交流变频钻机

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9000m交流变频钻机的研制

王进全　贾秉彦

(宝鸡石油机械有限责任公司)

摘要　针对目前国外9000m钻机技术水平落后,不能实现自动化、智能化操作,无法满足现代超深井、复杂井以及欠平衡钻井等复杂工况要求的状况,研制了我国首台9000m交流变频钻机。该钻机采用全数字交流变频和直流控制技术相结合,钻机的传动、控制及井架、底座等关键技术和集成技术达到了国际陆地钻机领先水平。现场应用表明,该钻机的各项性能指标达到了设计要求和现代钻井工艺要求。

关键词　超深井钻井　交流变频电动钻机　结构特点　技术创新

引 言

早在2001年9月宝鸡石油机械有限责任公司就开始了9000m钻机的申请立项工作。2002年1月经中石油集团公司科技发展部推荐获国家经贸委(现国家发改委)“十五”国家重大技术装备研制(科技攻关)立项。自此,9000m钻机的研发被列入宝鸡石油机械有限责任公司的议事日程。在中油集团科技发展部的统一组织和协调下,2004年下半年,新疆石油管理局根据勘探开发工作需要,正式提出购买9000m钻机的计划,并很快落实了总体要求和相关配套技术要求。2004年12月,总体方案通过了中油集团公司组织的专家会议评审。按照会议要求,宝鸡石油机械有限责任公司加快了研发步伐,并于2005年11月试制成功了具有我国自主知识产权的首台9000m交流变频钻机。

钻机总体技术

11主要技术参数

名义钻深:9000m;

最大钩载:6750kN;

最大钻柱重力:3250k N;

绞车额定功率:2940k W(4000HP);

绞车挡数:I+I R交流变频驱动、无级调速;

提升系统绳系:7×8;

钻井钢丝绳直径:45mm(1∃/英寸);

提升系统滑轮外径:1524mm(60英寸);

水龙头中心管通径:102mm;

钻井泵型号及台数:F—1600HL、2台,F—2200HL、1台;

转盘开口名义直径:95215mm(37∀−英寸);

转盘挡数:I+I R交流变频电动机单独驱动,无级调速;

井架型式及有效高度:“K”型、48m;

底座型式:旋升式;

钻台高度:12m;

转盘梁底面高度:10m;

动力传动方式:绞车及转盘为AC—DC—AC 传动,3台钻井泵为AC—SCR—DC传动;

柴油发电机组型号:CAT3512B/SR4B;

机组台数×输出功率:5×1900kVA;

交流变频控制单元(VF D):一对一控制、5+ 2套单元;

输入电压:600V、AC;

输出电压、频率:0～600V、0～150Hz(可调);

可控硅控制单元:一对一控制6套柜;

输入电压:600V、AC;

输出电压:0～750V、DC可调;

输出电流:0～1500A可调;

MCC系统:600V/400V/230V、50Hz;

自动送钻系统:变频电动机400V　2×30k W (连续),变频控制单元0～400V、0～100Hz(可调),送钻最低速度:011m/h;

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2007年　第35卷　第9期

石　油　机　械

CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY

高压管汇: 102mm×70MPa,留有压井管汇与固井管汇接口;

固控系统容量:630m3。

21总体技术方案

9000m钻机采用交流和直流复合驱动方式,即绞车、转盘为交流变频驱动,钻井泵为直流SCR 驱动。钻机采用5台1900k VA柴油发电机组作为主动力,发出的600V,50Hz交流电经变频单元(VF D)变为0～140Hz交流电分别驱动绞车、转盘交流变频电动机。转盘采用独立驱动方式,由1台800k W的交流变频电动机通过齿轮减速箱驱动。绞车是单轴绞车,由4台800k W、0～2800r/ m in的交流变频电动机驱动,经2台2级斜齿轮减速箱减速后,驱动绞车滚筒;绞车配有2套输入功率为37k W自动送钻装置,与主电动机相结合实现钻井全过程自动送钻;绞车安装在底座后台,实现了低位安装,低位工作,方便吊装和维护;绞车刹车采用液压盘式刹车与电动机能耗制动相组合的刹车方式。

