调速型液力偶合器在石油钻机上的应用.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 l 2期 石油机械 C HI N A P E T R O L E U M MA C HI N E R Y 一6 9 一 ●技术讨论 调速型 液力偶 合器在石 油钻 机上 的应 用 王进全 李洪波 张革民 宝鸡石油机械有限责任公司 摘要 在分析调速型液力偶合器特点的基础上，探讨了调速型液力偶合器在石油钻机上的应 用及改造方案，包括经济型钻机的设计、机械驱动钻机动力机组改造以及转盘独立驱动装置的改 造，同时介绍了 每种钻机改造方案在各个油田的使用情况。最后提出了调速型液力偶合器在石油 钻机发展 中的几点建议。 关键词调速型液力偶合器石油钻机改造建议 0 引 言 液力传动技术在机械传动中占据着重要的地 位 ，其应用形式多种多样。但在石油钻机上应用的 主要是液力变矩器及液力偶合器，两者都可以实现 钻机的柔性传动 ，同时可根据输 出载荷的变化 ，有 限度地调节输出转速。据文献 [ 1 ]和现场应用情 况得知 ，输出转速相同时，液力变矩器 的高效 区在 7 5 ％ ～ 8 5 ％之间 ，而液力偶合器的高效 区在 9 5 ％ ～ 9 8 ％之间。因为液力变矩器的传动效率较低，液力 偶合器传动效率较高，所以在石油钻机上偶合器应 用技术 日趋完善 。液力偶合器按照功能可分为普通 型、限矩型和调速型。调速型液力偶合器因其较高 的传动效率， 且与普通型液力偶合器相比适应外载 荷变化的性能更好，能够提高钻机起下钻的时效， 所 以调速型液力偶合器在石油钻机上有广泛的应用 前景。笔者着重分析其在石油钻机上的应用方案。 1 调速型液力偶合器的特点 1 ． 1 无级调速性能好 调速型液力偶合器可以在动力机转速不变的情 况下根据外载荷的变化 ，通过控制调节 阀的进 口或 出口开度来改变工作室内油环厚度，即充油量，实 现负载的无级调速，提高功率利用率。 1 ． 2 适应外载能力强 泵 轮转 速 或 力 矩 不 变 时，泵 轮 的力 矩 或转速 随载荷改变而变化。 1 ． 3 防振、隔振性能好 能够减弱动力机的振动和隔离载荷的振动 ，延 长动力机和传动装置的寿命。 1 ． 4 可实现多机并车 当工作机采用多台动力机驱动时，调速型液力 偶合器通过改变充油量来改变传递的扭矩，使各驱 动单元的功率趋于平衡 J ，允许各台动力机的转 速稍有差别，使各台动力机的负载分配均匀。 1 ． 5 传动效率高 液力偶合 器的效率为 9 5 ％ ～ 9 8 ％ ，而液力变 矩器 的效率为 7 5 ％ ～8 5 ％。同时 ，调速 型液 力偶 合器能使电动机空载启动，不必选择过大功率余量 能力的电动机等动力机，并且可以减小电网负荷 的 波动 ， 。 液力偶合正车减速箱取代液力变矩器并广泛地 应用的主要原因是其良好的综合经济性。但用液力 偶合正车减速箱在起下钻周期 中耗时高的问题一直 未能解 决。而调 速 型液 力 偶 合器 具 有 无级 调 速 性 2 J ，使这一问题的解决变为可能。调速型液力 偶合器克服了普通型液力偶合器的不足，它可以实 现当钩载增大时，钩速自动减小；当钩载减小时， 钩速 自 动增大。调速型液力偶合器这种 自动适应 性，使其在一个全井起升周期中耗时少，且其工作 效率高， 故其在石油钻机上应用是经济可行的。另 外，调速型液力偶合器的传动部件间无直接机械接 触、使用寿命长 6 ] 。综上所述，采用调速型液力 偶合器可作为今后钻机的一个发展方向。 一 7 O 一 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 2期 2 调速型液力偶合器在钻机上的应用 由于调速型液力偶合器有诸多特点 ，所以在石 油钻机 中使用液力传动时 ，应首选调速型液力偶合 器 。下面分析几种在 新设 计钻机和改造钻 机时的 方案。 2 ． 1 经济型电动钻机的设计 随着钻井工艺的发展 ，丛式井 、水平井 、定向 井 、复杂地层特殊工艺井以及科学探井等所占的比 例不断提高，现代钻井工艺强调钻井工程的经济 性 、时效性 、科 学性 和 H S E的要求 ，其 中许多要 求需要通过钻机来实现，特别是钻机整体运行的经 济性等。机械钻机虽然投资成本低，但是钻机的技 术性能、调速特性 、工作平稳性和适应性等 比电动 钻机差 ，而常规直流或交流变频钻机投资大 ，钻机 的使用 、维护保养对井队工人的素质要求较高。在 新设计制造钻机时 ，针对油区工业电网较发达的地 区直接采用三相异步电动机。 