張虎山 春 晨 楊 峰 羅小強 陳思祥 張革民 索文濤

(1.寶雞石油機械有限責任公司 2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司3.中國石油新疆油田公司新港公司)

0 引 言

近年來，中東地區(qū)的阿聯(lián)酋、科威特、阿曼和沙特等鉆井市場不僅對移運鉆機的需求量加大，而且對鉆機的移運性能要求也不斷提高，比如實現(xiàn)大模塊運輸、鉆機直立移運以及無吊車搬家等要求。為滿足鉆機24 h快速搬家的要求，2013年寶雞石油機械有限責任公司(簡稱寶石機械)為阿聯(lián)酋國家鉆井公司研制了7 000 m快速移運拖掛鉆機，這套鉆機的成功研制打破了歐美等企業(yè)對中東和北非等高端石油市場的長期壟斷[1-6]。但隨著國內(nèi)外油氣勘探開發(fā)不斷向縱深發(fā)展，高移運性深井和超深井鉆機的研制已被提上日程。2019年1月，寶石機械針對科威特用戶9 000 m快速移運鉆機的特殊需求，進行了高移運性大功率9 000 m超深井鉆機配套絞車的研制。

常規(guī)9 000 m超深井鉆機絞車體積大、質(zhì)量大且結構復雜，絞車安裝在鉆機底座后臺，無法滿足鉆機快速移運的要求[7]。鉆機須進行輕量化設計,絞車安裝在鉆臺面上，隨底座整體移運[8]。因此開發(fā)了一種結構緊湊、質(zhì)量輕及功率大的絞車，可用于9 000 m快速移運鉆機，且能夠滿足最大鉆柱重力載荷3 650 kN和最大鉤載6 750 kN的使用要求。

1 技術分析

1.1 結構

絞車結構示意圖如圖1所示。滾筒體左側采用兩個方鍵與滾筒軸連接，滾筒軸通過軸承座式支架固定，比墻板式絞車架結構簡單、質(zhì)量輕。該絞車配雙剎車盤，6套工作鉗和4套安全鉗布置在滾筒后側[9]，鋼絲繩出繩點在滾筒前側，剎車鉗不用避讓鋼絲繩，剎車盤設計成不帶軸肩的結構，滾筒軸總成結構更加緊湊；滾筒右側布置減速箱，減速箱采用“凹”形結構，減速箱的輸出軸和輸入軸都采用花鍵連接形式，分別通過聯(lián)軸器與滾筒軸、1 100 kW交流變頻電機連接；滾筒軸左側安裝有水葫蘆和儀表裝置，分別用于冷卻進、回水和安裝編碼器；2套45 kW自動送鉆裝置分別安裝在減速箱送鉆軸上；為了考慮絞車的重心位置，絞車的左側布置了潤滑裝置和冷卻器，并在下方設有油箱；盤剎控制和防碰控制等集中布置在絞車后側，而換擋控制集成設計在減速箱上，減少了管線在底座的布置數(shù)量；絞車4處設有吊耳，采用一撬式吊裝。

1—主電機A；2—減速箱；3—送鉆電機A；4—軸承座總成；5—滾筒軸；6—滾筒體；7—護罩；8—潤滑裝置；9—液壓盤式剎車；10—閥島箱A；11—聯(lián)軸器A；12—送鉆電機B；13—閥島箱B；14—主電機B；；15—水葫蘆；16—過圈閥；17—支架；18—送鉆換擋；19—聯(lián)軸器B；20—減速箱換擋；21—吊耳；22—連接螺栓；23—定位塊；24—儀表裝置。圖1 絞車結構示意圖Fig.1 Drawworks structure

1.2 主要技術參數(shù)

