多種供電方式的ZJ20DB山地模塊鉆機的研制

杜永軍， 郭曉燕， 程曉麗， 張虎山， 劉遠波， 王瀟瀟

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721001；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞 721001）

0 引言

我國幅員遼闊，地貌特征豐富，大部分油田處于山地、丘陵、黃土塬、沙漠、戈壁等偏遠地域，鐵路及公路不發(fā)達，運輸條件有限，要求鉆機具有搬家運輸方便、安裝占地面積小的特點；另外，現有鉆機多采用柴油發(fā)電機組供電，近幾年隨著電網的不斷發(fā)展，在電網條件較好的區(qū)域，采用網電作為主動力的鉆機得到了較好的應用。柴油發(fā)電機組供電存在柴油耗量大，維護工作量大，故障率高[1]，同時也存在噪聲、廢氣排放等問題；網電供電受地理位置受限大，要求鉆機實現多種供電方式的切換，既可保證在電網不具備條件時，供電電源可以快速轉至柴油發(fā)電機組供電，又可減少柴油機發(fā)電低效率能量轉化，達到節(jié)能、減排和降噪的目的。

1 技術分析

1.1 總體方案及工作原理

ZJ20DB鉆機采用AC-DC-AC驅動方式，由2臺800 kW的柴油發(fā)電機組和（或者）工業(yè)電網作為主動力，發(fā)出400V、50 Hz的三相交流電，經整流、逆變后轉化為頻率可調的交流電，分別驅動絞車、轉盤和鉆井泵的交流變頻電動機，實現無級調速。傳動系統工作原理如圖1所示。

圖1 傳動系統工作原理圖

絞車由一臺功率為600 kW的交流變頻電動機通過一根聯軸器與一臺一檔兩級齒輪減速箱減速后，通過聯軸器驅動單滾筒。滾筒筒體帶有繩槽。主剎車采用液壓盤式剎車，二把常開鉗，二把常閉鉗，輔助剎車采用電動機能耗制動，如圖1（a）所示。

轉盤驅動裝置采用電動機直驅的方式，主要由一臺功率為400 kW的交流變頻電動機經氣胎離合器、萬向軸、連接法蘭將動力傳遞至轉盤，如圖1（b）所示。

鉆井泵由1臺功率為600kW交流變頻電動機驅動，動力經過電動機軸端小皮帶輪通過窄V皮帶將動力傳到泥漿泵小齒輪軸的大皮帶輪，從而驅動鉆井泵運轉，如圖1（c）所示。

1.2 總體結構

圖2 鉆機主視及側視圖

ZJ20DB鉆機采用模塊化設計，底座采用箱疊式結構，井架采用直立起升套裝結構，采用分段升舉的方式起升。絞車、鉆井泵、固控系統及灌注泵均采用模塊化設計，安裝拆卸快速方便。井架及底座結構件最大運輸尺寸不超過12000 mm×2200 mm×3000 mm(長×寬×高)，滿足山地運輸要求。鉆機主機結構如圖2所示。

1.3 主要技術參數

名義鉆深范圍（φ114 mm鉆桿）：1200～2000 m；最大鉤載：1350 kN；絞車額定功率：600 kW；大鉤提升速度：0～1.3 m/s；絞車檔數：1＋1R 無級變速；提升系統繩系：4×5(順穿)；鋼絲繩公稱直徑：φ29 mm；轉盤型號及通孔直徑：ZP205，520.7 mm(201/2 in)；轉盤檔數：1＋1R無級變速；井架型式及有效高度：Z型（套裝垂直（直立）起升），33 m；底座型式及鉆臺面高度：XD型（箱疊），4.5 m；動力傳動方式：AC-DC-AC,一對一控制；電動機臺數及功率：1×400 kW，3×600 kW，1×22 kW。

2 關鍵技術及創(chuàng)新點

2.1 400V交流母線

常規(guī)鉆機一般采用輸出電壓為600V/50 Hz的柴油發(fā)電機組[2-3]，ZJ20DB1鉆機作業(yè)區(qū)域工業(yè)電網電制為400V/50 Hz，采用輸出電制為400V/50 Hz的柴油發(fā)電機組[4]，與工業(yè)電網電壓及頻率一致，網電和發(fā)電機組通過網電進線柜和發(fā)電機進線柜直接將400V/50 Hz交流電輸出到400 V交流母線上，經整流輸出至直流母線，再由逆變器將直流母線上直流電轉換成頻率可調的0～400 V交流電，驅動交流變頻電動機。同時，輔助供電直接由400 V交流母線提供，較常規(guī)鉆機的電驅動方案減少了網電輸入端及MCC供電端的2臺大容量變壓器，提高了系統效率，降低了設備投入成本,電傳動控制系統單線圖如圖3所示。

