采用氣控盤式剎車的石油鉆井絞車及其控制系統設計

□ 楊秀菊 □ 劉曉峰 □ 李云鵬 □ 王 蘭 □ 張 鵬

1.寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞 721002

2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心 陜西寶雞 721002

1 設計背景

石油鉆井絞車的發展已經日趨成熟，但目前絞車的設計方案仍有待改進。現用的電驅動鉆機絞車主要分為三種[1-2]：① 單軸齒輪絞車，電機經聯軸器與齒輪減速箱輸入軸連接，并通過齒輪減速箱減速后驅動滾筒軸，齒輪減速箱采用獨立潤滑系統對齒輪、軸承等實施強制潤滑，并帶有低壓報警裝置等，結構較簡單，傳動效率較高，但體積大、質量重，結構需要簡化；②外變速絞車，傳動鏈長，效率低，運輸車次多；③ 內變速絞車，結構復雜，動力與絞車滾筒不在同一個底座上，要對接鏈條箱，存在拆裝困難、體積大、安裝精度差等缺陷。

石油鉆機上普遍采用的石油鉆井絞車主要由電機、減速箱、滾筒、液壓盤式剎車、自動送鉆裝置、絞車架等組成。這種石油鉆井絞車一般采用液壓盤式剎車作為主剎車，絞車滾筒軸上同時連接輔助剎車，輔助剎車可位于電機和滾筒軸之間，也可位于滾筒軸另一端。輔助剎車為電機能耗制動、氣控盤式剎車或電磁渦流剎車[3]，結構復雜。

為滿足用戶及目前油氣鉆井市場的使用需求，筆者設計開發了一種采用氣控盤式剎車的JC70DB型石油鉆井絞車。這一絞車采用氣控盤式剎車作為主剎車，采用電機能耗制動作為輔助剎車，具有結構簡單、質量輕、拆卸方便、運輸便捷、控制系統先進等優勢。

2 傳動系統

在常規石油鉆井絞車的基礎上[4-5]，為使絞車質量輕，拆卸方便，設計了采用氣控盤式剎車的JC70DB型石油鉆井絞車，其傳動原理如圖1所示。這一絞車是一種采用氣控盤式剎車的單減速箱石油鉆井絞車，采用一臺兩擋變速箱，具有兩個傳動系統，即以兩臺主電機為動力的主傳動系統和以一臺小電機為動力的自動送鉆系統。

絞車主傳動系統中，兩臺857 kW交流變頻電機經聯軸器將動力分別輸送至齒輪減速箱輸入軸，經兩級齒輪減速后傳遞至滾筒軸。絞車的整個變速過程由主電機交流變頻控制系統控制實現。

▲圖1 JC70DB型石油鉆井絞車傳動原理

絞車自動送鉆系統由一臺45 kW交流變頻電機驅動，經大傳動比立式減速機和推盤離合器后，將動力傳入齒輪減速箱輸入軸端，再經齒輪箱一級減速后帶動滾筒軸完成自動送鉆過程。此外，自動送鉆電機可完成井架底座的升降。

3 技術參數

采用氣控盤式剎車的JC70DB型石油鉆井絞車技術參數見表1。

表1 JC70DB型石油鉆井絞車技術參數

電機能耗制動通過變頻系統的制動電阻吸收絞車的動能，進而對絞車進行制動剎車，能量的轉化過程為重力勢能→絞車動能→電網電能→熱能→消耗。

4 技術特點

采用氣控盤式剎車的JC70DB型石油鉆井絞車主要特點如下。

（1）以兩臺交流變頻電機為動力，這兩臺交流變頻電機分別通過聯軸器與齒輪減速箱輸入軸兩端相連傳遞動力，減速箱輸出軸再通過聯軸器與滾筒軸連接，帶動滾筒軸。

（2）滾筒軸通過聯軸器與氣控盤式剎車相連，可直接懸掛在氣控盤式剎車上。采用電機能耗制動作為輔助剎車。電機、齒輪減速箱、滾筒軸、自動送鉆裝置等均安裝在一個絞車底座模塊上。