钻井泵由直流电驱动。柴油发电机组发出的600V,50Hz交流电经交流柜、SCR柜整流后变为0～750V直流电,再经直流电动机驱动2台F—1600HL高压钻井泵和1台F—2200HL高压钻井泵,每台钻井泵各由2台800k W直流电动机驱动。

钻机游动系统为7×8结构,采用顺穿绳方式,提升设备最大载荷能力为6750kN。

钻机配置集电、液、气控、显示、监视、通讯、人机界面(触摸屏)一体化设计的司钻控制房,司钻坐在控制房可对钻机实现全面监控。

井架为前开口型。底座为新型旋升式结构,不但实现了井架、钻台构件及包括司钻控制房、司钻偏房在内的全部钻台面设备的低位安装、整体起升,还实现了井架支脚及绞车均布置在低位,这样底座起升载荷小,降低了底座起升风险,同时增加了井架及底座的整体稳定性。

关键技术创新及总体技术水平

11关键技术创新

9000m钻机是在近年来国内外钻机特别是超深井钻机发展水平的基础上研制成功的。其关键创新点主要表现在以下10个方面:

(1)石油钻机的总体方案和结构型式有较大突破　该钻机采用性价比较好的交流和直流复合驱动;绞车采用齿轮传动单滚筒结构,实现低位安装和低位工作;转盘采用交流电动机独立驱动;3台钻井泵采用直流电动机通过窄V带驱动。

(2)钻机在国内首次达到-40℃环境温度要求　通过保温和对主承载件材料采取耐低温钢等措施,保证了钻机能在-40℃的环境温度下正常作业。

(3)钻机配套部件的最大承载能力达6750 kN　这一指标的实现使得钻机在动力配置、传动路线、材料选用、结构设计等方面都突破了传统思路,实现了创新。

(4)2940k W超大功率绞车的设计　解决了超大功率绞车动力匹配、高速大功率齿轮箱研制以及超大尺寸滚筒整体绳槽加工等关键技术问题。绞车既可整体1车运输又可分为3个独立模块分体运输,分体运输时最大单元质量不超过32t,有效地解决了绞车的长途运输和搬家问题。

(5)井架底座创新设计　该钻机井架为“K”型结构,有效高度48m;钻机底座结构为旋升式,钻台面高度12m,无论是其承载能力还是主参数均为创新设计,尤其是12m钻台底座采用旋升式结构,台面设备(包括司钻控制房、司钻偏房、转盘驱动装置和附件)低位安装,整体起升,该项技术在同行业属领先水平。

(6)全新配套的钻井泵　钻机配套的52MPa 高压钻井泵功率有1176和1617k W2种,其功率和压力在国内都是领先的,均为国内首次研制和使用。

(7)重型天车、游车和吊环的研制　在国内钻机配套部件中首次严格按AP I8C规范进行设计制造,并通过优化设计,在满足重载要求的同时尽量地减轻了这些部件的质量。

(8)ZP375Z转盘的强化设计　ZP375Z转盘既可与普通ZP375转盘互换,又能达到ZP495转盘的承载和传递能力。

(9)大功率交流变频电传动控制系统研制　研制的9000m石油钻机电传动控制系统是在总结5000、7000m交流变频钻机电控系统经验的基础上,结合9000m钻机的总体传动要求和技术特点进行的。除了具备5000、7000m交流变频钻机电控系统技术特点外,主要还有以下的创新点:①绞车4电动机同步运转以及无冲击的切入、切出控制;②主电动机及2台小电动机自动送钻系统,满足全井深不同工况要求;③转盘采用能耗制动技术防止转盘倒转;④采用P LC、PROF I B US—DP总线

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