石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向分析

引言

隨著石油鉆采裝備的自動化、智能化發(fā)展,傳統(tǒng)多級傳動絞車因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、傳動效率低、維護(hù)成本高、本質(zhì)安全性差等因素,已逐漸無法滿足現(xiàn)有鉆機(jī)的配套要求。近年來,直驅(qū)技術(shù)在石油鉆采領(lǐng)域被快速推廣,其主要應(yīng)用在絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、頂驅(qū)、自動化機(jī)具等設(shè)備上。

本文重點針對直驅(qū)技術(shù)在鉆井絞車領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究,并提出觀點。

1石油鉆井對絞車的要求

石油鉆井絞車是一種多功能起重工作機(jī),其工作性質(zhì)不同于一般起重設(shè)備。研究石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù),需根據(jù)鉆井工況分析石油鉆井作業(yè)對絞車的要求。

(1)足夠的提升能力:在鉆井過程中,鉆井絞車實現(xiàn)鉆具的提升、下放,為了滿足最大鉤載的作業(yè)需求,應(yīng)具備足夠的提升能力。

(2)較寬的調(diào)速范圍:根據(jù)鉆井作業(yè)工況,每下放一立根,需空鉤快速上行,再次抓取鉆具繼續(xù)下放:另外,為了提高作業(yè)效率,鉆井絞車需根據(jù)不同的載荷,具備較寬的調(diào)速范圍,而不失其提升能力。

(3)起升、下放井架底座:以絞車為動力源完成井架、底座的起升和下放工作。

(4)緊急事故處理能力:時刻具備活動鉆具、解卡、處理復(fù)雜井下事故的能力。

(5)超低頻精準(zhǔn)控制自動送鉆:鉆進(jìn)時,懸吊鉆具,并實現(xiàn)恒鉆壓或恒鉆速精準(zhǔn)控制鉆進(jìn)。

(6)下套管:完鉆后,需進(jìn)行下套管作業(yè),以便快速完成固井,提高完井質(zhì)量。

(7)應(yīng)急預(yù)案:在作業(yè)安全方面,絞車一旦出現(xiàn)故障,整個作業(yè)過程基本中斷,甚至?xí)l(fā)生重大安全事故,因此,絞車還必須具備較高的可靠性、靈敏的控制系統(tǒng)、安全的剎車系統(tǒng)。同時,在主電機(jī)、電控等出現(xiàn)故障的情況下,應(yīng)具備應(yīng)急提升、活動鉆具功能。

2石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù)現(xiàn)狀

近年來,直驅(qū)技術(shù)發(fā)展迅速,促進(jìn)了石油鉆采裝備直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展。蘭石集團(tuán)對絞車直驅(qū)技術(shù)研究應(yīng)用較早,2005年,蘭石研制直升機(jī)吊裝鉆機(jī)初期,就率先研發(fā)直驅(qū)絞車,采用異步電機(jī)直接驅(qū)動滾筒軸,但因電機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)限制,沒有實現(xiàn)工業(yè)化。隨后,研發(fā)者轉(zhuǎn)變思路研制半直驅(qū)絞車,在滾筒軸一端懸掛大齒輪,在異步電機(jī)軸頭懸掛小齒輪,采用一級減速裝置,去除齒輪傳動箱體。這種方案能簡化絞車傳動系統(tǒng),消除電機(jī)技術(shù)限制,滿足送鉆控制精度要求,降低送鉆過程中的能量損耗,實現(xiàn)直升機(jī)吊裝要求。

寶雞石油機(jī)械廠在JC30~90絞車上廣泛應(yīng)用直驅(qū)技術(shù),均采用異步電機(jī)驅(qū)動,電機(jī)分別布置在滾筒軸一側(cè)或兩側(cè),與滾筒體通過鼓形齒式聯(lián)軸器連接,如圖1所示,其技術(shù)特點:結(jié)構(gòu)簡單、拆裝工作量小:布局緊湊,整齊美觀:傳動效率高,維護(hù)保養(yǎng)少。

宏華在JC40~70絞車上先后應(yīng)用直驅(qū)技術(shù),均采用單異步電機(jī)或雙異步電機(jī)直接驅(qū)動滾筒,無減速換擋機(jī)構(gòu)、無聯(lián)軸器,將電機(jī)定子直接和絞車墻板融合設(shè)計,如圖2所示。與傳統(tǒng)絞車相比,其體積小40%,重量輕25%,保養(yǎng)工作量減少70%~80%。

