ZJ20DBX型斜井钻机液压系统设计

王学义，唐有胜，张永泽，孙 娟，毛玉琢，乔晓锋

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.川庆钻探工程有限公司国际工程公司，成都610051） ＊

ZJ20DBX型斜井钻机液压系统设计

王学义1，唐有胜2，张永泽1，孙 娟1，毛玉琢1，乔晓锋1

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.川庆钻探工程有限公司国际工程公司，成都610051）＊

液压系统是ZJ20DBX型斜井钻机的重要组成部分，采用开式回路，主要实现对机械手、钻具加压、液压小绞车、液压大钳总成、卡瓦支承盘扶正器、死绳绞盘器、液压吊卡、井架起升、底座辅助起升、井架伸缩、液压猫头缸、排管架调平等的驱动与控制，提高了钻机的自动化水平。

斜井钻机；液压系统；控制 试验 ；改进

斜井钻机可用于陆地和海洋等各种油气资源的勘探与开发。在开发建筑物下面、沼泽地带、下陷地区以及海滩等复杂区域的浅层油气时，需钻的大位移井或斜直水平井，斜井钻机具有常规钻机无法比拟的优势。

国外自20世纪60年代开始研制斜井钻机，目前美国、加拿大、英国和法国等国家均已生产，斜井钻深610～2 440m（2 000～8 000英尺）。国内研究始于1988年，1991年宝鸡石油机械有限责任公司与新疆石油管理局联合研制开发了国内第1台ZJ－15X型斜井钻机。

宝鸡石油机械有限责任公司近期新研制了ZJ20DBX型斜井钻机，其提升系统、旋转系统和循环系统采用常规的成熟技术，绞车、顶驱等采用交流变频驱动，其余均采用液压传动。该钻机配备了专用顶驱、机械手、液压大钳、液压吊卡、气动卡瓦等机械化工具，井架采用油缸伸缩，其与水平面倾角可在45°～90°之间调整，底座采用主辅液缸共同举升。此外，还配备了钻具加压和防喷器专用吊移等装置以适应斜井作业的特殊要求。因此，液压系统设计非常关键。在分析了国外公司同类产品的液压传动控制系统的基础上，结合宝鸡石油机械有限责任公司原有的技术和经验，在钻井自动化、远程控制和快速安装移运等方面进行了大量的探索和创新［1－2］，使钻机整体技术达到了较高的水平。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

ZJ20DBX型斜井钻机液压系统主要有以下部件组成：

YZ－2000型组合液压站 1套

气控阀总成 1套

操控箱 1套

排管架操作阀总成 1套

液压随车吊 1台

钻台液压小绞车 1台

加压小绞车 2台

液压动力钳 1台

1.2 技术参数

液控机械手驱动泵（1号泵）

最大工作压力 21MPa

最大排量 207L／min

液压大钳及台面机具驱动泵（2号泵）

最大工作压力 21MPa

最大排量 120L／min

辅助泵（3号泵）

最大工作压力 28MPa

最大排量 47L／min

操作箱多路阀控制压力 16MPa

气控阀箱总成控制压力 21MPa

液压站有效容积 2 000L

液压站总功率 146kW

1.3 工作原理

图1为ZJ20DBX型斜井钻机液压原理图。

图1 液压原理图

液压系统为开式回路［3］。液压站采用顶置油箱结构，配风冷散热装置和电动加油滤油装置。液控机械手驱动泵（1号泵）通过电磁比例阀在司钻房内实现对机械手主臂、副臂及卡爪的驱动和控制；液压大钳及台面机具驱动泵（2号泵）通过不同的阀组实现对液压大钳、钻具加压装置、卡瓦支承盘扶正器、死绳绞盘器、井架起升系统、底座辅助起升系统、井架伸缩缸、液压猫头缸、排管架调平系统等多种设备的驱动与控制；辅助泵（3号泵）主要为小绞车和液压吊卡提供动力；备用泵向其他执行元件提供动力。液压站通过电比例阀调节泵的排量，可以控制钻具加压、液压大钳、井架起升、井架伸缩等各设备的工作速度。通过调节远程溢流阀，可以调节加压机构的下拉力和液压大钳等工作的扭矩。同时液压站还为机械手专门配置了调压溢流阀，用来调节液控机械手卡爪对不同钻杆的夹持力。

2 关键技术

1） 液压站采用多泵供油，相互独立又相互备用，增加系统可靠性［3］。液压泵采用就地启停和远程负比例流量控制。钻台液压设备采用远程电气控制和本地手动控制方式，工作压力远程可调。

