復合驅動鉆機在長慶油田的配套應用

王瑞成，秦建忠，王汝華，張衛東，王 宇，王 昕

（1.川慶鉆探長慶鉆井總公司，西安710018；2.咸陽市特種設備檢驗所，陜西咸陽712021；3.渭南市特種設備檢驗所，陜西渭南714000） ＊

復合驅動鉆機在長慶油田的配套應用

王瑞成1，秦建忠1，王汝華1，張衛東1，王 宇2，王 昕3

（1.川慶鉆探長慶鉆井總公司，西安710018；2.咸陽市特種設備檢驗所，陜西咸陽712021；3.渭南市特種設備檢驗所，陜西渭南714000）＊

介紹了已在長慶油田成熟配套應用的幾種復合驅動鉆機，這些鉆機兼有傳統機械驅動鉆機與電驅動鉆機的互補優點，適用于長慶油田施工區域。針對這些鉆機在技術方案、現場配套應用與改進完善等方面進行了論述。

鉆機；復合驅動；技術方案；配套應用

長慶油田的“三低”特點及深度開發，對鉆井施工提出了低成本開發與新技術應用提速的雙重要求。為適應市場要求，寶雞石油機械有限責任公司（以下簡稱寶石）自2004年起，與原長慶石油勘探局針對長慶油田施工特點共同制定方案，設計研制了復合驅動鉆機。該鉆機既能滿足當前的鉆井施工工藝技術參數要求，又具有成套投資成本低的相對優勢，適合長慶油氣田的低成本高技術開發戰略需求。長慶鉆井總公司自2004年以來陸續配套了60余部ZJ30LDB型、ZJ40LDB型、ZJ50LDB型等復合驅動鉆機，這些鉆機既保留了傳統機械驅動鉆機的優點，又針對新的鉆井工藝技術要求對轉盤采用了變頻電驅獨立驅動，同時增加了絞車獨立自動送鉆裝置，并在并車傳動設計中配置了節能發電機，其應用效果已受到長慶鉆井總公司的廣泛認可。

1 技術方案

目前，由寶石生產的復合驅動鉆機已在長慶油田成熟應用的有ZJ30／1700LDB型、ZJ40／2250LDB型、ZJ50／3150LDB型3種鉆機，其總體技術方案是：前后臺驅動動力互相獨立，轉盤采用交流變頻電機經減速箱獨立驅動，絞車、泥漿泵、節能發電機采用柴油機經液力偶合正車箱傳動至并車傳動箱后機械組合驅動［1－5］。絞車均采用低位安裝、盤式剎車，高低速離合器與機械換擋組合為內變速4個擋位，鉆機底座根據防噴器組合高度要求采用箱塊式或旋升式。

1.1 ZJ30LDB型鉆機［6］

該型鉆機由2臺G12V190PZL－3型柴油機作為主動力，經YOZJ700／750型液力偶合正車傳動箱傳遞給并車傳動箱后并車，分別驅動絞車和泥漿泵，并在并車傳動箱后端帶1臺400kW節能發電機。絞車配備有獨立電機自動送鉆裝置，該裝置由1臺22kW交流變頻電機經大速比齒輪減速箱減速后，通過絞車中間軸傳動，驅動絞車滾筒軸實現絞車自動送鉆。鉆機轉盤采用獨立驅動方式，即采用1臺400V、300kW交流變頻電機通過1擋（2擋）變速箱變速后驅動ZP205型轉盤。鉆機井架采用JJ170／42－K型井架、4.5m箱塊式鉆臺底座，后臺底座高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，大幅改善了鉆臺面的作業空間環境。ZJ30／1700LDB型鉆機傳動方案如圖1所示。

1.2 ZJ40LDB型鉆機［7］

該型鉆機由2臺G12V190PZL－3型柴油機作為主動力，經YOZJ700／750型液力偶合正車傳動箱傳遞給并車傳動箱并車后，分別驅動735kW絞車和1臺F－1300型泥漿泵，并在并車傳動箱后端帶1臺400kW節能發電機。絞車配備有獨立電機自動送鉆裝置，該裝置由1臺22kW交流變頻電機經大速比齒輪減速箱減速后，通過絞車中間軸傳動驅動絞車滾筒軸實現絞車自動送鉆。VFD房配置630 kW、42kW變頻柜各1套，600V／400V－800kVA主變頻器1臺及全套抽屜式結構的MCC單元。鉆機轉盤采用獨立驅動方式，即采用1臺400V、400 kW交流變頻電機通過1擋（2擋）變速箱變速后驅動ZP275型轉盤。鉆機井架采用JJ250／44－K型井架、旋升式鉆臺底座高度6m，后臺底座高0.8m。井架下部開檔為8.5m。同時為滿足長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裝置的接口，并可根據具體工況增配獨立機泵組進行并車運行。ZJ40／2250LDB型鉆機傳動方案如圖2所示。

