王瑞成，秦建忠，王汝華，張衛(wèi)東，王 宇，王 昕

（1.川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安710018；2.咸陽(yáng)市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西咸陽(yáng)712021；3.渭南市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西渭南714000） ＊

復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在長(zhǎng)慶油田的配套應(yīng)用

王瑞成1，秦建忠1，王汝華1，張衛(wèi)東1，王 宇2，王 昕3

（1.川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安710018；2.咸陽(yáng)市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西咸陽(yáng)712021；3.渭南市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西渭南714000）＊

介紹了已在長(zhǎng)慶油田成熟配套應(yīng)用的幾種復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，這些鉆機(jī)兼有傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)與電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的互補(bǔ)優(yōu)點(diǎn)，適用于長(zhǎng)慶油田施工區(qū)域。針對(duì)這些鉆機(jī)在技術(shù)方案、現(xiàn)場(chǎng)配套應(yīng)用與改進(jìn)完善等方面進(jìn)行了論述。

鉆機(jī)；復(fù)合驅(qū)動(dòng)；技術(shù)方案；配套應(yīng)用

長(zhǎng)慶油田的“三低”特點(diǎn)及深度開發(fā)，對(duì)鉆井施工提出了低成本開發(fā)與新技術(shù)應(yīng)用提速的雙重要求。為適應(yīng)市場(chǎng)要求，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱寶石）自2004年起，與原長(zhǎng)慶石油勘探局針對(duì)長(zhǎng)慶油田施工特點(diǎn)共同制定方案，設(shè)計(jì)研制了復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。該鉆機(jī)既能滿足當(dāng)前的鉆井施工工藝技術(shù)參數(shù)要求，又具有成套投資成本低的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，適合長(zhǎng)慶油氣田的低成本高技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略需求。長(zhǎng)慶鉆井總公司自2004年以來陸續(xù)配套了60余部ZJ30LDB型、ZJ40LDB型、ZJ50LDB型等復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，這些鉆機(jī)既保留了傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又針對(duì)新的鉆井工藝技術(shù)要求對(duì)轉(zhuǎn)盤采用了變頻電驅(qū)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，同時(shí)增加了絞車獨(dú)立自動(dòng)送鉆裝置，并在并車傳動(dòng)設(shè)計(jì)中配置了節(jié)能發(fā)電機(jī)，其應(yīng)用效果已受到長(zhǎng)慶鉆井總公司的廣泛認(rèn)可。

1 技術(shù)方案

目前，由寶石生產(chǎn)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)已在長(zhǎng)慶油田成熟應(yīng)用的有ZJ30／1700LDB型、ZJ40／2250LDB型、ZJ50／3150LDB型3種鉆機(jī)，其總體技術(shù)方案是：前后臺(tái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力互相獨(dú)立，轉(zhuǎn)盤采用交流變頻電機(jī)經(jīng)減速箱獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，絞車、泥漿泵、節(jié)能發(fā)電機(jī)采用柴油機(jī)經(jīng)液力偶合正車箱傳動(dòng)至并車傳動(dòng)箱后機(jī)械組合驅(qū)動(dòng)［1－5］。絞車均采用低位安裝、盤式剎車，高低速離合器與機(jī)械換擋組合為內(nèi)變速4個(gè)擋位，鉆機(jī)底座根據(jù)防噴器組合高度要求采用箱塊式或旋升式。

1.1 ZJ30LDB型鉆機(jī)［6］

該型鉆機(jī)由2臺(tái)G12V190PZL－3型柴油機(jī)作為主動(dòng)力，經(jīng)YOZJ700／750型液力偶合正車傳動(dòng)箱傳遞給并車傳動(dòng)箱后并車，分別驅(qū)動(dòng)絞車和泥漿泵，并在并車傳動(dòng)箱后端帶1臺(tái)400kW節(jié)能發(fā)電機(jī)。絞車配備有獨(dú)立電機(jī)自動(dòng)送鉆裝置，該裝置由1臺(tái)22kW交流變頻電機(jī)經(jīng)大速比齒輪減速箱減速后，通過絞車中間軸傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絞車滾筒軸實(shí)現(xiàn)絞車自動(dòng)送鉆。鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，即采用1臺(tái)400V、300kW交流變頻電機(jī)通過1擋（2擋）變速箱變速后驅(qū)動(dòng)ZP205型轉(zhuǎn)盤。鉆機(jī)井架采用JJ170／42－K型井架、4.5m箱塊式鉆臺(tái)底座，后臺(tái)底座高0.8m。JJ170／42－K型井架底部開檔尺寸由原來JJ170／41－K型井架開檔尺寸6.5m增加為7.5 m，大幅改善了鉆臺(tái)面的作業(yè)空間環(huán)境。ZJ30／1700LDB型鉆機(jī)傳動(dòng)方案如圖1所示。

