鉆機(jī)變速箱加裝應(yīng)急動(dòng)力裝置方案論證

何軍軍

（大慶油田大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

目前ZJ25DJ 型鉆機(jī)在大慶油田鉆井施工和油田開(kāi)發(fā)中仍占有很大的比例，尤其是在鉆井一公司，ZJ25DJ 型鉆機(jī)還占據(jù)著石油勘探和生產(chǎn)的主導(dǎo)地位。原ZJ25DJ 型鉆機(jī)只有一個(gè)主動(dòng)力源，在石油生產(chǎn)和勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中逐漸暴露出一些問(wèn)題。

1 原傳動(dòng)方式存在的問(wèn)題

ZJ25DJ 型鉆機(jī)變速箱加裝應(yīng)急裝置改造項(xiàng)目很有必要。因?yàn)閆J25DJ 型鉆機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)存在著一些固有缺陷（例如無(wú)應(yīng)急動(dòng)力）。這樣如果總電機(jī)發(fā)生損壞時(shí)沒(méi)有備用動(dòng)力，這在鉆井施工中容易造成嚴(yán)重的工程事故。如果加裝了應(yīng)急動(dòng)力，當(dāng)主電機(jī)發(fā)生損壞時(shí)可以隨時(shí)切換成應(yīng)急動(dòng)力，這種情況就可以避免在沒(méi)有應(yīng)急動(dòng)力的情況下，任何時(shí)候都只能啟動(dòng)主電機(jī)（尤其是起放井架、劃眼、活動(dòng)鉆具、處理事故等臨時(shí)性動(dòng)作），這樣會(huì)造成能源的浪費(fèi)。如果安裝了應(yīng)急動(dòng)力，切換成應(yīng)急動(dòng)力可以大幅度節(jié)省能源。

當(dāng)主發(fā)電機(jī)發(fā)生損壞時(shí)，使用備用發(fā)電機(jī)同樣可以活動(dòng)鉆具，避免卡鉆等井下事故的發(fā)生。在沒(méi)有應(yīng)急動(dòng)力的情況下，起放井架作業(yè)只能依靠主電機(jī)。這樣起放井架的速度較快，起放井架時(shí)不平穩(wěn)，會(huì)對(duì)井架造成一定程度的損壞，有極大的安全隱患。如果加裝了應(yīng)急動(dòng)力和減速裝置，可以在起放井架時(shí)做到穩(wěn)起穩(wěn)放，有效降低人員操作安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 加裝應(yīng)急動(dòng)力裝置的必要性

鉆井一公司現(xiàn)有ZJ25DJ 型鉆機(jī)15 套，該型鉆機(jī)因其設(shè)計(jì)上存在缺陷（主要是無(wú)應(yīng)急動(dòng)力裝置），這種情況下當(dāng)主電機(jī)或主發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的鉆井工程事故（主要是鉆井施工要求連續(xù)的動(dòng)力輸出），這會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會(huì)對(duì)鉆井操作人員帶來(lái)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。本著“以人為本、安全第一”的原則，鉆井一公司裝備資產(chǎn)科要求解決ZJ25DJ 型鉆機(jī)無(wú)應(yīng)急動(dòng)力裝置的問(wèn)題。因此，決定立項(xiàng)解決。

3 加裝應(yīng)急動(dòng)力裝置方案設(shè)計(jì)

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

原ZJ25DJ 型鉆機(jī)傳動(dòng)方式是交流異步電機(jī)（280 kW）通過(guò)氣胎離合器向四檔變速箱輸入旋轉(zhuǎn)扭矩，分別給轉(zhuǎn)盤(pán)和絞車(chē)滾筒傳送動(dòng)力。原ZJ25DJ 型鉆機(jī)變速箱結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZJ25DJ 型鉆機(jī)變速箱結(jié)構(gòu)

結(jié)合并參考ZJ30DJ 型鉆機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為ZJ25DJ 型鉆機(jī)加裝應(yīng)急動(dòng)力，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 加裝應(yīng)急動(dòng)力后的結(jié)構(gòu)

上圖中在變速箱中間軸右側(cè)底座上安裝了一套交流異步電機(jī)和擺線針輪減速器的總成，通過(guò)雙排鏈條（T=44.45）將備用的應(yīng)急動(dòng)力傳遞給變速箱中間軸（變速箱的中間軸需經(jīng)過(guò)加長(zhǎng)改造，可供安裝鏈輪副）。

3.2 動(dòng)力設(shè)計(jì)

原變速箱最大負(fù)荷時(shí)為在主電機(jī)額定功率下，變速箱掛一檔時(shí)的輸出動(dòng)力，此時(shí)中間軸扭矩為：N1=9550×P/r=12 980 N·m，根據(jù)需要的扭矩選擇合適的鏈條減速比和適宜的擺線減速器。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性選擇電機(jī)、擺線減速器；根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求設(shè)計(jì)適宜的鏈條結(jié)構(gòu)。

