ZJ50JDB 钻机升级改造与应用

方永春

（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依 834009）

0 引言

ZJ50JDB 复合钻机是为适应井控要求，将原ZJ50 机械钻机底座由7.5 m 提升到9 m，为简化动力传递将转盘单独由600 kW 交流变频电机驱动，并车系统和绞车、泥浆泵驱动与ZJ50机械钻机相同，均采用3 台PZ12V190 柴油机为动力，通过皮带或链条并车后驱动1500 HP 低位绞车和1300 HP 泥浆泵，这种方式传动系统结构复杂、传动效率低，由于采用柴油机为动力，燃油效率低，损耗大，噪声高，作业成本高，且无法满足现代钻井工艺所需要的“大排量、高泵压、大扭矩、大钻压、高转速”提速、提效等强化参数要求，针对ZJ50JDB 钻机的问题，结合交流变频驱动的成熟技术和公司服务油区工业电网相对发达的特点，对ZJ50JDB 钻机升级改造，以满足钻井工艺要求，实现提速、提效目标。

1 ZJ50JDB 钻机改造方案分析

1.1 ZJ50JDB 钻机改造原因

ZJ50JDB 钻机的传动方式和配置方案主要存在以下问题：①搬安拆卸、安装工作量大，效率低，维护运行成本高；②无法满足特殊工艺井强化钻井参数对配置的设备及动力的要求；③由于使用柴油机，产生的废机油、排放的尾气、产生的噪声污染井场及周边环境，无法适应环保新要求。

1.2 ZJ50JDB 钻机改造原则

①机械部分改造尽可能利用原有设备，控制改造成本；②电驱动电源以用工业网电为主，如没有工业网电，采用动力发电外包，采用成熟的交流变频技术，提高传动效率，改善设备性能；③进行模块化改造，利于拆装搬安作业。

1.3 ZJ50JDB 钻机总体改造方案

ZJ50JDB 钻机总体改造方案是将原柴油机动力经联动机并车后统一驱动绞车、泥浆泵的模式，改造成由600 V、50 Hz 外接电源（工业网电、或发电机供电）提供，经VFD 房变频后输出频率可控的交流电分别驱动绞车、转盘、泥浆泵的交流变频电机，实现根据钻井工艺需要灵活调整交流变频电机参数对钻井工艺参数要求的分组驱动方式。

1.4 ZJ50JDB 具体方案

1.4.1 ZJ50JDB 钻机绞车传动改造方案

利用原钻机绞车，绞车内部传动不改变，配1 台1000 kW交流变频电机，通过交流变频电机与原钻机偶合减速箱连接经外置链箱驱动绞车。改造方案如图1 所示。

1.4.2 ZJ50 机械钻机泥浆泵改造方案

为满足钻井工艺高泵压、大排量对泥浆泵的要求，增大泥浆泵的功率，将原钻机所配备的1300 HP 的泥浆泵更换为1600 HP 泥浆泵，取消原并车箱和柴油机，将1600 HP 泥浆泵采用直接由双600 kW 的交流变频电机直接驱动直驱泵组方案。方案如图2 所示。

1.4.3 ZJ50 机械钻机其余部件改造方案

（1）后台改造。保留1#机组位置，重新制作底座，用于链条箱和绞车电机的安装。1#机组底座改造成配重水箱，满足井架起升要求。去掉原2#、3#机动力组后台及并车箱后台。

（2）司钻控制系统改造。对原司钻房操作系统进行升级，实现司钻对绞车、转盘和泥浆泵的集中控制操作。新增电控系统房1 套，电控系统采用600 V、50 Hz 供电，通过房内的进线柜（含断路器）引入系统，同时房内提供1 台1600 kV·A 600/400 V 变压器，为系统和原钻机电控房提供400 V 辅助配电系统；600 V 电源用于转盘、泥浆泵和绞车传动箱交流变频电机的驱动。系统采用SIEMENS G150 系列全数字矢量控制交流变频调速装置，包括绞车变频控制系统、转盘、泥浆泵变频控制系统和PLC 系统。由3 套变频单元控制5 台交流变频电动机（绞车用1 台1000 kW，2 套泥浆泵各用2 台600 kW 交流变频电动机），拖动性能满足绞车、泥浆泵的工作要求。变频控制系统采用SIEMENS S7-1500 PLC的PROFIBUS-DP 通信控制加BYPASS 的旁路控制方案，确保控制的可靠性和冗余性。系统配备3 相400 V、50 Hz、2000 A 电源接口给原钻机电控系统进行供电。

2 现场试验使用情况

由于克拉玛依钻井公司于2017年底使用ZJ50JDB 钻机在吉木萨尔致密油JHW037 从事钻井施工作业，该井设计井深4066.17 m，水平段长1201.64 m，在大位移水平井钻井施工过程中，井眼清洁是难点，要求循环系统在满足钻井工艺要求的泵压的前提下，泥浆排量应满足水平段钻具环空泥浆流速，保证携砂能力，由于原配套钻机所使用泥浆泵为F1300；驱动方式由柴油机经皮带传动并车驱动，在水平段1000 m 左右，由于较高的泵压和要求的排量造成该钻机循环系统超负荷运行，驱动皮带拉长、打滑，柴油机高温运行，造成该井遇阻频繁划眼，完成该井的钻井周期75.23 d。2018年初对该钻机进行升级改造后上钻JHW035 井，由于2 台使用600 kW 交流变频电机驱动1600 HP 泥浆泵，泵压和排量均满足钻井工艺要求，杜绝了提、下遇阻、遇卡等复杂，钻井周期52 d，钻井周期大幅缩短。目前克拉玛依钻井公司已采用该方案改造ZJ50JDB 钻机5 台，通过近2 a 的现场的钻井实践表明，将ZJ50JDB 钻机升级改造为ZJ50DB 交流变频电驱动钻机后，能充分适应大位移水平井等特殊工艺井强化参数的要求，实现钻井大提速目标。同时使用升级的ZJ50DB 钻机经济效益显著，50596 队改造前在JHW037 井每钻机台月消耗柴油112 t。改造后使用工业电网，每台月累计耗电472 803 度，两者对比，仅节约油电差价每台月5 万元左右，同时可节约使用联动机、柴油机消耗的润滑油、防冻液、三滤等维护费用、修理费用及人工等间接费用每年20 多万元，实现年节约成本80 万元左右。

3 结束语

升级改造后的ZJ50DB 钻机维护简便，拆卸方便、安装工作量和搬家车次减少，杜绝了柴油机及传动系统跑、冒、滴、漏现象，减少了环境污染。运转平稳，振动小、噪声低，净化钻井现场工作环境，顺应节能减排的发展要求，同时钻机性能极大提升，适应现代钻井“高泵压、大排量、高转速、大钻压、大扭矩”强化钻井参数的激进式钻井工艺要求。满足井下旋转导向、螺杆、及扭力冲击等各种定向、提速工具承钻各种特殊工艺井、复杂井的钻井工艺需要，提速、提效成果显著。

图1 1000 kW 交流变频电机驱动JC50B 绞车原理

图2 F1600 交流变频直驱泥浆泵驱动原理