絞車額定輸入功率：2 200 kW；

最大快繩拉力：639 kN；

適用鋼絲繩直徑：45 mm；

開槽滾筒尺寸：?915 mm×1 835.1 mm；

剎車盤尺寸：?2 000 mm×75 mm；

鉤速(14繩數(shù))：0～1.73 m/s；

滾筒轉(zhuǎn)速：0～412 r/min；

外形尺寸：7 825 mm×3 265 mm×3 265 mm；

質(zhì)量：54 000 kg。

2 關鍵技術

2.1 滾筒纏繩量的確定

絞車滾筒纏繩量應充分考慮絞車在各種工況下的使用，包括鉆機的起升、頂驅(qū)起下鉆、頂驅(qū)鉆井、水龍頭鉆井及游車大鉤起下鉆等工況，按照每種工況下所需最大纏繩量來設計。9 000 m鉆機采用?45-6×21S-IWRC-EIP型鉆井鋼絲繩，直徑為45 mm。游吊對應滾筒纏繩量如圖2所示。圖2中A、B、C分別為游吊下止點在鉆臺時的高度、起下鉆時游吊上止點高度及井架預留的安全高度，m；D0、D1、D4分別為滾筒原始直徑、第1層纏繩直徑及第4層纏繩直徑，mm；L1、L分別為滾筒開襠尺寸、滾筒開襠尺寸(帶側板)，mm；鉆桿操作高度為1 219 mm；操作空間距離為305 mm。在頂驅(qū)鉆井和頂驅(qū)起下鉆工況下滾筒纏繩量最大，按照YC675游車配套DQ90頂驅(qū)計算得游吊系統(tǒng)所需行程S=B-A=30.6 m，其中A=9.5 m，B=39.8 m。所需滾筒鋼絲繩長度W=πnDn+Sz=470.6 m，其中n為滾筒預留的繩數(shù)量，取值為14，z為鉆井繩數(shù)，取值為14，Dn為滾筒直徑與纏繩直徑之和。在此工況下滾筒纏繩量為第1～3層纏滿，第4層纏21圈，還有19圈的儲備纏繩量。因此絞車強度按照4層纏繩來計算，以滿足各種工況的使用要求。

此外，絞車滾筒采用兩瓣式帶側板結構，在使用?42 mm鉆井鋼絲繩時只需更換滾筒體的槽體和側板即可，增強了絞車的通用性。

圖2 游吊對應滾筒纏繩量Fig.2 Line winding amount of drum corresponded by travelling crane

2.2 提升性能

鉆機按照?114 mm鉆柱標定載荷[10]，但通常9 000 m鉆機的最大鉆柱重力載荷按照?127 mm鉆桿和36 kg/m鉆桿的鉆桿重力計算，即為3 250 kN。根據(jù)科威特用戶作業(yè)需要，此絞車要能滿足最大鉆柱重力載荷為3 650 kN，整體設計高于標準要求。絞車的設計充分考慮了不同工況的使用要求，按14繩數(shù)下的承載能力進行計算，詳細結果見表1。

表1 絞車的提升性能(14繩數(shù))Table 1 Lifting performance of drawworks (14 lines)

2.3 一體式減速箱的設計

雙送鉆一體式減速箱由1個主減速箱、2個送鉆減速箱和2個45 kW防爆交流變頻電動機組成。一體式減速箱外形圖如圖3所示。主減速箱采用兩級傳動合流對稱傳動輸出方式，設高、低速2個擋位[11-13]。雙自動送鉆裝置由減速箱、送鉆減速箱和電機組成，減速箱與電機軸頭采用插入式安裝。減速箱輸出軸通過一級齒輪外掛齒輪箱將動力傳到主減速箱送鉆輸入軸，輸入軸通過一級齒輪傳動與主減速箱低速齒輪嚙合，送鉆減速箱與主減速箱為剛性連接。送鉆輸入軸上設有齒式掛合機構。輸入軸對稱布置在主減速箱中間軸上方，雙送鉆電機、減速箱及送鉆減速箱對稱布置在中間軸兩側。送鉆電機輸入與主電機相反。主減速箱采用強制噴油潤滑形式，送鉆外掛減速箱采用飛濺潤滑。主減速箱換擋采用氣缸換擋方式，擋位設有高速擋、低速擋和空擋3個擋位，當掛合高速擋和低速擋的任一擋位時都有相應的開關量電信號輸出。送鉆輸入軸掛合脫開后也采用氣缸換擋方式，擋位設有掛合擋和空擋2個擋位，當在掛合擋和空擋的任一擋位時都具有相應的開關量電信號輸出。

減速箱采用對稱結構設計，設有輸入軸、傳動軸、送鉆軸及輸出軸，其中送鉆減速箱懸掛在送鉆軸上，兩個減速箱間用連接板連接。在載荷不大的情況下，允許單電機輸入，此時可通過絞車換擋單邊采用空擋來防止反拖另一臺電機。同理，自動送鉆裝置也可實現(xiàn)單臺輸入。根據(jù)載荷情況，調(diào)整輸入功率，降低了能耗。常規(guī)減速箱的輸入軸、輸出軸采用平鍵的方式與聯(lián)軸器連接，該減速箱輸入軸與輸出軸均采用花鍵形式，壓縮了絞車的整體長度。