1.2 ZJ40LDB型鉆機(jī)［7］

該型鉆機(jī)由2臺(tái)G12V190PZL－3型柴油機(jī)作為主動(dòng)力，經(jīng)YOZJ700／750型液力偶合正車傳動(dòng)箱傳遞給并車傳動(dòng)箱并車后，分別驅(qū)動(dòng)735kW絞車和1臺(tái)F－1300型泥漿泵，并在并車傳動(dòng)箱后端帶1臺(tái)400kW節(jié)能發(fā)電機(jī)。絞車配備有獨(dú)立電機(jī)自動(dòng)送鉆裝置，該裝置由1臺(tái)22kW交流變頻電機(jī)經(jīng)大速比齒輪減速箱減速后，通過絞車中間軸傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)絞車滾筒軸實(shí)現(xiàn)絞車自動(dòng)送鉆。VFD房配置630 kW、42kW變頻柜各1套，600V／400V－800kVA主變頻器1臺(tái)及全套抽屜式結(jié)構(gòu)的MCC單元。鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，即采用1臺(tái)400V、400 kW交流變頻電機(jī)通過1擋（2擋）變速箱變速后驅(qū)動(dòng)ZP275型轉(zhuǎn)盤。鉆機(jī)井架采用JJ250／44－K型井架、旋升式鉆臺(tái)底座高度6m，后臺(tái)底座高0.8m。井架下部開檔為8.5m。同時(shí)為滿足長(zhǎng)慶油氣井井型及施工工藝要求，井架及立管留有滿足安裝使用頂驅(qū)裝置的接口，并可根據(jù)具體工況增配獨(dú)立機(jī)泵組進(jìn)行并車運(yùn)行。ZJ40／2250LDB型鉆機(jī)傳動(dòng)方案如圖2所示。

圖1 ZJ30／1700LDB型鉆機(jī)傳動(dòng)方案

1.3 ZJ50LDB型鉆機(jī)［8］

該型鉆機(jī)由3臺(tái)G12V190PZL－3型柴油機(jī)或AD12V190PZLT－3型燃?xì)鈾C(jī)組作為主動(dòng)力，經(jīng)YBLT900－45DDf型液力變矩器傳遞給并車傳動(dòng)箱后并車，分別驅(qū)動(dòng)1 100kW絞車和2臺(tái)F－1600型泥漿泵，并在并車傳動(dòng)箱后端帶1臺(tái)400kW節(jié)能發(fā)電機(jī)。絞車配備有獨(dú)立電機(jī)自動(dòng)送鉆裝置，該裝置由1臺(tái)37kW交流變頻電機(jī)經(jīng)大速比齒輪減速箱減速后，通過絞車中間軸傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)絞車滾筒軸實(shí)現(xiàn)絞車自動(dòng)送鉆。鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，即采用1臺(tái)400V、600kW交流變頻電機(jī)通過2擋變速箱變速后驅(qū)動(dòng)ZP375型轉(zhuǎn)盤。VFD房配置630 kW、55kW變頻柜各1套，600V／400V－800KVA主變頻器1臺(tái)及全套抽屜式結(jié)構(gòu)的MCC單元。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速范圍0～205r／min，最大工作扭矩可達(dá)32 459 N·m，可根據(jù)鉆井工藝參數(shù)調(diào)控要求進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速；鉆機(jī)井架采用JJ315／45－K型井架、旋升式鉆臺(tái)底座高度9m，后臺(tái)底座高0.8m。井架下部開檔為9m，井架及立管留有滿足安裝使用頂驅(qū)裝置的接口，鉆臺(tái)面與井口作業(yè)空間開闊。ZJ50／31500LDB型鉆機(jī)傳動(dòng)方案如圖3所示。