選擇擺線針輪減速器型號(hào)為BWD7-17-37，輸入轉(zhuǎn)速960 r/min；應(yīng)急電機(jī)型號(hào)為YX3-250M-6，功率37 kW，轉(zhuǎn)速960 r/min，額定電壓380 V；一級(jí)鏈輪牙數(shù)Z=17，節(jié)距T=44.45 mm；二級(jí)鏈輪牙數(shù)Z=31，節(jié)距T=44.45 mm。

變速箱輸出轉(zhuǎn)速、扭矩對(duì)應(yīng)如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)速扭矩對(duì)應(yīng)

從上圖可以看出改造后的變速箱較原先增加了矩形線框區(qū)域的動(dòng)力，輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩接近原先變速箱一擋時(shí)的扭矩，但是能夠提供的轉(zhuǎn)速原先一擋的轉(zhuǎn)速小很多，只有31 r/min。結(jié)合一檔的使用工況（主要用于活動(dòng)鉆具，起放井架等低速作業(yè)），這就為鉆井施工中動(dòng)力的連續(xù)性提供了保證，可以避免因無(wú)備用應(yīng)急動(dòng)力導(dǎo)致的無(wú)法活動(dòng)鉆具提供了連續(xù)的動(dòng)力，可以滿(mǎn)足鉆井施工的要求。

3.3 可靠性論證

應(yīng)鉆井一公司要求為在用的15 臺(tái)ZJ25DJ 型鉆機(jī)變速箱加裝應(yīng)急動(dòng)力裝置。在改造之初應(yīng)對(duì)項(xiàng)目方案的可靠性進(jìn)行分析論證。安裝應(yīng)急動(dòng)力裝置對(duì)變速箱中間軸的受力發(fā)生了改變，應(yīng)進(jìn)行力學(xué)分析確保其能夠承受。

下面將論述可靠性論證的過(guò)程和改造時(shí)的安全防護(hù)措施并對(duì)應(yīng)急動(dòng)力裝置適用的鉆井工況進(jìn)行約束和規(guī)定，使之更好的服務(wù)于鉆井施工。

3.3.1 鉆機(jī)變速箱加裝應(yīng)急動(dòng)力裝置的方案設(shè)計(jì)

參考寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司ZJ30/1700DJ 型鉆機(jī)的應(yīng)急動(dòng)力裝置，機(jī)構(gòu)如圖2 所示。

3.3.2 使用應(yīng)急動(dòng)力裝置時(shí)鉆機(jī)可提升的最大鉤載計(jì)算

擺線針輪減速器型號(hào)為BWD7-17-37，輸入轉(zhuǎn)速960 r/min；應(yīng)急電機(jī)型號(hào)為YX3-250M-6，功率37 kW，轉(zhuǎn)速960 r/min，額定電壓380 V；一級(jí)鏈輪牙數(shù)Z1=17，節(jié)距T=44.45 mm；二級(jí)鏈輪牙數(shù)Z2=31；節(jié)距T=44.45 mm。

當(dāng)使用應(yīng)急動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)時(shí)，擺線減速器的輸出扭矩為：N1=9550×P/r1，P=37，r=960/17=56.47 r/min，可知N1=6257 N·m。通過(guò)鏈傳動(dòng)（減速比n2=Z2/Z1=1.824）至變速箱中間軸，變速箱中間軸扭矩：N2=9550×P/r2，r2=r1/n2=30.960 r/min，可知N2=11 413 N·m。中間軸扭矩通過(guò)錐齒輪（減速比n3=41/29=1.414）傳遞至變速箱滾筒輸出軸，變速箱滾筒輸出軸扭矩：N3=9550×P/r3，r3=r2/n3=21.895 r/min，可知N3=16 138 N·m。變速箱滾筒輸出軸通過(guò)鏈傳動(dòng)（n4=56/23=2.435）至滾筒軸，滾筒軸輸出扭矩：N4=9550×P/r4，r4=r3/n4=8.992 r/min，可知滾筒軸扭矩N4=39 296 N·m。最大塊繩拉力為F0，滾筒半徑為R，F(xiàn)0=N4/R，R=0.25 m，F(xiàn)0=157 184 N=157 kN。各處傳動(dòng)環(huán)節(jié)功率損耗約15%，則傳動(dòng)效β=85%，F(xiàn)1=F0×β=133 kN。鉆機(jī)采用5×6 繩系，有效繩數(shù)為10 根，所以最大可提升載荷Q=1330 kN，約合133 t。

根據(jù)大慶地區(qū)ZJ25DJ 型鉆機(jī)一般鉆井深度L 大約2000 m，當(dāng)使用5"（127 mm）鉆具時(shí)，鉆具重量Q柱=q柱×L，q柱為空氣中含80～100 m 7" 鉆鋌時(shí)平均鉆柱重量，q柱=36 kg/m，Q柱=q柱×L=72 000 kg=72 t。

其他附件重量Q1（游鉤YG170：4.59 t，水龍頭XSL170：1.7 t，吊卡+提環(huán)：0.5 t，鋼絲繩（11/4"，11 根×35 m=385 m，每百米354 kg 重量1.36 t）。