圖3 一體式減速箱Fig.3 Integrated gearbox

2.4 輕量化設計

常規(guī)JC90DB交流變頻絞車底座高度為700 mm，采用4根主梁，分為3個模塊。通過方案優(yōu)化，一體式絞車底座僅為1個模塊，高度為450 mm，采用3根主梁，質(zhì)量減輕了11 300 kg。

采用模塊集成設計思路，絞車的盤剎控制與過圈閥防碰控制采用一個閥島控制箱，減速箱換擋、送鉆換擋離合采用一個閥島控制箱，并采用以太網(wǎng)控制技術。常規(guī)9 000 m交流變頻絞車配置雙減速箱和雙自動送鉆，絞車整體質(zhì)量大、體積大[14]。本設計首次在9 000 m大功率絞車上配置單減速箱，并將雙送鉆集成在減速箱上，大大減輕了絞車的整體質(zhì)量，縮小了絞車的占位空間[15]。

2.5 電氣控制技術

氣控系統(tǒng)是絞車控制的重要組成部分，主要包括自動送鉆控制﹑過圈防碰控制和減速箱換擋控制3部分。絞車的氣源由鉆機空氣處理裝置經(jīng)凈化干燥處理后提供，壓力為0.7～0.9 MPa。絞車氣動控制包括2個閥島箱，其中1個安裝在減速箱上，另1個安裝在滾筒后方。減速箱上的閥島箱用以控制自動送鉆掛合和脫開及減速箱的換擋，滾筒后方的閥島箱主要用以控制過圈防碰和盤剎。兩個閥島箱的控制信號均來自司鉆房，操作面板或者觸摸屏的控制信號經(jīng)PLC邏輯運算后輸出到閥島內(nèi)相應的電磁閥，通過電磁閥控制各執(zhí)行組件充氣與放氣。采用數(shù)字以太網(wǎng)傳輸技術，I/O模塊集成在閥島箱內(nèi)，常規(guī)多芯電纜直徑為30 mm，而數(shù)字傳輸電纜直徑僅為8 mm。

2.6 剎車冷卻裝置

為滿足科威特沙漠地區(qū)最高環(huán)境溫度達55 ℃的作業(yè)需求，設計了強制冷裝置，用于剎車盤的冷卻。盤剎冷卻原理如圖4所示。冷卻裝置由離心泵、冷卻器、壓力表、液位計、液位傳感器、溫度傳感器、流量傳感器及壓力傳感器組成，可以實時監(jiān)控冷卻裝置的運行狀態(tài)。2臺離心泵供液，1用1備。為滿足正常的循環(huán)使用要求，水箱容量為1 500 L。司鉆通過司鉆控制房內(nèi)的顯示器實時監(jiān)控泵出口壓力、回水溫度、水箱液位及回水流量，當在運轉(zhuǎn)過程中，回水溫度或泵出口壓力超出了設定值時，開始報警，保證設備的正常運行?；厮疁囟鹊膱缶悼蓞⒖疾僮鞯沫h(huán)境溫度和冷卻劑的沸點值進行設定，出口壓力的報警值為220 kPa。該冷卻裝置有效保證了絞車在高溫環(huán)境下的正常運行。

1—滾筒軸總成；2—溫度傳感器；3—注水口；4—流量計；5—冷卻器；6—水箱；7—顯示器；8—電控柜；9—液位傳感器；10—1#離心泵；11—蝶閥；12—2#離心泵；13—壓力傳感器；14—壓力表。圖4 盤剎冷卻原理圖Fig.4 Cooling principle of disc brake

3 關鍵承載件受力分析

3.1 滾筒軸

3.1.1 載荷分析

滾筒軸在絞車工作過程中受到滾筒軸外繩拉力、軸上安裝件的重力及軸承支反力作用，由于絞車提升最大鉤載時，滾筒軸受載最大，同時由于快繩拉力在滾筒左、右側的作用不同，所以將快繩拉力分在滾筒左、右側兩種情況對滾筒軸進行有限元分析。提升最大鉤載時滾筒軸所承受的快繩拉力Pmax=639 kN，快繩拉力方向與豎直面的夾角為θ，取值為5°。提升最大鉤載時滾筒軸受力分解如圖5所示。從圖5可知，該拉力沿水平方向分力為PmaxX=Pmaxsinθ=55.7 kN，沿豎直方向分力PmaxY=Pmaxcosθ=636.6 kN。滾筒軸質(zhì)量(包含滾筒軸、筒體、槽體和剎車盤等)約為11 000 kg 。

