流动的液体冲击涡轮叶片，使其旋转，将能量经涡轮轴输出。

最大的特点：柴油机输出轴与涡轮轴没有机械连接，而是通过液体将它们联系起来，实现了动力的传递。这种依靠液体的动能实现动力传递的方式称作液力传动。

2、液力传动的优点

1）传动性能柔和。当负荷变化时，可以自动无级地调节速度，某些液力传动装置还能改变输出扭矩，从而能充分利用动力机所配备的功率。

2) 能吸振、隔振。它可以消防来自柴油机的扭转振动和来自工作机的动载影响，大大提高了从动力机到工作机有关设备的使用寿命。

3) 可以防止过载，对柴油机和工作机起保护作用，不会使柴油机憋灭火。

4）能在运转和负载条件下挂档，操纵方便，易于实现自动化。

液力传动的缺点

1）传动时的功率损失较大，效率较低。

2）需要一些附加设备，如冷却散热系统，压力补偿系统等，因而比机械传动复杂，制成本较高。

3) 用于低速传动时，其结构尺寸过大，故一般只适用于高速传动。

总之，液力传动是一种优良的传动装置，在内燃机车、汽车、各种军用车辆、工程机械和石油钻采机械等以内燃机为动力机的设备中，都得到广泛的应用。

3.液力偶合器基本组成和工作原理

基本组成： 1-输入轴（功率输入） 2 -泵轮（将机械能转化为液压能） 3-涡轮（将液压能转化为机械能） 4-输出轴、（功率输出）5.泵轮壳、(提供密闭空间) 工作原理：在泵轮、壳体围成的密闭空间内充满液体（前提）。泵轮在动力机带动下高速旋转（功率输入），泵轮内的液体在离心力的作用下沿半径向外抛出，在泵轮叶片构成的流道的引导下，沿泵轮出口流出（机－液），冲击涡轮叶片，推动涡轮旋转（液－机）。然后在涡轮叶片构成的流道的引导下，进入泵轮入口。依此不断循环，实现动力传递。从空间看，液体在循环圆内做空间螺旋管运动。

4.液力变矩器基本组成和工作原理

1）基本组成：变矩器主要元件有：1－输入轴（转矩输入）2－泵轮（机－液）3－涡轮（液－机）4－输出轴（转矩输出）5－导轮（输出转矩调节）6－壳体（提供密闭空间）其中，导轮与壳体相连。由于多了导轮，使得变矩器的性能与偶合器大不相同。

2）工作原理：在壳体、导轮围成的密闭空间内，充满油。泵轮在动力机带动下高速旋转，泵轮内的油在离心力的作用下沿半径向外抛出，直接进入涡轮流道进口，冲击涡轮叶片，推动涡轮旋转。由涡轮流出的油进入导轮入口，然后在导轮叶片构成的流道的引导下，进入泵轮入口。依此不断循环，实现动力传递。从空间看，液体在循环圆内做空间螺旋管运动。

五、起升系统的组成和功用：

1、组成：起升系统是钻机的三大工作系统之一,由井架、游动系统、绞车等组成。

2、作用：1）承受作用于大钩的全部载荷；在正常钻进时，为最大钻柱重量；下套管和处理事故时，为额定最大钩载；2）进行起、下钻作业；3）控制钻压

六、游动系统

1、组成: 由天车、游车、大钩和钢丝绳组成。天车——定滑轮组—改变力的方向；游车——动滑轮组—改变力的大小; 钢丝绳和大钩。游动系统的表示：动滑轮数×动滑轮数；如5×6，表示游车有5个动滑轮，天车有6个定滑轮。有效绳数值实际分担钻柱重量的钢丝绳数，为动滑轮数的2倍。

2、工作原理：天车、游动滑车用钢丝绳联系起来组成复滑轮系统。它能大大降低快绳拉力，从而大大减轻钻机绞车在起下钻、下套管、钻进、悬持钻具等钻井各作业中的负荷。

七、大钩

1.作用：上挂（接）游车，下挂钻柱（水龙头）。石油钻机用大钩一般都是三钩(一主钩，两侧钩)。按制造方法不同，钩身有锻造的、钢板组焊的(DGl—130)和铸造的(DJ)，后者轻便