鉆進(jìn)時(shí)最大鉤載QMAX=Q柱+Q1=72+4.59+1.7+0.5+1.36=80.15 t，載荷儲(chǔ)備系數(shù)a=Q/QMAX=1.66。

下套管時(shí)：Q套=q套×L，q套為空氣中5" 套管平均重量，q套=35.864 kg/m（API 5C2 套管最小工作性能），Q套=q柱×L=71 728 kg=71.728 t。

其他附件重量Q1′（游鉤YG170：4.59 t，吊卡+提環(huán)：0.5 t，鋼絲繩（11/4"，11 根×35 m，每百米354 kg，重量1.36 t）。

下套管時(shí)QMAX′=Q套+Q1′=78.278 t，載荷儲(chǔ)備系數(shù)a′=1.699。

所以，應(yīng)急動(dòng)力裝置在鉆進(jìn)和下套管時(shí)具備可靠的安全系數(shù)。

以上論述不含處理卡鉆等工程事故的特殊工況，故不建議在該類(lèi)情況下使用應(yīng)急動(dòng)力裝置。

3.3.3 使用應(yīng)急動(dòng)力裝置時(shí)變速箱中間軸的強(qiáng)度校核

針對(duì)中間軸進(jìn)行彎扭合成強(qiáng)度校核：鏈輪作用在軸上的拉力為FQ，F(xiàn)Q=1.05×f1×F。因?yàn)閼?yīng)急電機(jī)轉(zhuǎn)速很慢、工況比較平穩(wěn)，取工況系數(shù)f1=1.0；P=37 kW；Z1=31；n1=30.96 r/min。

齒輪作用在軸上的徑相力Fr，F(xiàn)r由扭矩提供，N2=Fr×Rc=11 413 N·m

Rc為錐齒輪節(jié)圓半徑，0.15 m，可得Fr=76 086 N。

根據(jù)圖4 可以得出，中間軸左端軸承位是危險(xiǎn)面，直徑140 mm。中間軸材料為35CrMo，許用應(yīng)力［σ］=207 MPa，所以完全滿(mǎn)足需要。

圖4 中間軸彎扭合成

4 應(yīng)急動(dòng)力裝置適用的鉆井工況

應(yīng)急動(dòng)力裝置適用于主電機(jī)發(fā)生損壞時(shí)作為應(yīng)急動(dòng)力使用，也適用于主發(fā)電機(jī)損壞或未就位時(shí)作為應(yīng)急動(dòng)力使用，可以提升、活動(dòng)鉆具，不建議在處理卡鉆等特殊工程事故時(shí)使用。

5 安全防護(hù)措施

可能發(fā)生的安全防護(hù)措施主要是鏈條傳動(dòng)，針對(duì)該處的安全隱患制做了安全護(hù)罩，防止鏈條損壞時(shí)造成安全事故。鉆井施工人員應(yīng)遵照實(shí)際情況，在恰當(dāng)?shù)墓r下使用。

6 實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用效果驗(yàn)證

2016 年10 月完成加裝應(yīng)急裝置一臺(tái)，在鉆井一公司30509鉆井隊(duì)進(jìn)行試用。截止2019 年10 月20 日，該鉆機(jī)已服役3 年，累計(jì)完成進(jìn)尺24 萬(wàn)米，完成鉆井120 余口。已經(jīng)歷各種適用工況，未出現(xiàn)故障（圖5）。

圖5 使用現(xiàn)場(chǎng)

在鉆井一公司的實(shí)際試用情況，也能證明ZJ25 鉆機(jī)應(yīng)急動(dòng)力裝置項(xiàng)目能夠滿(mǎn)足使用安全性能。

7 改造后系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和適用范圍

可以在主電機(jī)故障或主發(fā)電機(jī)未就位的情況下，使用輔助發(fā)電機(jī)帶動(dòng)應(yīng)急電機(jī)進(jìn)行井架起升、下放作業(yè)。在主電機(jī)發(fā)生故障情況下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了絞車(chē)和轉(zhuǎn)盤(pán)的部分應(yīng)急啟動(dòng)，可以進(jìn)行循環(huán)起、放鉆具，轉(zhuǎn)盤(pán)劃眼等操作，避免鉆井工程事故的發(fā)生。系統(tǒng)在應(yīng)急動(dòng)力啟動(dòng)時(shí)緩速，平穩(wěn)，相比較使用主動(dòng)力進(jìn)行起、放井架而言，對(duì)由于自重造成的彎曲載荷對(duì)井架的沖擊要小得多。可以有效降低起放井架時(shí)井架的沖擊、晃動(dòng)對(duì)其帶來(lái)的損傷，從而保護(hù)井架和地面操作人員不受傷害。改造后對(duì)原系統(tǒng)變化不大，操作人員易于適應(yīng)。系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足運(yùn)輸要求，在搬運(yùn)過(guò)程中僅使用常規(guī)車(chē)輛即可，適用于ZJ25DJ 石油鉆井用絞車(chē)變速箱的動(dòng)力傳遞布置。