2） 机械手采用电液比例及PLC系统控制，可快速方便地控制钻具中心与顶驱中心对齐结合，机械手起放作业过程编程控制，实现安全互锁。

3） 井架、底座采用多级油缸连续起升。井架起升油缸用于井架起升，起升底座时无需更换油缸支点，直接利用井架起升油缸继续伸出，再利用底座辅助油缸共同带动底座上升，实现了井架底座的连续起升，如图2。

4） 因为井架伸缩行程较长，在伸缩油缸的设计中，考虑到井架上段的行程和井架上段伸出过程中油缸的稳定性以及井架具体结构的限制，采用2只双侧出杆的液压柱塞缸。使油缸柱塞杆单侧行程减半，降低了油缸失稳的倾向，同时又可以使油缸尺寸变小，增大了井架内部的净空间，如图3。另外，为了避免在伸缩过程由于其他原因造成卡阻等导致油缸失稳或压坏，在相应部位配置了过载阀，使油缸免受损坏。

5） 独特的钻具加压装置。由安装在底座下面的液压绞车通过钢丝绳对顶驱施加下拉力，达到对钻具加压的目的。

6） 液压大钳的技术改进。将常规钻杆钳和套管钳集成为一体，其液压系统采用远程电气控制和就地手动控制2种方式，实现对常规钻杆和套管的作业，不需更换大钳，工作方便。

图2 井架和底座起升油缸

图3 井架伸缩油缸

3 试验

按照《ZJ20DBX型斜井钻机液压系统试验大纲》的要求，宝鸡石油机械有限责任公司联合有关单位对钻机单元部件和整机进行了近2个月的试验和检验。结果表明该钻机达到了设计要求，满足了油田钻井的需要。

4 存在问题与改进

1） 采用远程电气比例控制，存在动作滞后和比例不准确的现象，应采用更高质量的阀控组件。

2） 采用节流调速，系统产生的热量较大，应保证散热措施有效。

3） 采用电气液传动控制方式，管线种类太多，不便检修。应将各类管线分类、合理布置与安装，并做好标记。

4） 液压站采用多个压力和流量回路组合，控制复杂，液压管线多，对运行和管理带来不便，应建立统一的液压回路。

5 结论

1） ZJ20DBX型斜井钻机的成功开发，把液压系统的设计及在钻机驱动与控制中的应用提高到了新的水平，也为今后同类产品的设计做出了积极的探索。

2） 钻机所采用的电、液综合应用模式对现有液压或常规钻机钻具处理系统的更新改造提供了有益的参考。

3） 对斜井钻机这种载荷变化大、流量变化大、任务多的液压控制系统，建议选取相同规格的负荷传感泵供液模式并采用电控模式的负荷敏感压力补偿系统。这样可以有效降低系统的复杂性，提高钻机操控性能，便于维护管理。

［1］ 王学义，黄悦华，赖笑辉.海洋钻井用旋转支撑转盘液压传动设计［J］.石油矿场机械，2011，40（5）：53－56.

［2］ 石美玉，杨国家，李富平，等.海洋钻机钻杆自动排放系统控制方案设计［J］.石油矿场机械，2011，40（12）：41－44.

［3］ 雷天觉.新编液压工程手册［K］.北京：北京理工大学出版社，1998.

Design of Hydraulic System for ZJ20DBX Inclined Well Drilling Rig

WANG Xue－yi1，TAHG You－sheng2，ZHANG Yong－ze1，SUN Juan1，MAO Yu－zhuo1，QIAO Xiao－feng1
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.Chuanqing Drilling Engineering Company Limited International Ltd.，Chengdu610051，China）

The Hydraulic system as an important part on ZJ20DBX.The open circuit is adopted in order to drive and control the Mechanical Arm，Pull Down unit，Hydraulic Winches，Tong Assembly，Slip Back－up and Centralizer，Deadline Winch，Hydraulic Crane，Mast Lifting Unit，Mast Extending and Retracting Cylinders，Drill Floor Lifting device，Cathead Cylinders and Pipe Rack Leveling Cylinders，etc.So the automatic level will be improved effectively.

inclined well drilling rig；hydraulic system；control；test；improve

1001－3482（2012）11－0035－04

TE922

A

2012－05－28

王学义（1964－），男，陕西宝鸡人，工程师，主要从事石油机械设计与研究，E－mail：wxy343＠163.com。