（3）滾筒軸與氣控盤式剎車之間、電機與齒輪減速箱之間、滾筒軸與齒輪減速箱之間的連接均可通過鼓型齒聯軸器連接，滾筒軸與氣控盤式剎車之間也可直接懸掛。自動送鉆裝置與齒輪減速箱之間采用離合器連接，氣控盤式剎車獨立為一個單元，方便快速拆裝。

（4）采用單減速箱，且絞車底橇采用梯形結構，質量輕，絞車運輸最大質量不超過30 t。

（5）主剎車采用氣控盤式剎車，輔助剎車采用電機能耗制動，取消了常規的液壓盤式剎車。氣控盤式剎車時，工作鉗剎車為通氣剎車，安全鉗剎車為斷氣剎車。工作鉗剎車的冷卻采用強制水冷方式，配置氣控剎車進水壓力與回水溫度傳感器[6]。

（6）齒輪減速箱通過聯軸器懸掛在滾筒上，與電機連接的輸入端由銷軸與絞車架固定，所有配套設備均安裝在一個絞車底座模塊上。

5 性能提升

5.1 性能提升曲線

絞車最大輸入功率為1 714 kW，可優化鉆機提升曲線。在低速擋時，電機無需加載即可提升最大鉤載，提高了鉆井性能及鉆井時效。

雙電機工作12繩系時鉤載與鉤速參數見表2。

表2 鉤載與鉤速參數

根據主電機特性、絞車變速箱傳動比及鉆機游吊系統計算方法，得出鉆機鉤速鉤載性能提升曲線，如圖2所示。

▲圖2 鉆機鉤速鉤載性能提升曲線

由圖2可知，性能提升曲線分為三個區域：恒扭區、恒功率區和降功率區，性能提升曲線由低速擋和高速擋組成。

5.2 低速擋

低速擋時，絞車鉤速在0～0.27 m/s范圍之內為恒扭矩區，鉤載的恒定值為4 500 kN。此時不利用電機和變頻器過載特性，即可滿足提升鉆機最大起升鉤載，提高鉆井時效。

鉤速在0.27～0.53 m/s范圍內為恒功率區，絞車可在該鉤速范圍內滿足鉤載4 500 kN～2 200 kN之間實際工作載荷的需要。

鉤速在0.53～0.78 m/s范圍內為降功率區，鉤載在2 200 kN～1 100 kN之間，對于鉆井而言鉤速偏低，一般不用，但可作為高速擋故障時的工作備用。

5.3 高速擋

高速擋時，絞車鉤速在0～1.6 m/s范圍之內，鉆機提升工作速度范圍較寬。鉤速在0～0.56 m/s范圍內為恒扭矩區，鉤載的恒定值為2 200 kN，絞車可利用這段曲線來完成最大鉆柱重力為2 200 kN的提升工作。鉤速在 0.56～1.09 m/s范圍內為恒功率區，鉤速在1.09～1.6 m/s范圍內為降功率區，對應鉤載在1 106 kN～522 kN之間，滿足絞車空吊卡與解卡作業。

6 控制系統

6.1 氣控盤式剎車控制系統

工作鉗剎車采用強制水冷方式，所配置的氣控剎車進水壓力不得大于0.4 MPa。安全鉗剎車無強制冷卻裝置。氣控盤式剎車的最低使用壓力為0.83 MPa，當壓力低于最低使用壓力時，安全鉗剎車會處于似剎非剎的中間狀態，這不僅造成功率損耗，而且會對動力設備、傳動裝置造成一定損害。此外，還會對剎車盤造成影響，使剎車副過熱引起粘結，造成鉆井不流暢。可見，過多的磨損與發熱嚴重影響氣控盤式剎車的工作壽命[7]。氣控盤式剎車的最高使用壓力為1.03 MPa，當壓力大于最高使用壓力時，會造成剎車裝置密封性降低，影響剎車的使用性能。氣控盤式剎車的使用壓力設定為 0.85 MPa～1.0 MPa。

