ZJ50LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)配置技術(shù)研究

羅 軍

（中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆鄯善 838200）①

ZJ50LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)配置技術(shù)研究

羅 軍

（中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆鄯善 838200）①

分析了ZJ50 LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)配置的技術(shù)性能，并進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算、校核，提出改造方案，對(duì)改造方案進(jìn)行了可行性論證。為轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行技術(shù)改造和相關(guān)新鉆機(jī)配套提供了技術(shù)支持，使鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置不僅適應(yīng)常規(guī)鉆井，更適應(yīng)水平井、大位移井及處理井下復(fù)雜等鉆井工況的需要。

鉆機(jī)；驅(qū)動(dòng)；轉(zhuǎn)盤(pán)；電機(jī)

隨著石油鉆機(jī)的不斷發(fā)展，設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)，在機(jī)械鉆機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)機(jī)電復(fù)合鉆機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤(pán)無(wú)極調(diào)速功能，更方便鉆井作業(yè)。某公司2009年生產(chǎn)的ZJ50LDB型鉆機(jī)，轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用400 kW交流變頻電機(jī)，轉(zhuǎn)盤(pán)為ZP-275型，減速箱為ZP40BS型兩級(jí)齒輪減速箱，傳動(dòng)原理如圖1所示。變頻電機(jī)與齒輪減速箱通過(guò)齒式聯(lián)軸器連接，齒輪減速箱與轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)萬(wàn)向軸連接，兩級(jí)齒輪減速箱一側(cè)安裝液壓盤(pán)式慣剎，可以通過(guò)齒輪減速箱上的換擋手柄轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速擋位。

該鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置，啟動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速，液壓慣剎制動(dòng)速度快，操作靈敏，在普通井承鉆過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤(pán)操作發(fā)揮了優(yōu)越性能。但是在承鉆水平井、大位移井及處理井下復(fù)雜時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)矩不足，使轉(zhuǎn)盤(pán)不能再轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)于ZJ50J型、ZJ50 L型機(jī)械鉆機(jī)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具圈數(shù)小了近60%，甚至實(shí)現(xiàn)不了為爆炸松扣作業(yè)緊扣程序，不能滿(mǎn)足特殊井工藝需求。

圖1 轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)示意

1 ZJ50型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)功率及轉(zhuǎn)矩常規(guī)計(jì)算

ZJ50型鉆機(jī)最大名義井深（?114mm（4 1z/2英寸）鉆桿）為5 000 m，按照?127 mm（5英寸）鉆桿計(jì)算井深為4 500 m，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)需要的功率按照經(jīng)驗(yàn)公式［1］為

式中：L為井深；犆為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，ZJ50型鉆機(jī)犆取100。

轉(zhuǎn)盤(pán)工作轉(zhuǎn)矩包括鉆頭破巖轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)鉆具所耗轉(zhuǎn)矩［3］，計(jì)算公式為式中：M1為鉆頭破巖轉(zhuǎn)矩；M2為旋轉(zhuǎn)鉆具所耗轉(zhuǎn)矩。

M1和M2不易得到，但Mr可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［3］得出，即

式中：L為井深，計(jì)算時(shí)取最大井深4 500 m；α為系數(shù)，取1時(shí)為最大工作轉(zhuǎn)矩。則

所以取ZJ50型轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)的最大功率為325 k W，最大工作轉(zhuǎn)矩為22.5 k N·m。

2 400 k W交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)矩及相關(guān)核算

400 k W交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置，兩級(jí)減速齒輪箱減速傳動(dòng)比分別為i1＝1.020 4和i2＝1.821 4，減速齒輪箱在低速擋時(shí)，減速傳動(dòng)比大，輸出的轉(zhuǎn)矩大。電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)參數(shù)

轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置400 k W交流變頻電機(jī)輸送到轉(zhuǎn)盤(pán)的最大轉(zhuǎn)矩［4］為

式中：N為電機(jī)額定功率；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；η為電機(jī)額定效率；i2為兩級(jí)減速齒輪箱低速傳動(dòng)比；i3為ZP-275型轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)比。

