RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組的開發

□ 田 龍 □ 周東亮

1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司 河北任丘 062552 2.河北省井控與井口設備技術創新中心 河北任丘 062552

1 開發背景

鉆井泵屬于往復機械,其功能對鉆井作業的速度、質量和成本有較大影響,是工程鉆探中的重要機械設備。連續油管作業中,要求泥漿泵提供流量為12 L/s,壓力高于40 MPa的流體,設備的質量、外形尺寸、環保排放、自動化控制有嚴格要求。傳統泥漿泵占地面積大,噪聲高,環保排放不達標,傳動效率低,不能滿足連續油管作業對泥漿泵組的要求。

榮盛公司針對以上情況,開發了RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組,最高工作壓力達到52 MPa,采用交流變頻直驅電機驅動泥漿泵,傳動方式簡單、可靠,安裝、操作及維護方便,易于控制與監測。

2 電控設計

電控系統原理如圖1所示。電控系統基于電磁兼容性制造規范進行設計和布線,配置一臺600 V交流柴油發電機組,并配置300 kVA、600 V/400 V環氧樹脂干式變壓器,提供 400 V、50 Hz輔助電機動力電源和生活區供電。主電機采用交流變頻裝置驅動。控制系統采用數字通信方式,以高性能可編程序控制器為核心,利用實時以太網現場總線將泥漿泵變頻柜、觸摸式操作屏組成數字化控制網絡,由可編程序控制器進行邏輯處理及故障診斷,并集中顯示。

電控系統可以在環境溫度-35 ℃～50 ℃、相對濕度不高于90%的野外惡劣環境條件下可靠、穩定運行。電控系統的控制特性、操作邏輯和各種保護功能滿足鉆井泵組的工作要求和鉆井工藝的要求,采取可靠的防爆、防振、防潮、防火措施,符合安全性要求。

3 結構

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組結構如圖2所示,主要由泥漿泵、變頻電機、電機支架、灌注管匯等組成。泥漿泵直接動力來源的變頻電機為臥式雙軸承結構三相異步電機。電機轉子及其支架依靠球籠聯軸器連接在泥漿泵的齒輪軸上,實現電機轉子直接向齒輪軸傳遞轉矩。電機定子通過連接盤固定在泥漿泵底座上。風冷電機通過導風筒將冷卻氣流引入主電機內,對變頻電機進行強制冷卻。

▲圖1 電控系統原理

▲圖2 RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組結構

4 工作原理

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組主電源來自柴油發電機,電流經過轉換路徑提供給變頻電機。變頻電機額定轉速與泥漿泵的額定輸入轉速相等,變頻電機特性曲線的恒扭矩段覆蓋泥漿泵的各個工作沖次。通過交流變頻控制單元調節變頻電機電流的輸入頻率,進而調節變頻電機的轉速,以達到鉆井工藝需要的泵沖次。

泵組工作時,變頻電機帶動泥漿泵運轉,泥漿泵不斷重復吸入、排出泥漿,為井下鉆具提供能量。在這一過程中,泥漿泵將泥漿罐中具有一定重力、黏度的鉆井液以一定的壓力和流量輸向井底。泥漿泵傳動軸處和排出管匯上安裝有泵沖次計數器與壓力傳感器,實時監測泥漿泵沖次和排出液壓力。

5 技術參數

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組結構緊湊,體積小,質量輕。主泵配置灌注增壓輔助泵,改善泵組的吸入性能。主泵缸套活塞配置冷卻噴淋泵,延長易損件壽命。配置電動強制潤滑油站,延長軸承和導板十字頭的壽命。

電機型號為YAP630-12,采用32PL型電動噴淋泵、1.5 kW潤滑油泵、30 kW灌注砂泵。泵組尺寸為5 500 mm×2 500 mm×2 830 mm,質量為21 500 kg。

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組不僅可以滿足連續油管作業中的高壓作業要求,而且能夠滿足常規鉆和修井作業要求。

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組曲軸采用組裝式結構,材料為優質鍛造合金鋼,具有質量輕、承載能力大等優點。曲軸達到全平衡要求,使泵組運轉更加平穩。液力端為L型式,維修方便,承壓高。配置飛濺潤滑裝置,可以在不使用電動強制潤滑裝置的情況下正常工作。也可以安裝電動強制潤滑裝置,兩個系統同時工作,互不影響。

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組的技術參數見表1。

表1 RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組技術參數

6 技術特點比較

傳統電機驅動泥漿泵采用電機后置式、側置式或頂置式布局。采用電機后置式和側置式布局的泵組,占地面積大,傳動環節多,質量重。采用電機頂置式的泵組,需要配置專用鏈條箱、齒輪減速箱或帶輪,泵組減重效果有限。

與電機后置式和電機頂置式鉆井泵組相比,RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組的優勢是泵組外形尺寸小,質量減輕約15%。電機直接將動力傳遞給泥漿泵,消除中間傳動損耗,沒有帶傳動或鏈傳動所存在的徑向張緊力的影響。

7 現場應用

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組如圖3所示,于2019年11月分別進行了最大排量試驗、最大泵壓試驗和滿功率耐久性測試。聯動試驗時,使用100 mm缸套,負載壓力為41.4 MPa,泵組運行平穩,泥漿泵液力端密封可靠。主機軸承溫升測試、導板間隙檢測、噪聲和振動監測結果均符合要求,交流變頻控制單元變頻控制邏輯同樣滿足要求。

8 結束語

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組額定壓力高,尺寸小,質量輕,機組獨立安裝、運移方便,適用于對設備占地面積、運移性要求高的場所,包括連續油管作業場所、海洋平臺等。泵組配置的智能控制系統使用與維護方便,可靠性與穩定性高,噪聲低,節能環保。這一輕型高壓鉆井泵組可以為用戶贏得更多的社會效益和經濟效益。

▲圖3 RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組