圖3 電傳動控制系統單線圖

2.2 可斷開交流母線

電控系統400V交流母線分兩部分，其中一部分由柴油發(fā)電機組供電，另一部分由工業(yè)電網端供電，這兩部分母線采用一臺大容量斷路器CB3（電源中間斷路器）連接，可以根據現場環(huán)境和用戶需求，配合發(fā)電機組進線柜斷路器CB1和網電進線柜斷路器CB2，可實現三種供電方式的自由切換：1）全部采用柴油發(fā)電機組供電；2）全部采用工業(yè)電網供電；3）發(fā)電機組、工業(yè)電網同時供電。

發(fā)電機組進線柜、網電進線柜及電源中間斷路器設計有安全互鎖裝置。全部采用柴油發(fā)電機組供電時，斷路器CB2斷開，CB1、CB3閉合，適用于沒有網電供應的場合，但柴油機發(fā)電屬于低效率能量轉化，并存在廢氣和噪聲污染；全部采用網電供電時，斷路器CB1斷開，CB2、CB3閉合，適用于具有網電供應的現場環(huán)境，既可節(jié)約燃油及維修成本，又降低鉆井區(qū)域發(fā)動機噪聲，保護環(huán)境[5-6]；發(fā)電機組、網電同時供電時斷路器CB3斷開，CB1、CB2閉合，適用于電網容量不足，可最大限度地應用電網，同時減少柴油機發(fā)電低效率能量轉化，節(jié)能環(huán)保。

2.3 自升式（直立起升）套裝井架+箱疊式底座

垂直（直立）起升套裝井架一般應用在海洋平臺上（是目前海洋鉆井工程中應用較多的新型井架）[7-8]，因其采用液壓絞車垂直起升，與常用的K型井架相比，安裝占用面積小，減少了鉆機占地面積，起升平穩(wěn)；井架各節(jié)為整體結構，連接銷數量少，從而減輕了井架安裝作業(yè)強度，節(jié)省了拆卸和安裝時間[9]。根據用戶的對井控裝置的安裝要求，采用4.5 m高箱疊式底座，不需起升。通過對各模塊的尺寸控制，ZJ20DB鉆機安裝運輸簡便，可以很好地滿足貴州地區(qū)山地環(huán)境工況要求[10]。

3 現場試驗

截止2017年2月10日，寶雞石油機械有限責任公司已完成了場內井架起升、下放試驗、井架載荷（1350 kN）及底座載荷（1350 kN）試驗及盤式剎車控制試驗、應急裝置試驗和防碰功能試驗等16項系統調試試驗，各項指標均達到試驗要求；目前該鉆機在貴州現場工作性能良好，獲得用戶的肯定，也驗證了上述設計方案的合理性和先進性。

4 結論

通過模塊化的設計，克服了以往產品的諸多缺點，極大地提高了各項性能：1）鉆機柴油發(fā)電機組、變頻系統及MCC系統電制均采為400V/50 Hz，可滿足網電及柴油發(fā)電機組靈活供電要求。2）套裝井架，液壓絞車直立起升，安裝占地面積小，滿足山地安裝場地緊張的要求。3）箱疊式底座，安裝方便，不需起升，同時滿足BOP安裝要求。4）鉆機采用寬頻、大功率交流變頻電動機驅動,完全實現了絞車、轉盤和鉆井泵的全程無級調速控制。5）下一步還可以在直流母線上設置母聯開關，進一步提升驅動性能。

[1] 劉慧芳,萬克棟,邢世玉,等.32型鉆機采用系統供電的技術經濟分析[J].石油鉆探技術,2004,32(5):34-35.

[2] 楊黎鵬.SK1#ZJ70D電動鉆機電網供電仿真分析[J].石油工程建設,2009,35(3):6-9.

[3] 王代華,萬小宏,李國孝.電驅動鉆機控制系統配置方案探討[J].石油機械,2001,29(9):53-56.

[4] 譚剛強,王豫,沈凡兒,等.鉆機油改電技術與鉆井工藝適用性研究[J].石油礦場機械,2011,40(6):29-33.

[5] 盧國建,陳紅衛(wèi),曹志魁.ZJ70LDB鉆機采用工業(yè)電網供電可行性技術分析[J].科技展望,2015(13):98.

[6] 楊杰.電驅鉆機網電供電系統設計[J].中國高新技術企業(yè),2013(31):6-7.

[7] 陳中領,華北莊.ZJ4O模塊鉆機直立套裝自升式井架的制造工藝[J].石油機械,2005,33(5):40-41.

[8] 葛運春,劉孔忠,魏柳興,等.9000m自升式海洋井架的研制[J].石油機械,2014,42(11):151-154.

[9] 徐軍,吳文秀,池勝高,等.新型直立套裝自升式井架的研制[J].石油機械,2006,34(9):65-69.

[10]孫守仁,王世軍,景方剛.低位安裝套裝型井架:CN201874475U[P].2011-06-22.