圖1 ZJ30／1700LDB型鉆機傳動方案

1.3 ZJ50LDB型鉆機［8］

該型鉆機由3臺G12V190PZL－3型柴油機或AD12V190PZLT－3型燃氣機組作為主動力，經YBLT900－45DDf型液力變矩器傳遞給并車傳動箱后并車，分別驅動1 100kW絞車和2臺F－1600型泥漿泵，并在并車傳動箱后端帶1臺400kW節能發電機。絞車配備有獨立電機自動送鉆裝置，該裝置由1臺37kW交流變頻電機經大速比齒輪減速箱減速后，通過絞車中間軸傳動驅動絞車滾筒軸實現絞車自動送鉆。鉆機轉盤采用獨立驅動方式，即采用1臺400V、600kW交流變頻電機通過2擋變速箱變速后驅動ZP375型轉盤。VFD房配置630 kW、55kW變頻柜各1套，600V／400V－800KVA主變頻器1臺及全套抽屜式結構的MCC單元。轉盤轉速范圍0～205r／min，最大工作扭矩可達32 459 N·m，可根據鉆井工藝參數調控要求進行無級調速；鉆機井架采用JJ315／45－K型井架、旋升式鉆臺底座高度9m，后臺底座高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裝置的接口，鉆臺面與井口作業空間開闊。ZJ50／31500LDB型鉆機傳動方案如圖3所示。

圖2 ZJ40／2250LDB型鉆機傳動方案

圖3 ZJ50／31500LDB型鉆機傳動方案

轉盤傳動方案如圖4所示。轉盤由1臺交流變頻電動機經聯軸器同步將動力輸入鏈條箱輸入軸，經一級鏈輪減速后由萬向軸傳給轉盤輸入軸帶動轉盤工作。鏈條箱有2擋，轉盤可實現2擋傳動，換擋結構簡單、可靠性高、維護性能好。

圖4 轉盤2擋傳動方案

2 運行優點

1） 由于轉盤采用獨立電驅動，改變了原來機械驅動鉆機動力由鏈條或萬向軸傳動方式傳輸上鉆臺的模式，大幅縮短了傳動鏈，提高了傳動效率，減少了安裝工序與難度，解除了鉆臺面高度受機房后臺至鉆臺傳動方式的限制，完全可依據現場安裝防噴器組高度的要求設計鉆臺高度。同時鉆臺底座采用旋升式結構，實現了鉆臺面設備低位安裝，克服了傳統箱塊式底座結構復雜、吊裝困難等缺點。

2） 轉盤采用變頻電機與1擋或2擋減速箱配合使用。交流變頻電機技術由于其兼容性好，可靠性高，易于實現全數字一體化控制，進一步增大了轉盤轉速與扭矩變化范圍，大幅提升了轉盤的工作能力，有利于滿足不同的鉆井工況對鉆井技術參數要求。

3） 井架底部開檔較大，鉆臺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；同時鉆臺傳動得到簡化，底座的結構型式更加簡潔，拆裝方便快捷。

4） 復合驅動鉆機在投資成本上較機械驅動鉆機略有增加，較電驅動鉆機有較大節余。以ZJ40LDB型鉆機為例，其具有優越的控制性能與優良的性價比，一次性投資較ZJ40DB型鉆機少￥1 000萬元以上，與長慶油田的低成本開發具有良好的適配性，已普遍為用戶所接受。

5） 鉆機采用液力柔性傳動，傳動效率高，同時配備有節能發電機裝置，根據工況的變化可充分利用柴油機的余功率帶動節能發電機為井場供電及為轉盤動力提供動力，大幅節約了燃油消耗費用，節能效果明顯。

6） 司鉆控制采用PLC邏輯控制，所有氣路、液路、電路控制信號均進入PLC一體化控制，各種故障報警及互鎖功能更加完善；同時，在絞車上配備了電機自動送鉆裝置，可恒鉆壓或均速鉆進，控制精確，提高了井身質量，減輕了司鉆的勞動強度。

3 改進完善

3.1 轉盤驅動撬

1） 根據以往轉盤先期損壞的特點，把配套的轉盤規格進行提升，將ZJ30LDB型、ZJ40LDB型、ZJ50LDB型鉆機配套的轉盤規格分別由ZP175、ZP205、ZP275型提升到ZP205、ZP275、ZP375型，本質上提升了轉盤工作能力。

2） 根據大斜度井、水平井日益嚴格的施工工藝要求，將轉盤驅動減速箱由1擋減速逐步完善為2擋減速，進一步增大了轉盤轉速與扭矩變化范圍，速度范圍寬、扭矩大，進一步提升了轉盤的工作能力。

3） 轉盤慣剎由氣囊離合方式改進為氣動液壓慣剎方式，進一步提高了慣剎響應的及時性。

4） 將轉盤驅動電機進行升級改造，如把ZJ30LDB型鉆機轉盤電機的功率由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扭矩安全保護限制的矛盾，提高了鉆機井下事故的處理能力。

3.2 動力機組

根據燃料性價比分析，可將后續配套的ZJ50LDB型鉆機配置的G12V190PZL－3型柴油機更新為AD12V190PZLT－3型燃氣機組，發電機組配置為濟柴的G12V190ZDT1－2型、TAD1461GE型燃氣發電機組，降低燃油消耗成本。

