張增年，陳剛，冉建，王建川，張洪，羅巍

（1.中國石油集團 川慶鉆探工程有限公司 設(shè)備處，成都 610056；2.西安寶美電氣工業(yè)有限公司，西安 710065）

0 引言

電動機直驅(qū)理論在20世紀中期得到快速發(fā)展，至20世紀90年代中期，世界上已有多家公司制造出電動機直驅(qū)設(shè)備，首先在高速機床中實現(xiàn)應(yīng)用。近年來又在風電、軌道交通、電動汽車領(lǐng)域成功應(yīng)用。

采用機電融合技術(shù)的電動機直驅(qū)設(shè)備在石油鉆井裝備領(lǐng)域已有應(yīng)用，2011年，大慶油田與寶石機械合作研發(fā)首臺1500 m直驅(qū)絞車及控制系統(tǒng)應(yīng)用效果良好[1]，目前已生產(chǎn)20余臺在油田使用，2018年在總結(jié)1500 m直驅(qū)絞車的基礎(chǔ)上研制了3000 m直驅(qū)絞車。寶美公司研制的系列直驅(qū)泥漿泵電動機已有超過500臺在油田使用。四川宏華研制的系列直驅(qū)頂驅(qū)已有超過200臺在油田使用[2]。研制7000 m直驅(qū)絞車并開展油田工業(yè)性試驗，驗證7000 m直驅(qū)絞車滿足鉆井作業(yè)要求。

1 技術(shù)方案

1.1 絞車結(jié)構(gòu)

JC-70DBZ型直驅(qū)絞車采用2臺1000 kW交流變頻電動機直接驅(qū)動滾筒軸[3]，直驅(qū)電動機通過聯(lián)軸器與絞車滾筒軸連接。絞車剎車系統(tǒng)采用主電動機能耗制動和液壓盤式剎車。液壓盤剎剎車力矩控制模式為PLC 程序控制，由控制系統(tǒng)根據(jù)動力模型自動投入進行下放。液壓盤式剎車采用全常閉鉗結(jié)構(gòu)，控制方式為電控液，盤剎液壓站安裝在絞車上，如圖1所示。

圖1 絞車結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

額定輸入功率為2000 kW；最大快繩拉力為485 kN；滾筒尺寸為φ770mm×1400mm；鋼絲繩直徑為φ38 mm；外形尺寸為6500 mm×2700 mm×2655 mm；剎車型式為主電動機能耗制動+液壓盤式剎車；質(zhì)量為34 600 kg[4]。

2 技術(shù)特點

1）取消常規(guī)變頻絞車齒輪減速箱，傳動效率高。常規(guī)變頻絞車由電動機通過2級齒輪減速后驅(qū)動絞車滾筒。直驅(qū)絞車取消中間環(huán)節(jié)，由低速大轉(zhuǎn)矩電動機直接驅(qū)動絞車滾筒，傳動效率提高了6.3%。

2）絞車維護工作量小。無機油潤滑，盤剎管線搬家不需再次拆裝，可避免出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

3）電動機運行轉(zhuǎn)速低并對電動機進行降噪設(shè)計，直驅(qū)絞車噪聲比常規(guī)絞車低。

4）液壓盤剎式剎車集成在絞車上，剎車響應(yīng)時間快，制動距離短。

5）直驅(qū)絞車尺寸縮小10%以上、質(zhì)量輕20%以上。7000 m直驅(qū)絞車比常規(guī)絞車長度縮短1300 mm，寬度縮小500 mm，質(zhì)量減輕12 t。

6）絞車集成控制系統(tǒng)集成配電、盤剎、氣路、信號采集，直驅(qū)絞車對外連接電、液、氣線路減少50%。

3 現(xiàn)場試驗

2019年2月27日，首臺JC-70DBZ直驅(qū)絞車開始在磨溪022-H30井應(yīng)用并進行了現(xiàn)場試驗，通過曲線采集、數(shù)據(jù)分析及比較，驗證了絞車主要性能參數(shù)。

3.1 最大鉤速測試試驗

2019年4月15日，絞車空吊卡上提，電動機轉(zhuǎn)速為400 r/min，最大鉤速為1.81 m/s，測試曲線及數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 測試曲線圖