圖2 ZJ40／2250LDB型鉆機(jī)傳動(dòng)方案

圖3 ZJ50／31500LDB型鉆機(jī)傳動(dòng)方案

轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)方案如圖4所示。轉(zhuǎn)盤由1臺(tái)交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器同步將動(dòng)力輸入鏈條箱輸入軸，經(jīng)一級(jí)鏈輪減速后由萬(wàn)向軸傳給轉(zhuǎn)盤輸入軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤工作。鏈條箱有2擋，轉(zhuǎn)盤可實(shí)現(xiàn)2擋傳動(dòng)，換擋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)性能好。

圖4 轉(zhuǎn)盤2擋傳動(dòng)方案

2 運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)

1） 由于轉(zhuǎn)盤采用獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)，改變了原來機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)動(dòng)力由鏈條或萬(wàn)向軸傳動(dòng)方式傳輸上鉆臺(tái)的模式，大幅縮短了傳動(dòng)鏈，提高了傳動(dòng)效率，減少了安裝工序與難度，解除了鉆臺(tái)面高度受機(jī)房后臺(tái)至鉆臺(tái)傳動(dòng)方式的限制，完全可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝防噴器組高度的要求設(shè)計(jì)鉆臺(tái)高度。同時(shí)鉆臺(tái)底座采用旋升式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鉆臺(tái)面設(shè)備低位安裝，克服了傳統(tǒng)箱塊式底座結(jié)構(gòu)復(fù)雜、吊裝困難等缺點(diǎn)。

2） 轉(zhuǎn)盤采用變頻電機(jī)與1擋或2擋減速箱配合使用。交流變頻電機(jī)技術(shù)由于其兼容性好，可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字一體化控制，進(jìn)一步增大了轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與扭矩變化范圍，大幅提升了轉(zhuǎn)盤的工作能力，有利于滿足不同的鉆井工況對(duì)鉆井技術(shù)參數(shù)要求。

3） 井架底部開檔較大，鉆臺(tái)底座凈空高可滿足不同井型安裝不同防噴器組合要求，絞車采用低位安裝，鉆臺(tái)面開闊；配備了一體化司控房，司鉆的視野及操作的舒適性增強(qiáng)；同時(shí)鉆臺(tái)傳動(dòng)得到簡(jiǎn)化，底座的結(jié)構(gòu)型式更加簡(jiǎn)潔，拆裝方便快捷。

4） 復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在投資成本上較機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)略有增加，較電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)有較大節(jié)余。以ZJ40LDB型鉆機(jī)為例，其具有優(yōu)越的控制性能與優(yōu)良的性價(jià)比，一次性投資較ZJ40DB型鉆機(jī)少￥1 000萬(wàn)元以上，與長(zhǎng)慶油田的低成本開發(fā)具有良好的適配性，已普遍為用戶所接受。

5） 鉆機(jī)采用液力柔性傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，同時(shí)配備有節(jié)能發(fā)電機(jī)裝置，根據(jù)工況的變化可充分利用柴油機(jī)的余功率帶動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)為井場(chǎng)供電及為轉(zhuǎn)盤動(dòng)力提供動(dòng)力，大幅節(jié)約了燃油消耗費(fèi)用，節(jié)能效果明顯。

6） 司鉆控制采用PLC邏輯控制，所有氣路、液路、電路控制信號(hào)均進(jìn)入PLC一體化控制，各種故障報(bào)警及互鎖功能更加完善；同時(shí)，在絞車上配備了電機(jī)自動(dòng)送鉆裝置，可恒鉆壓或均速鉆進(jìn)，控制精確，提高了井身質(zhì)量，減輕了司鉆的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 改進(jìn)完善

3.1 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)撬

1） 根據(jù)以往轉(zhuǎn)盤先期損壞的特點(diǎn)，把配套的轉(zhuǎn)盤規(guī)格進(jìn)行提升，將ZJ30LDB型、ZJ40LDB型、ZJ50LDB型鉆機(jī)配套的轉(zhuǎn)盤規(guī)格分別由ZP175、ZP205、ZP275型提升到ZP205、ZP275、ZP375型，本質(zhì)上提升了轉(zhuǎn)盤工作能力。

2） 根據(jù)大斜度井、水平井日益嚴(yán)格的施工工藝要求，將轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)減速箱由1擋減速逐步完善為2擋減速，進(jìn)一步增大了轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與扭矩變化范圍，速度范圍寬、扭矩大，進(jìn)一步提升了轉(zhuǎn)盤的工作能力。