配置一個0.5 m3的儲氣罐，儲氣罐進氣口設有增壓器，增壓器出口壓力設定為1.2 MPa。增壓后的壓縮空氣儲存在儲氣罐內，儲氣罐內的壓縮空氣經減壓閥減壓至0.85 MPa，用于絞車剎車的氣動控制。儲氣罐設有壓力表及傳感器，壓力表安裝在司鉆房內，用于司鉆實時監測儲氣罐壓力。壓力傳感器監測到的儲氣罐壓力信號輸入可編程序控制器（PLC），在PLC模式下，在觸摸屏上顯示儲氣罐壓力，同時可以控制絞車。當儲氣罐壓力低于0.9 MPa時，包括主電機及自動送鉆電機在內的絞車電機均會懸停，氣控盤式工作鉗剎車與安全鉗剎車會同時剎車。

在PLC模式下，工作鉗剎車控制信號為PLC系統計算值與工作鉗剎車手柄給定值中的較大者。PLC系統所給出的計算值為剎車自動控制信號[8-10]。工作鉗剎車氣路設有壓力表及傳感器，當工作鉗剎車氣路壓力小于0.85 MPa時，主電機及自動送鉆電機均會懸停。

安全鉗剎車的控制理念為斷電、斷氣剎車，一般情況下，安全鉗剎車的同時，工作鉗剎車也會剎車。安全鉗剎車氣路同樣設有壓力表及傳感器，當安全鉗剎車氣路壓力小于0.85 MPa時，主電機及自動送鉆電機均會懸停。

工作鉗剎車采用強制水冷方式，當冷卻水進水壓力大于0.4 MPa時，會造成密封裝置損壞，影響鉆機工作性能的穩定性。冷卻水供水部分設有壓力表及傳感器，當冷卻水進水壓力大于0.4 MPa時，主電機及自動送鉆電機均會懸停，氣控盤式工作鉗剎車與安全鉗剎車會同時剎車并報警。

6.2 自動送鉆控制系統

自動送鉆離合器由觸摸屏控制，當采用手動點擊自動送鉆選項進行自動送鉆時，絞車會斷開主電機，自動送鉆電機運行，然后自動送鉆離合器自動掛合，確認絞車減速箱在空擋位置，以減少功率損耗。當游吊系統出現上碰下砸、自動送鉆電機出現故障、絞車減速箱未鎖擋或鎖擋不徹底造成無鎖擋反饋時，自動送鉆離合器分離，并使氣控盤式剎車中的工作鉗剎車與安全鉗剎車同時剎車。當按下防碰釋放按鈕時，自動送鉆離合器會自動分離。自動送鉆離合器設有氣路反饋回路，當自動送鉆離合器氣路損壞或泄漏時，離合器的壓力迅速下降，使氣路反饋壓力開關產生斷電信號，并將信號送入PLC，輸出控制信號，使自動送鉆電機懸停并剎車。另外，當按下緊急剎車、電子防碰作用，以及安全鉗剎車壓力小于0.85 MPa、工作鉗剎車壓力小于0.85 MPa、絞車儲氣罐壓力小于0.9 MPa、絞車冷卻水壓力大于0.4 MPa時，包括主電機及自動送鉆電機在內的絞車電機均會懸停，工作鉗剎車與安全鉗剎車同時剎車，此時自動送鉆離合器不分離。

7 結論

JC70DB型石油鉆井絞車充分應用了交流變頻電機的特性及氣控盤式剎車的優勢，結合鉆井工藝對絞車的要求，規避了常規石油鉆井絞車的不足，解決了以往絞車結構復雜、運輸質量大、拆裝困難、易漏油、體積大等問題。目前，這一絞車已通過靜載荷加載、空吊卡提升、主電機能耗制動、氣控盤式剎車能力、小電機自動送鉆等多項試驗，各項性能指標均滿足設計要求，得到用戶認可，并通過油田工業性試驗，性能良好。這一絞車的設計方法也可推廣應用至其它系列絞車的設計開發中。