3.2 剎車響應(yīng)時間測試

分別對常規(guī)絞車和直驅(qū)絞車的防碰制動（閥島制動）、緊急制動、駐車制動的響應(yīng)時間進行測試，測試曲線如圖3～圖5所示。

圖3 常規(guī)絞車和直驅(qū)絞車防碰制動測試曲線圖

圖4 常規(guī)絞車和直驅(qū)絞車緊急制動測試曲線圖

圖5 常規(guī)絞車和直驅(qū)絞車駐車制動測試曲線圖

經(jīng)試驗，直驅(qū)絞車防碰制動（閥島制動）響應(yīng)時間縮短1 s，緊急制動和駐車制動響應(yīng)時間縮短0.1 s。數(shù)據(jù)采集及比較如表1所示。

表1 剎車制動時間響應(yīng)數(shù)據(jù)采集比較表 s

3.3 絞車能耗的試驗及優(yōu)化

由于直驅(qū)絞車采用大功率大轉(zhuǎn)矩絞車直驅(qū)變頻電動機，在試驗時，通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與常規(guī)變頻絞車對比及分析，發(fā)現(xiàn)直驅(qū)絞車在高速或大功率工況下能耗與常規(guī)變頻絞車相當，而在低速且低功率工況下能耗高于常規(guī)變頻絞車。

針對此種情況，對直驅(qū)變頻電動機進行能耗的研究及分析論證，并對控制程序進行進一步的優(yōu)化和研究，實現(xiàn)了直驅(qū)絞車節(jié)能模式的應(yīng)用及控制，解決了直驅(qū)絞車在低速低功率工況下能耗高于常規(guī)變頻絞車的缺陷?，F(xiàn)場分別對常規(guī)變頻絞車和直驅(qū)絞車在同鉤速、同鉤載的工況下采用不同模式進行試驗，利用ABB driver composer軟件對電動機功率、電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進行采集，采集曲線如圖6～圖8所示。

圖6 常規(guī)變頻絞車曲線圖

圖7 直驅(qū)絞車（常規(guī)模式）曲線圖

圖8 直驅(qū)絞車（節(jié)能模式）曲線圖

圖9 直驅(qū)絞車現(xiàn)場應(yīng)用

經(jīng)試驗，直驅(qū)絞車采用節(jié)能模式，在高速或大功率工況下能耗與常規(guī)變頻絞車相當，而在低速且低功率工況下能耗優(yōu)于常規(guī)變頻絞車。數(shù)據(jù)采集及比較如表2所示。

表2 絞車鉤載25 t下電動機能耗數(shù)據(jù)對比表

首臺JC-70DBZ直驅(qū)絞車于2019年7月23日完成一口井作業(yè)，井深6410 m，設(shè)備累計運行5800 h，截至目前，設(shè)備已完成3口井作業(yè)。另有7臺JC-70DBZ直驅(qū)絞車分別在西部鉆探、渤海鉆探和長城鉆探作業(yè)，均已完成多口井作業(yè)。作業(yè)過程中，均未出現(xiàn)設(shè)備故障，絞車各項性能指標均滿足要求，設(shè)備運行安全可靠，符合設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1）3臺JC-70DBZ型直驅(qū)絞車都已完成2口井作業(yè)，現(xiàn)場使用證明直驅(qū)絞車滿足油田作業(yè)要求。

2）可靠性高，直驅(qū)絞車使用過程中性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)過故障性停機。

3）經(jīng)過現(xiàn)場實際測量，直驅(qū)絞車噪聲比常規(guī)絞車噪聲降低5～10 dB(A)。

4）經(jīng)現(xiàn)場實測，直驅(qū)絞車閥島制動響應(yīng)時間縮短1 s，緊急制動和駐車制動響應(yīng)時間縮短0.1 s。

5）隨著電動機技術(shù)和變頻控制技術(shù)的進步，各類型變頻絞車都可采用直驅(qū)絞車，應(yīng)用前景非常廣闊，直驅(qū)絞車是今后的發(fā)展方向[5]。