3） 轉(zhuǎn)盤慣剎由氣囊離合方式改進(jìn)為氣動(dòng)液壓慣剎方式，進(jìn)一步提高了慣剎響應(yīng)的及時(shí)性。

4） 將轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，如把ZJ30LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤電機(jī)的功率由300kW提升為400kW，解決水平井等特殊工藝井施工或處理井下事故過程中井下扭矩大與電機(jī)扭矩安全保護(hù)限制的矛盾，提高了鉆機(jī)井下事故的處理能力。

3.2 動(dòng)力機(jī)組

根據(jù)燃料性價(jià)比分析，可將后續(xù)配套的ZJ50LDB型鉆機(jī)配置的G12V190PZL－3型柴油機(jī)更新為AD12V190PZLT－3型燃?xì)鈾C(jī)組，發(fā)電機(jī)組配置為濟(jì)柴的G12V190ZDT1－2型、TAD1461GE型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，降低燃油消耗成本。

3.3 泥漿泵

根據(jù)長(zhǎng)慶油田鉆井需要經(jīng)常進(jìn)行鉆機(jī)油轉(zhuǎn)氣或氣轉(zhuǎn)油施工調(diào)遷的實(shí)際情況，ZJ30LDB型、ZJ40LDB型鉆機(jī)先配置1臺(tái)SL3NB－1000A型或F－1300型泥漿泵，可依據(jù)排量、泵壓等鉆井工藝要求增配1套單機(jī)泵組進(jìn)行并合運(yùn)行。目前，還可配套寶石新制造投用的F1－1600輕型泥漿泵。

3.4 底座推移系統(tǒng)

考慮到叢式井的施工要求，前期配套的鉆機(jī)在底座上留有推移系統(tǒng)安裝接口。但為避免二次改造，后期配套的復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)全部將底座推移系統(tǒng)一次性安裝配套到位，叢式氣井的搬安時(shí)間由原來的平均2d縮短為平均6h。

3.5 節(jié)能發(fā)電機(jī)

根據(jù)柴油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行速度范圍，優(yōu)化調(diào)整了鏈條并車傳動(dòng)箱附帶節(jié)能發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)比，并選用無(wú)刷恒壓同步寬頻結(jié)構(gòu)的西門子節(jié)能發(fā)電機(jī)。由于該發(fā)電機(jī)的電樞、磁通、絕緣、勵(lì)磁、電壓調(diào)節(jié)等方面做了新的設(shè)計(jì)及調(diào)整，使發(fā)電機(jī)在柴油機(jī)頻率變化范圍±10%內(nèi)，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在（1 000±100）r／min范圍（頻率在45～55Hz范圍）變化時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓輸出滿足（400±60）V，加大了作為被動(dòng)對(duì)象的節(jié)能發(fā)電機(jī)適應(yīng)柴油機(jī)隨載荷變化轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)的能力范圍。由于變頻器通常要求供電頻率變化范圍、電壓變化范圍分別為±6%、－15%～＋10%；一般交流電機(jī)及照明適合頻率變化范圍、電壓變化范圍應(yīng)分別不超出±8%、±10%～15%，同時(shí)由于轉(zhuǎn)盤變頻器和MCC柜均有過、欠壓保護(hù)，過電流限制保護(hù)等規(guī)定和措施，轉(zhuǎn)盤變頻器還有過、欠頻保護(hù)，只要保護(hù)值設(shè)置合適，可避免因柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)盤電機(jī)變頻器及井場(chǎng)其他交流電機(jī)及照明等設(shè)備設(shè)施造成的破壞。

3.6 電磁剎車

根據(jù)以往ZJ30型、ZJ40型鉆機(jī)因鉆井施工工藝變化，井深、井斜、水平段逐年增加，負(fù)荷增大造成起下作業(yè)過程中電磁剎車線圈易燒損、轉(zhuǎn)子軸過載扭斷的實(shí)際情況，為進(jìn)一步保證起下鉆作業(yè)安全，提高電磁剎車的服役壽命周期，打破行規(guī)將ZJ30LDB型、ZJ40LDB型鉆機(jī)的配套電磁剎車規(guī)格分別由FDWS30、FDWS40提升到FDWS40、FDWS50，制動(dòng)扭矩分別提高了100%、95%，本質(zhì)上提升了電磁剎車與鉆機(jī)的工作安全可靠性。