3.3 泥漿泵

根據長慶油田鉆井需要經常進行鉆機油轉氣或氣轉油施工調遷的實際情況，ZJ30LDB型、ZJ40LDB型鉆機先配置1臺SL3NB－1000A型或F－1300型泥漿泵，可依據排量、泵壓等鉆井工藝要求增配1套單機泵組進行并合運行。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

考慮到叢式井的施工要求，前期配套的鉆機在底座上留有推移系統安裝接口。但為避免二次改造，后期配套的復合驅動鉆機全部將底座推移系統一次性安裝配套到位，叢式氣井的搬安時間由原來的平均2d縮短為平均6h。

3.5 節能發電機

根據柴油機現場運行速度范圍，優化調整了鏈條并車傳動箱附帶節能發電機的傳動比，并選用無刷恒壓同步寬頻結構的西門子節能發電機。由于該發電機的電樞、磁通、絕緣、勵磁、電壓調節等方面做了新的設計及調整，使發電機在柴油機頻率變化范圍±10%內，即發電機轉速在（1 000±100）r／min范圍（頻率在45～55Hz范圍）變化時，發電機電壓輸出滿足（400±60）V，加大了作為被動對象的節能發電機適應柴油機隨載荷變化轉速發生波動的能力范圍。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%；一般交流電機及照明適合頻率變化范圍、電壓變化范圍應分別不超出±8%、±10%～15%，同時由于轉盤變頻器和MCC柜均有過、欠壓保護，過電流限制保護等規定和措施，轉盤變頻器還有過、欠頻保護，只要保護值設置合適，可避免因柴油機轉速波動對轉盤電機變頻器及井場其他交流電機及照明等設備設施造成的破壞。

3.6 電磁剎車

根據以往ZJ30型、ZJ40型鉆機因鉆井施工工藝變化，井深、井斜、水平段逐年增加，負荷增大造成起下作業過程中電磁剎車線圈易燒損、轉子軸過載扭斷的實際情況，為進一步保證起下鉆作業安全，提高電磁剎車的服役壽命周期，打破行規將ZJ30LDB型、ZJ40LDB型鉆機的配套電磁剎車規格分別由FDWS30、FDWS40提升到FDWS40、FDWS50，制動扭矩分別提高了100%、95%，本質上提升了電磁剎車與鉆機的工作安全可靠性。

3.7 井口機械化工具

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，安裝板與鉆臺面箱座螺栓固定（以往為支撐固定），外觀簡潔，操作方便，關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，提高了其工作可靠性。

4 需進一步解決的問題

1） 自動送鉆裝置在恒鉆壓鉆進使用過程中與司鉆手控操作相比鉆時過慢，不能滿足提速要求，導致在現場未能很好地應用，使用頻率不高。

2） 在司鉆控制房未預留氣動卡瓦氣路安裝控制接口位置，在使用推廣氣動卡瓦時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） 液壓盤剎操控系統未設有盤剎失電保護功能，需要及時完善。如果盤剎液壓站柱塞泵一旦即時失電停止工作，司鉆在未得到提醒的狀況下往往因反應滯后不能及時采取有效措施，絞車盤剎失去控制，易造成井下、設備及人身傷害事故。2009—2011年，已發生了4起均與該功能缺失有關的鉆臺險肇事件，造成方鉆桿彎折或頂驅損壞。

5 結論

1） 2010年，ZJ50LDB鉆機平均鉆井周期48.94d、平均水平段長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1 319m。2011年，該鉆機已完成氣田水平井6開6完。2011－10－09，在蘇里格氣田施工的2臺ZJ40LDB型鉆機分別以222d2h、222d9h的有效生產時間刷新氣田40 000m年進尺原224d6 h的紀錄。其中，蘇東61－06井設計井深3 409m，水平位移549.67m。彰顯了復合驅動鉆機在長慶鉆井單隊單機的作戰競爭能力及高端鉆井市場“主力軍”作用。

2） 復合驅動鉆機在長慶油田經過初期使用、后期不斷完善改進，使用效果良好，其設計性能得到了充分驗證，滿足了新形勢下鉆井工藝的要求，目前已成為川慶鉆探長慶鉆井總公司在長慶油田進行勘探開發的主力機型。

［1］ 王瑞成，馬永恒，聶永坤，等.ZJ30DBT型鉆機優化設計［J］.石油礦場機械，2011，40（10）：60－64.

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

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

［4］ 溫曉莉，田建新，趙學鋒，等.ZJ50／3150LDB－1型鉆機研制［J］.石油礦場機械，2011，40（10）：86－89.

［5］ 馮彥偉.ZJ50／3150JD型鉆機的研制與應用［J］.石油礦場機械，2010，39（6）：58－60.

［6］ 寶雞石油機械有限公司.ZJ30／1700LDB鉆機技術文件［Z］.2006.

［7］ 寶雞石油機械有限公司.ZJ40／2500LDB4鉆機技術文件［Z］.2005.

［8］ 寶雞石油機械有限公司.ZJ50／3150LDB2鉆機技術文件［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，主要從事鉆井設備管理工作，E－mail：zjssbrc＠cnpc.com.cn。