轉(zhuǎn)盤(pán)低速擋位的最高轉(zhuǎn)速為

轉(zhuǎn)盤(pán)高速檔位的最高轉(zhuǎn)速為

根據(jù)轉(zhuǎn)盤(pán)說(shuō)明書(shū)，ZP275型轉(zhuǎn)盤(pán)最高轉(zhuǎn)速300 r／min，轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足要求。ZP275型轉(zhuǎn)盤(pán)最大工作轉(zhuǎn)矩為27.459 k N·m，400 k W交流變頻電機(jī)輸送到轉(zhuǎn)盤(pán)的最大轉(zhuǎn)矩為33.1 k N·m，幾乎剛滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。但是在承鉆水平井、大位移井及處理井下復(fù)雜時(shí)，井下鉆具需要的轉(zhuǎn)矩短時(shí)間內(nèi)要增大許多。吐哈油田在玉北602井鉆至水平段3 658 m時(shí)，ZJ50 LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)矩儀顯示為22 k N·m，鉆具轉(zhuǎn)了12圈，而預(yù)期鉆具轉(zhuǎn)18圈就能緊扣，進(jìn)行爆炸松扣作業(yè)。承鉆連平23-1井，處理井下復(fù)雜時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)最大可轉(zhuǎn)動(dòng)到14圈，預(yù)期鉆具能轉(zhuǎn)20～22圈，就便于井下處理復(fù)雜情況。對(duì)于ZJ50J型、ZJ50 L型機(jī)械鉆機(jī)，轉(zhuǎn)盤(pán)、絞車(chē)及鉆井泵多種設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)功率互補(bǔ)，在短時(shí)間內(nèi)鉆具可轉(zhuǎn)動(dòng)20～28圈。所以，ZJ50LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)配置400 kW交流變頻電機(jī)只能滿(mǎn)足常規(guī)鉆井，但鉆井工作中井下情況復(fù)雜，需要加大轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)矩來(lái)及時(shí)處理，此時(shí)為ZJ50LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)配置400 k W交流變頻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩就顯不足，為此提出增大一級(jí)電機(jī)功率的方案。

3 600 k W交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)矩及相關(guān)核算

將轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)由400 k W改造成600 k W交流變頻電機(jī)，電機(jī)輸送到轉(zhuǎn)盤(pán)的最大轉(zhuǎn)矩為

600 k W交流變頻電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為672 r／min，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速也相應(yīng)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)盤(pán)低速擋位的最高轉(zhuǎn)速為

轉(zhuǎn)盤(pán)高速擋位最高轉(zhuǎn)速為

ZP275型轉(zhuǎn)盤(pán)最高轉(zhuǎn)速300 r／min，采用600 k W交流變頻電機(jī)后，轉(zhuǎn)盤(pán)最高轉(zhuǎn)速為171 r／min，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際鉆井中也滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速要求。600 k W交流變頻電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)最大輸出轉(zhuǎn)矩為51.3 k N·m，比ZP275型轉(zhuǎn)盤(pán)最大工作轉(zhuǎn)矩27.459 k N ·m增加了86%。根據(jù)SY／T5050—2004《石油鉆機(jī)和修井機(jī)用轉(zhuǎn)盤(pán)》標(biāo)準(zhǔn)［5］，規(guī)定結(jié)構(gòu)件最小安全系數(shù)為1.67，也就是轉(zhuǎn)盤(pán)在處理井下事故等復(fù)雜時(shí)短時(shí)間可承載到45.9 k N·m。而600 k W交流變頻電機(jī)輸出功率可在VFD房變頻器上可以設(shè)置輸出百分比，這樣設(shè)置到輸出45.9 k N·m以?xún)?nèi)，司鉆控制房?jī)?nèi)轉(zhuǎn)矩輸出擋位也可以設(shè)置，通過(guò)多重保護(hù)就不會(huì)損壞轉(zhuǎn)盤(pán)。況且在實(shí)際鉆井過(guò)程中，80%～95%的情況下轉(zhuǎn)盤(pán)輸出功率僅為30%～50%，這樣的使用方式從機(jī)械角度來(lái)考慮，也是對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)的保護(hù)。

