修井機動力系統油改電技術方案

陳 燦，趙曉龍，于繼林，邢有為

（1.渤海裝備鉆采裝備銷售公司，天津 300280；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

隨著國內油田礦區電網覆蓋范圍的不斷擴大，油田石油鉆機、修井機使用公共電網作為主要動力源成為可能，驅動方式的改變將徹底解決以往靠柴油機直接驅動或柴油發電機間接驅動的油耗高、噪音大、排放污染不達標等弊端。以一套XJ650修井機的實際改造實施試驗為例，改造后取得了良好的節能減排效果。

1 系統主要改造方案

改造內容包括動力傳動系統、電驅控制系統、液壓控制系統、氣路控制系統四大系統和輔助設備的改造。

1.1 動力系統

（1）發動機。以CAT C9 發動機為主行走動力，通過并車分動箱實現動力切換。行駛狀態時，發動機動力經并車分動箱動力輸出口，由傳動軸分配給底盤前后車橋，實現載車行駛。

（2）變頻電機。由電機、并車分動箱、角傳動箱、主滾筒、剎車系統、轉盤傳動裝置、井架和液壓、氣壓系統等組成。作業狀態時，變頻電機的動力經并車分動箱傳給車上作業部分，分動箱動力輸出口經傳動軸傳至角傳動箱，經鏈條傳至滾筒實現修井時起下鉆作業。

1.2 傳動系統

并車分動箱配套有專用部件，采用直齒圓柱齒輪組成的閉式傳動，主要由輸入軸、二級軸、三級軸、四級軸、五級軸、輸出軸、換檔機構及左右箱體等組成，是電動修井機中實現動力傳動及分配、改變動力傳動方向的重要部件。改造后的電動修井機是在分動箱上增加電機扭矩輸入端，即實現發動機動力輸入端和電機動力輸入端并存；在并車分動箱上設計兩個動力輸入端，利用并車分動箱的手動換擋機構來實現并車分動箱的動力功能切換。行走時，使用發動機傳動機構；作業時，可以使用柴油發動機提供動力，也可以使用電機提供動力。在施工井場具備用電條件時，使用電機傳動機構完成施工作業；在施工井場不具備用電條件時，使用發動機傳動機構完成施工作業。

1.3 電驅控制系統

包括主控制柜、蓄電池組、直流整流充電器、能量回饋單元4 個主要的電驅控制部件。

（1）主控制柜。使用額定電壓380 V、頻率50 Hz 交流電源，配置漏電保護，零地分開，配置過載保護，在負荷達到設定負荷的極限值時，接收到過載信號，自動斷電。

（2）蓄電池組。40 只6-GFM-150Ah 電池串聯作為1 組，單只電池額定電壓為12 V，串聯額定電壓480 V，膠體電池單只容量為150 A·h，滿充電電壓520 V，工作電壓440～520 V。該電池組低內阻，自放電率低，性能穩定，有效充電量多，循環耐久能力強，在環境溫差變化大的使用條件下性能優越?，F場作業時，如果井場用電負荷不足，電池組內儲存的化學能將轉化為電能，整形、整流后提供給電機使用，滿足主電機工作的正常用電要求。

（3）直流整流充電器。包括整流電源和逆變電源，完成修井機工作狀態時的直流和交流電源的交互轉換和電能存儲。

（4）能量回饋單元。系統由電網供電設備、變頻器、儲能單元（電池組）、負載及連接電纜等構成。在作業現場電源容量不足、修井機難以滿負荷運轉時，補充部分電能，同時減少電機啟動過程中啟動電流對作業現場電網的沖擊，增強電動施工時對現場作業環境的適應性。

1.4 液壓控制系統

雙液路液壓系統，液壓系統包括行駛液壓系統和作業液壓系統，即發動機自帶液壓系統和電動液壓系統，兩套液路互相連通但互不干涉，供液穩定可靠。通過電機或發動機來驅動液壓泵向液壓系統供油，液壓油箱至主液壓部分分為兩路液壓管路，主管路和控制元件采用同1 套，實現雙動力修井機在行走和施工作業時用不同動力，使用同1 套主液路向液壓系統提供壓力油。

1.5 氣路控制系統

保留原車的BW550 空壓機，增加GX5 電動螺桿空壓機進入原車儲氣瓶，共用1 個儲氣瓶，使用相同氣路，原車氣路系統未作改動，氣壓系統由車載空壓機、電動空壓機、干燥器、濾清器、自動排水器、防凍器及各類控制閥件組成，壓縮空氣經多級凈化處理后供給修井機氣壓系統。修井機行駛時使用車載空壓機，車上作業時使用電動空壓機提供氣源。電動空壓機氣路直接接入原車載氣路主管路，兩套設備都能提供氣源，不互相影響設備工作，行駛時使用車載空氣壓縮機，作業時使用電動空氣壓縮機。