3.1.2 約束和載荷

在提升最大鉤載工況下(分快繩在滾筒左側和在滾筒右側兩種情況進行計算)分別加載快繩拉力和滾筒軸重力。其中快繩拉力采用遠端力加載，電機的動力通過鍵和聯(lián)軸器傳遞，即經(jīng)軸的鍵面使?jié)L筒軸承受扭矩。確保滾筒軸的受載情況與實際工作時最大程度地相符。

圖5 滾筒軸受力分解圖Fig.5 Force on drum shaft

3.1.3 結果分析

圖6 滾筒軸受力分析云圖Fig.6 Force analysis cloud chart of drum shaft

3.2 底座

3.2.1 載荷分析

絞車底座吊裝時受載情況最為惡劣。底座吊裝時主要承受安裝在其上的盤剎、減速箱、電機、滾筒軸總成及自動送鉆裝置等的重力作用。

3.2.2 約束和載荷

根據(jù)絞車底座的結構尺寸，放開底座一端吊耳切向和軸向自由度，并放開另一端吊耳的旋轉(zhuǎn)和水平方向平移自由度，約束其他方向的自由度，將各主要承載件質(zhì)量換算成力加載在對應的底座面上。

3.2.3 結果分析

對處理完成的模型進行有限元分析計算，得到絞車底座的應力和位移云圖，如圖7所示。從圖7a可以看出，最大應力值為111.64 MPa。

圖7 底座受力分析云圖Fig.7 Force analysis cloud chart of base

4 試驗情況及對比分析

絞車廠內(nèi)試驗包括整車3 h的空運轉(zhuǎn)試驗、剎車盤的磨合、邏輯功能測試、換擋試驗、30 min自動送鉆空運轉(zhuǎn)試驗、防碰功能測試、排繩試驗[18]，以及鉆機的起升、下放試驗和鉆機的聯(lián)合調(diào)試。試驗結果表明，絞車軸承最大溫升為30℃，噪聲最大為82 dB(A)，邏輯功能正常，無漏油現(xiàn)象，滿足HSE要求，驗證了設計的合理性。

2019年10月絞車隨鉆機出廠，應用于科威特9 000 m拖掛鉆機項目中，在中東沙漠地區(qū)環(huán)境溫度55 ℃、濕度100%的環(huán)境下使用。2020年7月鉆機成功在油田現(xiàn)場完成起升。

常規(guī)9 000 m鉆機用分體式絞車因為質(zhì)量大、尺寸大，不能布置在鉆臺高位。一體式絞車上采用單減速箱設計，2套自動送鉆裝置集成在主減速箱上；采用以太網(wǎng)通信技術、盤剎控制與減速箱控制且分模塊控制，減少了絞車底座上76%管線與電纜數(shù)量；減速箱輸入軸和輸出軸采用花鍵連接方式，縮短了絞車底座長度(7 750 mm)；通過集成設計，與常規(guī)絞車相比，整體減重35%，實現(xiàn)了一撬吊裝運輸。絞車在加工制造工藝、輕量化設計和提升性能等方面得到了很大的提升。兩種交流變頻絞車性能對比見表2。

表2 兩種交流變頻絞車的性能對比Table 2 Performance comparison of two AC variable frequency drawworks

5 結 論

(1)JC90DB一體式鉆井絞車結構緊湊、尺寸小、質(zhì)量輕，適用于鉆臺高位布置，為9 000 m超深井拖掛鉆機的研制奠定了基礎，實現(xiàn)了超深井大功率絞車的一撬式吊裝，安裝方便。自動送鉆提升載荷大，滿足中東地區(qū)用戶的使用需求。

(2)集成一體式減速箱的設計和電氣控制技術的應用，大大減少了底座管線布置數(shù)量，維護保養(yǎng)更為方便。通過更換側板和槽體可適用直徑為45和42 mm兩種規(guī)格的鉆井鋼絲繩，增強了滾筒體的通用性。

(3)JC90DB一體式鉆井絞車廠內(nèi)以及油田現(xiàn)場試驗結果驗證了絞車設計的合理性。該絞車可推廣應用于常規(guī)鉆機、拖掛鉆機及海洋鉆機，能適應海洋、沙漠及寒冷等環(huán)境下的施工作業(yè)。