3.7 井口機(jī)械化工具

放棄了原先電磁閥島控制方式的液壓貓頭，選用寶雞液壓件廠的YMII－10型、YM－16IIB1型液壓貓頭，安裝板與鉆臺(tái)面箱座螺栓固定（以往為支撐固定），外觀簡(jiǎn)潔，操作方便，關(guān)鍵是克服了電磁閥島方式控制的液壓貓故障難處理的缺點(diǎn)，提高了其工作可靠性。

4 需進(jìn)一步解決的問題

1） 自動(dòng)送鉆裝置在恒鉆壓鉆進(jìn)使用過程中與司鉆手控操作相比鉆時(shí)過慢，不能滿足提速要求，導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)未能很好地應(yīng)用，使用頻率不高。

2） 在司鉆控制房未預(yù)留氣動(dòng)卡瓦氣路安裝控制接口位置，在使用推廣氣動(dòng)卡瓦時(shí)需要重新在操作面板上開口確定安裝固定位置，影響面板布局及其正壓防爆性能。

3） 液壓盤剎操控系統(tǒng)未設(shè)有盤剎失電保護(hù)功能，需要及時(shí)完善。如果盤剎液壓站柱塞泵一旦即時(shí)失電停止工作，司鉆在未得到提醒的狀況下往往因反應(yīng)滯后不能及時(shí)采取有效措施，絞車盤剎失去控制，易造成井下、設(shè)備及人身傷害事故。2009—2011年，已發(fā)生了4起均與該功能缺失有關(guān)的鉆臺(tái)險(xiǎn)肇事件，造成方鉆桿彎折或頂驅(qū)損壞。

5 結(jié)論

1） 2010年，ZJ50LDB鉆機(jī)平均鉆井周期48.94d、平均水平段長(zhǎng)1 010.75m，其中蘇東67－07H1井僅用28.08d順利完鉆，完鉆井深4 824m，水平段長(zhǎng)1 319m。2011年，該鉆機(jī)已完成氣田水平井6開6完。2011－10－09，在蘇里格氣田施工的2臺(tái)ZJ40LDB型鉆機(jī)分別以222d2h、222d9h的有效生產(chǎn)時(shí)間刷新氣田40 000m年進(jìn)尺原224d6 h的紀(jì)錄。其中，蘇東61－06井設(shè)計(jì)井深3 409m，水平位移549.67m。彰顯了復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在長(zhǎng)慶鉆井單隊(duì)單機(jī)的作戰(zhàn)競(jìng)爭(zhēng)能力及高端鉆井市場(chǎng)“主力軍”作用。

2） 復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在長(zhǎng)慶油田經(jīng)過初期使用、后期不斷完善改進(jìn)，使用效果良好，其設(shè)計(jì)性能得到了充分驗(yàn)證，滿足了新形勢(shì)下鉆井工藝的要求，目前已成為川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井總公司在長(zhǎng)慶油田進(jìn)行勘探開發(fā)的主力機(jī)型。

［1］ 王瑞成，馬永恒，聶永坤，等.ZJ30DBT型鉆機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（10）：60－64.

［2］ 楊佳怡.ZJ50／3150DB型自行式鉆機(jī)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（10）：83－85.

［3］ 周天明，張革民，王建川，等.新型ZJ40／2250J型鉆機(jī)研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（10）：69－72.

［4］ 溫曉莉，田建新，趙學(xué)鋒，等.ZJ50／3150LDB－1型鉆機(jī)研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（10）：86－89.

［5］ 馮彥偉.ZJ50／3150JD型鉆機(jī)的研制與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（6）：58－60.

［6］ 寶雞石油機(jī)械有限公司.ZJ30／1700LDB鉆機(jī)技術(shù)文件［Z］.2006.

［7］ 寶雞石油機(jī)械有限公司.ZJ40／2500LDB4鉆機(jī)技術(shù)文件［Z］.2005.

［8］ 寶雞石油機(jī)械有限公司.ZJ50／3150LDB2鉆機(jī)技術(shù)文件［Z］.2008.

1001－3482（2012）03－0082－05

TE922

B

2011－09－23

王瑞成（1975－），男，河南通許人，工程師，主要從事鉆井設(shè)備管理工作，E－mail：zjssbrc＠cnpc.com.cn。