石油鉆井絞車直驅技術現狀與發展方向分析

寇蓓 程立

（蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅蘭州 730314）

0 引言

隨著石油鉆采裝備的自動化、智能化發展，傳統多級傳動絞車因其結構復雜、體積大、傳動效率低、維護成本高、本質安全性差等因素，已逐漸無法滿足現有鉆機的配套要求。近年來，直驅技術在石油鉆采領域被快速推廣，其主要應用在絞車、轉盤、泥漿泵、頂驅、自動化機具等設備上。

本文重點針對直驅技術在鉆井絞車領域的應用進行研究，并提出觀點。

1 石油鉆井對絞車的要求

石油鉆井絞車是一種多功能起重工作機，其工作性質不同于一般起重設備。研究石油鉆井絞車直驅技術，需根據鉆井工況分析石油鉆井作業對絞車的要求。

（1）足夠的提升能力：在鉆井過程中，鉆井絞車實現鉆具的提升、下放，為了滿足最大鉤載的作業需求，應具備足夠的提升能力。

（2）較寬的調速范圍：根據鉆井作業工況，每下放一立根，需空鉤快速上行，再次抓取鉆具繼續下放；另外，為了提高作業效率，鉆井絞車需根據不同的載荷，具備較寬的調速范圍，而不失其提升能力。

（3）起升、下放井架底座：以絞車為動力源完成井架、底座的起升和下放工作。

（4）緊急事故處理能力：時刻具備活動鉆具、解卡、處理復雜井下事故的能力。

（5）超低頻精準控制自動送鉆：鉆進時，懸吊鉆具，并實現恒鉆壓或恒鉆速精準控制鉆進。

（6）下套管：完鉆后，需進行下套管作業，以便快速完成固井，提高完井質量。

（7）應急預案：在作業安全方面，絞車一旦出現故障，整個作業過程基本中斷，甚至會發生重大安全事故，因此，絞車還必須具備較高的可靠性、靈敏的控制系統、安全的剎車系統。同時，在主電機、電控等出現故障的情況下，應具備應急提升、活動鉆具功能。

2 石油鉆井絞車直驅技術現狀

近年來，直驅技術發展迅速，促進了石油鉆采裝備直驅技術的發展。蘭石集團對絞車直驅技術研究應用較早，2005年，蘭石研制直升機吊裝鉆機初期，就率先研發直驅絞車，采用異步電機直接驅動滾筒軸，但因電機技術和控制技術限制，沒有實現工業化。隨后，研發者轉變思路研制半直驅絞車，在滾筒軸一端懸掛大齒輪，在異步電機軸頭懸掛小齒輪，采用一級減速裝置，去除齒輪傳動箱體。這種方案能簡化絞車傳動系統，消除電機技術限制，滿足送鉆控制精度要求，降低送鉆過程中的能量損耗，實現直升機吊裝要求。

寶雞石油機械廠在JC30～90絞車上廣泛應用直驅技術，均采用異步電機驅動，電機分別布置在滾筒軸一側或兩側，與滾筒體通過鼓形齒式聯軸器連接，如圖1所示，其技術特點：結構簡單、拆裝工作量小；布局緊湊，整齊美觀；傳動效率高，維護保養少[1-2]。

宏華在JC40～70絞車上先后應用直驅技術，均采用單異步電機或雙異步電機直接驅動滾筒，無減速換擋機構、無聯軸器，將電機定子直接和絞車墻板融合設計[3]，如圖2所示。與傳統絞車相比，其體積小40%，重量輕25%，保養工作量減少70%～80%。

3 永磁直驅絞車技術

目前，直驅絞車均采用異步電機，未采用永磁電機，原因在于石油鉆井對絞車的可靠性、安全性要求極高，同時，鉆井絞車需在不同工況分別具備較大加速度、較高運行速度、超低頻運行穩定性、大負載持續提升性能。如圖3所示，因為材料的物理特性，隨著溫度的升高，永磁體磁性會快速下降，甚至會發生失磁。

另外，綜合考驗永磁電機的磁場、溫度場、流體場以及機械性能的輸出性，是一個多物理參量相互影響與多目標參數相互優化的結果，如圖4所示。

圖4 石油絞車永磁電機多物理參量相互影響關系

4 異步直驅絞車測試

在滿足設備性能的前提下，直驅的目的是減少傳動鏈，提高傳動效率，提高設備的經濟性。下面對不同絞車進行效率測試（圖5、表1），得出如下結論：同負載下永磁直驅絞車效率最高，其次是異步半直驅絞車，最后是異步直驅絞車；同時，在負載降低時異步直驅絞車效率降低幅度較大，半直驅和永磁直驅絞車降低幅度較小，反映出在重載情況下異步直驅能耗較高，在高速輕負載下異步直驅能耗更高，在超低速送鉆狀態下長時間工作，異步直驅能耗較大。前文講到永磁直驅在石油鉆井絞車上沒有被應用，這里不再論述。

圖5 異步電機直驅滾筒效率測試

表1 直驅絞車與半直驅絞車效率測試

5 工業試驗驗證

筆者先后調研了不同工況、不同級別的19臺直驅絞車工業應用，其在綜合能耗、設備成本、控制成本、送鉆性能和維護成本方面相對半直驅絞車均有所增加，尤其是大級別直驅絞車，其綜合能耗增加較大，結果如表2所示。

表2 直驅絞車工業試驗數據

根據工業應用驗證，對異步直驅絞車和傳統絞車進行技術經濟指標分析，得出以下結論：

異步直驅絞車具有重量輕、體積小、維護成本低等優點，但存在以下問題：（1）裝機功率大，電機能耗高；（2）變頻器配套功率加大，電控成本高；（3）主電機超低頻控制精度較低，導致自動送鉆穩定性差，鉆壓波動較大；（4）工作噪聲大，由于發熱量較大，單臺絞車配4臺風機進行強制冷卻，絞車在部分轉速段存在嘯叫聲；（5）應急預案不足。

而半直驅絞車具有效率較高、重量較輕、體積小、維護成本較低、送鉆性能很穩定、控制制造成本較低、能耗較低、擁有應急預案等優點。

6 石油鉆井絞車直驅技術發展建議

雖然我國在石油鉆井絞車直驅技術領域已取得一定突破，但其經濟指標暫時無法滿足市場要求，這是導致其推進緩慢的主要原因之一。

綜合需求與市場導向，筆者提出建議如下：（1）開發新型直驅電機，提高其安全性，降低裝機功率，降低輕載運行功率損耗；（2）改善性能，提高超低頻控制精度，降低長時間超低頻作業時的自身能量損耗；（3）優化主體結構，考慮采用水冷方式進行降溫[4]，降低工作噪聲；（4）提高基礎工業研發制造能力，推進半直驅絞車發展理念，促進石油裝備自動化、智能化技術發展。