ZJ20DBX斜井钻机动力系统关键部件研制

高 搏，王浚璞，黄 胜，万 夫，张 洁，吕 兰

(1.川庆钻探工程公司 安检院，四川 广汉 618300；2.川庆钻探工程公司设备处，四川 成都 610051；3.四川宏华石油设备有限公司，四川 广汉 618300)

ZJ20DBX斜井钻机动力系统关键部件研制

高 搏1，王浚璞2，黄 胜1，万 夫1，张 洁1，吕 兰3

(1.川庆钻探工程公司 安检院，四川 广汉 618300；2.川庆钻探工程公司设备处，四川 成都 610051；3.四川宏华石油设备有限公司，四川 广汉 618300)

针对浅油层开发、浅油层老油田打加密井、丛式定向井作业的需要，研制了ZJ20DBX自动斜井钻机。该钻机由井架、底座、交流变频直驱绞车、天车、动力水龙头(游车、动力水龙头、增压机构)、自动化管子处理系统组成。该钻机动力系统采用电机直接驱动进行起下钻作业，不带背钳，利用自身大扭矩进行钻具旋扣操作，自带自动系统，能提供动力卸扣时反扭矩，无变速机构，减少了润滑系统，结构精简，操作控制便捷；增力机构能对全钻井行程进行增力，用于提高钻压和下套管，使钻具在钻进过程中可控。该钻机自动化程度高，能有效调高生产效率，降低劳动强度，提高钻井作业安全。

斜井钻机；定向井 ；自动化；动力系统；结构设计

随着钻井新技术、新理论的不断出现，井眼方向必须控制在允许范围内。根据油气勘探开发的地质地理条件和工程需要，分为直井和定向井2类，定向井又可分为一般定向井、水平井、丛式井等[1-3]。

斜井是指用斜井钻机在井架、转盘(或顶驱)的中心线与铅直线倾斜一个角度(0～45°)情况下，从地面就开始倾斜打出的一种井。他与常规定向井的区别在于从地面就开始倾斜。而定向井是从地面打垂直井，到一定深度后再造斜(造斜率为3(°)/25 m)，实际得到井底位移斜井钻机比定向井大(如设计井深620 m，30 m处造斜，井底位移斜井是定向井的1.6倍)，而且这种钻井方式对井斜角、方位角控制难度要比斜井难度大，所以在丛式定向浅油层开发方面斜井钻机优势更为明显。斜井又可分为斜直井和斜定向井[先打斜直井(如设计井深915 m，180 m处造斜)后再造斜(造斜率3(°)/30 m)]，就可得到井底水平位移(是直井造斜井底水平位移的4.2倍)更大的定向井[4-7，11]。

20世纪60年代至今，斜井钻机是目前开发浅油层资源的最好钻机，广泛应用于美国(Belco，Ingersoll-Rand，Walkerneer，Cardwell)和加拿大(North East Drilling Ltd，Failing，Carring，E.A Kutry Industries Ltd，Kremco)[8-10]。

1 ZJ20DBX斜井钻机组成及特点

ZJ20DBX斜井钻机可用于斜深2 000 m (以41/2”钻杆计)以内的45～90°(与水平夹角)斜直井开发，钻井狗腿度为2°，额定提升负荷1 350 kN。如图1所示。

1.1 钻机组成

钻机由2台1 200 kW柴油发电机组作为主动力源，发出的600 V、50 Hz交流电经变频控制系统(VFD)分别驱动绞车、泥浆泵、顶驱的交流变频电机。电机直驱绞车由1台450 kW的交流变频电机定子直接驱动绞车滚筒。泥浆泵由2台600 kW交流变频电机经皮带并车减速驱动。顶驱装置由1台315 kW的交流变频电机提供动力，经两级斜齿轮减速后驱动主轴旋转。

井架为K型结构，两节整体对接，利用油缸整体起升，倾角调节范围为45～90°。底座为固定式结构。

钻机配套管子处理系统包括翻转机械手、举升机械手、动力钳和下套管装置、液压小绞车、液压吊等机械化工具，使钻具处理实现机械化。

钻机采用撬装模块化设计，搬家移运及安装方便，井架为整体式，与动力水龙头(带游车)、天车、动力钳、液压卡瓦为一运输模块；底座、绞车、防喷器等为一运输模块(其他运输模块根据配置情况及相关要求搭配)。

1.2 主要特点

ZJ20DBX斜井钻机可用于浅油层开发、老油田打加密井，井底有效范围较大，与常规斜直井相比，斜井可以提高油井的原油产量；能减少井场占地面积与井场建设费用以及钻机的移运时间和费用，降低钻井成本。除以上优势外，ZJ20DBX斜井钻机还具备以下特点：