查閱《鉆井工具手冊(cè)》二級(jí)S135鋼級(jí)?127 mm（5英寸）鉆桿上扣轉(zhuǎn)矩為33.4 k N·m，最薄弱環(huán)節(jié)處的抗扭屈服強(qiáng)度為68.3 k N·m，1 000 m S135鉆桿最大可轉(zhuǎn)動(dòng)15.75圈［6］，使用600 k W交流變頻電機(jī)估算1 000 m S135鉆桿最大可轉(zhuǎn)動(dòng)11.8圈，3 000 m鉆具可轉(zhuǎn)動(dòng)25～33圈，所以轉(zhuǎn)矩滿(mǎn)足鉆井工藝需求。

兩級(jí)齒輪減速箱和液壓慣剎也按照常規(guī)鉆井和承鉆水平井、大位移井及處理井下復(fù)雜等工況進(jìn)行分析，在短時(shí)間內(nèi)可以超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足要求。

將400 k W交流變頻電機(jī)改造成600 k W交流變頻電機(jī)，還需要改造VFD房?jī)?nèi)變頻器等電控部分。國(guó)內(nèi)山西永濟(jì)電機(jī)廠生產(chǎn)的400 k W交流變頻電機(jī)和600 k W交流變頻電機(jī)安裝尺寸和外形尺寸都一致，使設(shè)備改造的可行性增大。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2014-03，西部鉆探吐哈鉆井公司將50562隊(duì)ZJ50 LDB型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置400 k W交流變頻電機(jī)改造成600 k W交流變頻電機(jī)，相應(yīng)地對(duì)VFD房進(jìn)行配套改進(jìn)。改造后在吐哈油田玉北602井施工過(guò)程中，最大轉(zhuǎn)矩上限設(shè)定在38 k N·m，順利鉆穿2 130 m的定向段，最大實(shí)際轉(zhuǎn)矩為36 k N·m，沒(méi)有因?yàn)檗D(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)矩不足，出現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)不動(dòng)的現(xiàn)象，滿(mǎn)足了鉆進(jìn)要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證效果，在后期鉆探過(guò)程中繼續(xù)進(jìn)行跟蹤研究。

5 結(jié)論

對(duì)于ZJ50型鉆機(jī)而言，轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置配置400 kW交流變頻電機(jī)和ZP275型轉(zhuǎn)盤(pán)，只能適應(yīng)常規(guī)井，即正常鉆進(jìn)、順利完井的直井、或短水平段定向井。但是，ZJ50型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置配置600 k W交流變頻電機(jī)和ZP275型轉(zhuǎn)盤(pán)才能滿(mǎn)足各種鉆井工況需要，又可以通過(guò)電控保護(hù)對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行保護(hù)，僅在少數(shù)特殊情況下處理井下復(fù)雜時(shí)，可讓轉(zhuǎn)盤(pán)在45.9 k N·m以?xún)?nèi)工作。通過(guò)上述論證，將400 k W交流變頻電機(jī)改造成600 k W交流變頻電機(jī)比較合理。為適應(yīng)各種工況，新配套ZJ50型轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)時(shí)，建議轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為600 k W交流變頻電機(jī)。

［1］ 嵇彭年.鉆井機(jī)械［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990.

［2］ 陳如恒，沈家駿.鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1992.

［3］ 韓景山，李培江.石油鉆機(jī)獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)及動(dòng)力的配置［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（1）：97-98.

［4］ 孫恒，陳作模，葛文杰，等.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］ SY／T5050—2004，石油鉆機(jī)和修井機(jī)用轉(zhuǎn)盤(pán)［S］.

［6］ 杜曉瑞，王貴文，王德良，等，鉆井工具手冊(cè)［J］.北京：石油工業(yè)出版社，2000.

Rotary Table Drive Motor Configuration Technology Research for ZJ50LDB Rig

The ZJ50LDB rig wheel independent drive motor performance is analyzed，and configuration technology，the related calculation，and comparison are made to put forward the reform scheme，the feasibility of retrofit scheme.The conclusion that for the wheel independent drive technical renovation and new rig related provides data support，make the rig rotary table drive not only to be adapted to the conventional drilling，but more suitable for horizontal well，the large displacement and downhole complex such as the need of drilling condition.

drilling rig；drive；rotary table；motor

TE922

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.021

1001-3482（2014）09-0078-03

2014-04-23

羅 軍（1979-），男，陜西長(zhǎng)武人，工程師，主要從事石油鉆井設(shè)備維修管理及技術(shù)工作。