2 改造方案技術特點

2.1 設計特點

電驅修井機采用雙動力配置，井下施工作業和底盤驅動行走均可使用柴油機進行驅動，在油田電網滿足施工的情況下，井下施工作業優先采用電機動力作業。如圖1 所示，作業主動力為工業電網200 kW 變頻電機，作業部分動力由電機、并車分動箱、角傳動箱、主滾筒、剎車系統、轉盤傳動裝置、井架和液壓、氣壓系統等組成。

圖1 修井機動力系統油改電平面布局

作業狀態時，變頻電機的動力經并車分動箱傳給車上作業部分，分動箱動力輸出口經傳動軸傳至角傳動箱，經鏈條傳至滾筒實現修井時起下鉆作業。車上作業部分動力也可由發動機提供，發動機動力經并車分動箱動力輸出口經傳動軸傳至角傳動箱，經鏈條傳至滾筒實現修井時起下鉆作業。車上動力和底盤動力靠設置在并車分動箱上的操作手柄來控制，保證車上作業和底盤行駛不同時使用，故行駛和作業均安全可靠。整機作業部分的操縱集中在液壓控制臺和司鉆控制臺上，集中控制。

2.2 設備改造后應用特點

（1）實現電機直傳功能。主電機直接帶動分動箱、滾筒作業，減少了傳動鏈，提高了傳動效率。由電控無級調速來實現電機輸出轉速，滿足修井作業大鉤提升的速度要求，轉速調節范圍可實現1∶80 的調速比，柴油機一般只有1∶8 的調速比。經過測試，電機輸出扭矩能滿足作業最大提升載荷的要求，啟動扭矩可達3000 N·m，額定扭矩1460 N·m，大于柴油機的1200 N·m。

（2）電源補償系統的應用。電源補償系統是“修井機電控驅動系統”的一部分，可在作業現場電源容量不足以帶動修井機滿負荷運轉時，補充部分電能，滿足修井機滿負荷運行，最大補償能力50 kV·A。在非補償輸出工況下，作業現場電源一直對補償系統中的蓄電池充電；在補償輸出工況下，作業現場電源與電源補償系統同時為修井機主電機提供電能，減少了電機啟動過程中啟動電流對作業現場電源的沖擊。

（3）游車速度實時控制。游車提升速度根據推動控制手柄的多少來決定其提升速度的大小，即控制手柄推動得多則游車提升速度快，反之則慢，并能實現點動功能。電驅同柴油驅修井機油門控制方式一樣，便于司鉆更快地熟練掌握電驅修井機操作方法，同時能減少對新設備的誤操作率，提高安全系數。

（4）各系統獨立工作，整機運行可靠性提高。電動修井機主電機、氣路系統、液路系統將原來依靠柴油發動機提供動力的運行方式，改為各自獨立的動力源，達到減少依賴柴油發動機的目的，提高了電動修井機輔助系統的可靠性。

（5）滾筒離合和電機加速開關一體化操作。滾筒離合器控制和電子加速器開關合二為一的控制裝置，實現利用電子行程開關手動控制電機的加減速和正反運轉，同時利用壓縮空氣控制滾筒推盤離合器的正常掛合和斷開。取代手動電子油門加速器開關，簡化操作步驟，縮短響應時間，提高控制精度，保證了施工作業的安全可靠。

（6）雙保險剎車功能的應用。在司鉆臺上，經過改進氣路，把緊急剎車操作閥、防碰天車操作閥和一體化操作閥氣路接通。作業時，如果一體化操作閥出現故障發生飛車，需要緊急停車，此時可以立刻合上防碰天車操作閥或緊急剎車操作閥，打通滾筒剎車氣路，剎車氣缸工作，推動曲拐剎車。同時關閉滾筒離合器，使離合器推盤脫開，使電機空轉，而滾筒不轉，從而實現雙保險剎車功能，保證作業安全。

3 結論

改造后經過3 個多月的現場應用表明：①修井機的使用性、操控性明顯增強，各種性能均優于原設備，節能效果明顯，可達40%；②現場噪聲明顯降低，施工條件大大改善；③電控無級調速實現電機輸出轉速滿足修井作業大鉤提升速度要求；④修井機網電供電總體互換性強，可滿足高壓電網正常供電、臨時停電和無電等各種工況，高壓房具備雙電源互鎖功能，提高了用電安全性。