(1)轻便，移运性能好，橇装短距离运输或可采用拖车+独立底盘长距离运输，橇装运输适应雪地或丛式井钻井井场附近短距离搬运；

(2)管子处理系统能自动化处理大部分管具，控制方式采用自动和手动控制结合，能有效提高生产效率，降低劳动强度，提高工作效率；

(3)整体移运有效缩短安装和搬家时间，从而降低生产成本；

(4)手动自动控制结合能有效提高部件工作适应性和系统工作效率；

(5)可用于钻垂直井、斜直井、斜定向井或斜丛式井，最大范围满足各种钻井工艺要求；

(6)具有很大的机动性与灵活性，倾斜角为0～45°，每隔1.5°为1级，可分级调节，可满足45～90°倾角钻斜井要求；

(7)道路条件差的情况下，可拆卸为模块化运输，每个模块不超过20 t。

1.3 主要技术参数

ZJ20DBX斜井钻机主要技术参数如表1所示。

表1 ZJ20DBX斜井钻机技术参数

2 动力系统关键部件研制

动力系统包括绞车、天车、游吊系统(动力水龙头、游车、增力机构)，协同完成钻进、送钻、钻进、钻进增压、起钻及下套管过程中钻具起、下、钻进等功能，动力水龙头还具有钻具旋扣功能。

2.1 135T绞车研制

绞车由1台600 kW交流变频电机经二级齿轮减速箱减速后驱动滚筒，可实现一档无级调速，主要包括交流变频电机、绞车架、齿轮减速箱、滚筒轴总成、液压盘刹、润滑系统等部分。如图2所示。

2.1.1 绞车滚筒

根据使用需要，在使用斜井钻机时，当顶驱位于钻台时，绞车滚筒上缠绕至少1.3层，绞车使用的有效直径为450+2×29=508 mm，与常用的2 000 m钻机绞车滚筒直径相当，因此，选择绞车滚筒直径大小为φ508 mm。

滚筒钢丝绳按SY/T6724—2008选用φ29 mm，类型为6×19S-IWRC-IPS(按API Spec 9A-2011选取)。快绳承受拉力为199.8 kN；钢丝绳公称破断拉力为503 kN。

由于本斜井钻机所用钻杆为加长钻杆(长度为13.7 m)，吊卡等预留高度为1.5 m，则游动系统从最低到最高移动的最大距离为15.2 m，又因为提升系统结构为4×5，绳数为8，则有效钢丝绳的长度为121.6 m。

根据滚筒使用情况，当钢丝绳在滚筒上最多缠绕3层时，不会造成乱绳，因此，计算得到每层28圈，则实际得到滚筒缠绳宽度为829.92 mm。

2.1.2 绞车电机

设计空钩速度取值 1.5 m/s，则快绳速度为12 m/s，计算得到电机的最高转速为390.7 r/min，设计最高转速取整为395 r/min；游车和顶驱的质量按7 t计算，则快绳拉力为0.875 t，在滚筒上产生的扭矩为2.568 kN·m。所需电机的功率P=2.568 kN·m×390 r/min=104.88 kW。

最大钻柱时大钩速度为0.5～0.6 m/s，即确定电机在此时的功率为额定功率(额定转矩)下，则要求电机的转速为144.5～173.4 r/min，设计取值160 r/min，此时最大钻柱质量为72 t，在滚筒上产生的扭矩为M钻柱=90 kN×586.86 mm/2=26.4 kN·m，此时电机的额定功率P=442.34 kW，最大转矩M=F快×Rmax=199.8 kN×586.86 mm/2=58.6 kN·m，采用单电机结构，则要求电机的最大转矩大于58.6 kN·m。

2.1.3 刹车系统

绞车主刹车采用单边液压盘式刹车，配盘刹液压站，配2把常开钳和2把常闭钳，可实现工作刹车(使用常开钳)、驻车刹车(使用常闭钳)、紧急刹车(同时使用常开钳、常闭钳)功能。液压盘式刹车可与电控系统的游车数显防碰系统及绞车的过卷防碰系统联动。当由于操作失误或其他原因，游车超过预设的防碰高度时，液压盘式刹车可自动实施紧急刹车，避免出现游车碰天车事故，确保钻井安全。绞车辅助刹车采用能耗制动。

2.1.4 绞车主轴

由于该电机是外转子结构，支撑位于两端，载荷集中于轴的中部，对主轴绕度影响很大，电机气隙为0.2cm，而该电机允许轴的绕度是10%气隙，即0.02cm，因此，必需加大轴的直径才能满足此要求，通过在主轴中部施加160kN作用力，采用有限元进行优化分析(结果见图3)，当轴的直径为Φ220mm时，轴的强度和刚度完全能够满足要求。

2.2 天车研制

目前国内外与分体式双游车对应的天车型式基本上只有2种，其主要区别就在于过渡轮是内置还是外置。考虑到过渡轮外置能使主梁上的受力状况变好，同时绕在快绳轮与游车滑轮之间的钢丝绳跨度也变小，因此，本方案中的天车过渡轮是外置式。如图4所示。