圖1寶石直驅(qū)絞車

圖2宏華直驅(qū)絞車

3永磁直驅(qū)絞車技術(shù)

目前,直驅(qū)絞車均采用異步電機(jī),未采用永磁電機(jī),原因在于石油鉆井對絞車的可靠性、安全性要求極高,同時,鉆井絞車需在不同工況分別具備較大加速度、較高運(yùn)行速度、超低頻運(yùn)行穩(wěn)定性、大負(fù)載持續(xù)提升性能。如圖3所示,因為材料的物理特性,隨著溫度的升高,永磁體磁性會快速下降,甚至?xí)l(fā)生失磁。

圖3永磁體磁性隨溫度變化曲線

另外,綜合考驗永磁電機(jī)的磁場、溫度場、流體場以及機(jī)械性能的輸出性,是一個多物理參量相互影響與多目標(biāo)參數(shù)相互優(yōu)化的結(jié)果,如圖4所示。

圖4石油絞車永磁電機(jī)多物理參量相互影響關(guān)系

4異步直驅(qū)絞車測試

在滿足設(shè)備性能的前提下,直驅(qū)的目的是減少傳動鏈,提高傳動效率,提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。下面對不同絞車進(jìn)行效率測試(圖5、表1),得出如下結(jié)論:同負(fù)載下永磁直驅(qū)絞車效率最高,其次是異步半直驅(qū)絞車,最后是異步直驅(qū)絞車:同時,在負(fù)載降低時異步直驅(qū)絞車效率降低幅度較大,半直驅(qū)和永磁直驅(qū)絞車降低幅度較小,反映出在重載情況下異步直驅(qū)能耗較高,在高速輕負(fù)載下異步直驅(qū)能耗更高,在超低速送鉆狀態(tài)下長時間工作,異步直驅(qū)能耗較大。前文講到永磁直驅(qū)在石油鉆井絞車上沒有被應(yīng)用,這里不再論述。

5工業(yè)試驗驗證

筆者先后調(diào)研了不同工況、不同級別的19臺直驅(qū)絞車工業(yè)應(yīng)用,其在綜合能耗、設(shè)備成本、控制成本、送鉆性能和維護(hù)成本方面相對半直驅(qū)絞車均有所增加,尤其是大級別直驅(qū)絞車,其綜合能耗增加較大,結(jié)果如表2所示。

根據(jù)工業(yè)應(yīng)用驗證,對異步直驅(qū)絞車和傳統(tǒng)絞車進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析,得出以下結(jié)論:

異步直驅(qū)絞車具有重量輕、體積小、維護(hù)成本低等優(yōu)點,但存在以下問題:(1)裝機(jī)功率大,電機(jī)能耗高:(2)變頻器配套功率加大,電控成本高:(3)主電機(jī)超低頻控制精度較低,導(dǎo)致自動送鉆穩(wěn)定性差,鉆壓波動較大:(4)工作噪聲大,由于發(fā)熱量較大,單臺絞車配4臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻,絞車在部分轉(zhuǎn)速段存在嘯叫聲:(5)應(yīng)急預(yù)案不足。

而半直驅(qū)絞車具有效率較高、重量較輕、體積小、維護(hù)成本較低、送鉆性能很穩(wěn)定、控制制造成本較低、能耗較低、擁有應(yīng)急預(yù)案等優(yōu)點。

6石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù)發(fā)展建議

雖然我國在石油鉆井絞車直驅(qū)技術(shù)領(lǐng)域已取得一定突破,但其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)暫時無法滿足市場要求,這是導(dǎo)致其推進(jìn)緩慢的主要原因之一。

綜合需求與市場導(dǎo)向,筆者提出建議如下:(1)開發(fā)新型直驅(qū)電機(jī),提高其安全性,降低裝機(jī)功率,降低輕載運(yùn)行功率損耗:(2)改善性能,提高超低頻控制精度,降低長時間超低頻作業(yè)時的自身能量損耗:(3)優(yōu)化主體結(jié)構(gòu),考慮采用水冷方式進(jìn)行降溫[4],降低工作噪聲:(4)提高基礎(chǔ)工業(yè)研發(fā)制造能力,推進(jìn)半直驅(qū)絞車發(fā)展理念,促進(jìn)石油裝備自動化、智能化技術(shù)發(fā)展。