2.2.1 滑轮轴强度校核

在钢丝绳拉力作用下受弯受剪，弯曲、剪切应力分别为：

τ=17.4MPa

轴材料为45号钢，屈服强度σs=355 MPa，安全系数为355/44.5=7.91>3，满足强度要求。

2.2.2 轴承计算和校核

按照设计载荷选择轴承型号，确定当量动载荷为448 kN，依据API轴承额定负荷公式：

Wb=Wr×n/357

式中：Wb为天车轴承额定负荷计算值，kN；n为天车上滑轮数；Wr为单个滑轮轴承额定负荷，指在转速为100 r/min时，90%的轴承最短使用寿命为3 000 h的负荷，kN。

计算得轴承额定负荷：

Wr=448kN×0.42=188.2kN

Wb=2 636kN

天车载荷Wt=最大钩载+快绳拉力+死绳拉力=1 698kN。Wb>Wt，因此，轴承选用满足强度要求。

2.2.3 天车主梁计算校核

当量应力为168.86MPa，取安全系数为1.67，材料的屈服强度不小于168.86MPa×1.67=282MPa。选取材料为Q345B低合金高强度结构钢，fy=325MPa(壁厚为16～35mm)，最大挠度为0.92mm，天车梁跨度为2.2m，允许最大挠度为2.2m/1 000=2.2mm。通过有限元对天车主梁进行强度校核，应力图和变形图如图5所示，最大应力为184.45MPa，最大变形量为0.97mm，最小安全系数为325/184.45=1.76，满足要求。

2.2.4 天车主要技术参数

天车主要技术参数如表2所示。

表2 天车技术参数

2.3 游吊系统研制2.3.1 增力装置

增力装置集成于游吊系统中，结构紧凑，如图6所示。止动油缸推动2根连杆同时运动，使左右止动块能同步推出。在支架的作用下，增力油缸可实现机械同步。

2.3.2 游车

游车通过提环直接与动力水龙头相连，取消了大钩，采用轻便式设计，如图7所示。由图7可以看出，该结构更简单、更轻、更方便维护。游车滑轮位于动力水龙头两侧，可进一步贴近水龙头，最大程度地压缩了游车和水龙头的纵向高度。

2.3.3 动力水龙头

动力水龙头主轴由电机直接驱动，省掉了传动齿轮箱，使传动环节简单可靠，如图8所示。

3 结论

(1)ZJ20DBX斜井钻机通过优化设计，结构更加紧凑，具有更高的工作适应性和工作效率，降低作业成本。

(2)绞车结构设计简单，便于安装和维护，强度及各项参数均能满足现场使用。

(3)天车采用过渡轮外置设计，能使主梁上的受力状况变好，同时绕在快绳轮与游车滑轮之间的钢丝绳跨度也变小。

(4)游吊系统增力装置集成于游吊系统中，结构紧凑；游车滑轮位于动力水龙头两侧，最大程度地压缩了游车和水龙头的纵向高度；动力水龙头主轴由电机直接驱动，省掉了传动齿轮箱，使传动环节简单可靠。

(5)天车结构尺寸偏大，游车绕绳方式复杂以及动力水龙头电机外形尺寸较大仍然是下一步改进和研究的重点。

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The Key-Parts of ZJ20DBX Slant Hole Drilling Rig Power System Design

GAO Bo1， WANG Jun-pu2， HUANG Sheng1， WAN Fu1， ZHANG Jie1， LV Lan3

(1.Safety&Environment Quality Surveillance Research Institute， CNPC Chuanqing Drilling Engineering CO.，LTD.， Guanghan 618300， China；2.Equipmengt Department， CNPC Chuanqing Drilling Engineering CO.， LTD.， Chengdu 610051， China； 3.Sichuan Honghua Petroleum Equipment CO.， LTD， Guanhan 618300， China)

ZJ20DBX automatic slant-hole drilling rig is developed for the development of shallow oil zone and the drilling of infill well and directional cluster well in maturing field in shallow oil zone. The drilling rig consists of derrick, substructure, AC variable frequency direct-driven draw works, crown block, power swivel (traveling block, power swivel and booster mechanism) and automatic pipe handling system. For its power system, its motor drives the tripping operation of drilling rig directly. As it does not have a back-up tong, it spins and buckles drilling tools with its own large torque. As it has an automatic system, it provides reaction torque for dynamic shackling. With no speed change mechanism, it does not need a lubricating system, the structure is simple and it is easy to operate and control the drilling rig. Its booster mechanism works throughout the drilling process, with main functions of improving bit pressure, installing casing and controlling the drilling tools. With high degree of automation, the drilling rig can effectively improve production efficiency, reduce labor intensity and ensure the safety of drilling operation.

slant hole drilling rig； directional well； automatic control； power system； structure design

2016-06-13

高 搏(1979—)，男，本科，工程师，主要从事石油钻机的监理、检验及评估工作，E-mail：654233979@qq.com。

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