以 4 0 0 0 m钻机为例 ，对于 3个相对独立的传 动单元分别采用 3组电动机组 独立驱动 传 动原 理如图 1 ，即 1台电动机直接驱动绞车 ，2台电动 机分别驱动 2台钻井泵 ，电动机和调速型液力偶合 器组合独立驱动转盘驱动装置。这种传动方案的主 要优点是 ①钻机后台更加简化。由于电动机的体 积远远小于柴油机 ，又省略了其他机械动力传动转 换装置，所以整 台钻机后 台占用的空 间大大减小。 ②能够实现转盘独立驱动 ，保证工作机性能。转盘 采用电动机独立驱动 ，减少了因机械远程驱动产生 的沿程功率损失 ，提高了功率利用率 ，减少 了故障 率，便于安装和维护。③能够实现低泵冲特殊钻井 工业要求。④具有较好的经济性。⑤具有较高的传 动效率和工作可靠性。同时减少设备故障率，节省 后 台设备维护时间，提高钻井速度 ；因为绞车低位 安装 ，安装和维护都非常方便 ，提高了钻机的安全 性；再者调速型偶合器可 以实现转盘 的无级调速 ， 使转盘适应外载荷 的能力增强 ，提高钻井效率。这 类传动元件组合的钻机 ，既可以提高钻机的技术性 能和科学性 ，又降低钻机的运营成本 ，满足钻机安 全可靠运行的要求。 图 l 经 济型 电动 钻 机 传 动 原 理 图 1 一转盘； 2 一调速型液力偶合器；3 一电动机； 4 一转盘传动单元；5 i绞车传动单元 ； 6 --泵传动单元。 2 ． 2 机械驱动钻机动力机组改造 轴驱动 3台并排布置的联动机组 ，动力通过胶带并 目前，在用机械驱动钻机按其传动方式主要分 车后分别驱动钻井泵和绞车。根据钻机的实际使用 为2 种，一种是以大庆 1 3 0钻机、z J 4 5 J 钻机为代 情况，可采用 2 种改造方案实现绞车滚筒转速和钻 表的柴油机驱动、胶带并车型 传动原理如图2 ； 井泵冲次的无级调速。 另一种是以液力变矩器或者液力偶合正车减速箱传 1 机械化改造。钻机后台底座不做任何变 动、链条并车的 L系列钻机 传动原理如图3 。 化，保留原3台柴油机，仅把3台联动机组的J s 一 后者一直被作为前者的改造或替代机型。 1 0 0 0 减速箱用调速型液力偶合反车减速箱取代即 2 ． 2 ． 1 胶带并车钻机 可 一号联动机的传动原理见图4 。实施时，需 无论是大庆 1 3 0钻机还是 Z J 4 5 J 钻机，其动力 要对联动机组进行一些必要的改造。这种改造方案 机组均是采用 3台 P Z I 2 V 1 9 0 B型柴油机，经万向 在大庆油田实施后，效果良好。 2 0 1 1年 第 3 9卷第 1 2期 王进全等调速型液力偶合器在石油钻机上的应用 一 7 1一 图2 柴油机驱动胶带并车传动原理图 图 3 链条并车 系列钻机传动原理 图 2 3 4 5 图4大庆 1 3 0钻机后 台传 动改造示意图 1 ～调速型偶合反车减速箱； 2 一离合器 I； 3 一正车箱；4 一离合器 Ⅱ； 5 一一号联动机快速轴总成。 2 电动化 改造。钻机后 台底座不 做任何变 化 ，保留原 3台联动机组及万向轴 ，用交流异步电 动机与调速型液力偶合减速箱组成的电动化动力机 组取代3台柴油机 传动原理见图 5 ，并增加电 一 7 2一 石 油机械 2 0 1 1 年第3 9卷第l 2期 控系统。改造后的电动化动力机组外形安装尺寸完 全可与柴油机互换 ，安装操作实施方便 。这种改造 方案在辽河油田使用 ，得到用户的一致认可。 图5 大厌 1 3 0钻机 电动化传动 改造原理 图 l 一 调速型液 力偶合减速箱 ；2 --联轴器；3 一交流异步 电动机。 2 ． 2 ． 2链 传动 钻机 动 力机 组 改造 方案 链传 动 钻 机 的动 力 机 组 均 是 采 用 3台 P Z 1 2 V 1 9 0 B型柴油机，经万向轴驱动整体链条并 车传动箱，动力通过链条并车后分别驱动钻井泵和 绞车。根据钻机的实际工作情况，可采用 2种改造 方案实现绞车滚筒转速和钻井泵冲次的无级调速。 1 机械化 改造。钻机后 台底 座不做任何变 化，仅把液力变矩器或者液力偶合正车减速箱用调 速型液力偶合反车减速箱 取代 即可 传动原理 图 见图 6 。这种改造在青海油 田使用 ，大大提 高了 钻井速度和实效 ，受到用户的一致好评。 图 6机 械 化 传 动 改 造原 理 图 1 一 调速 型液力偶合反车减速箱 ；2 一 联轴器 ；3 一柴油机。 2 电动化改造。钻机后 台底座不做任何 变 化 ，仅把柴油机与液力变矩器或者液力偶合正车减 速箱组成 的动力机组 ，用普通交流电动机与调速型 液力偶合减速箱组成 的电动化动力机组取代 ，改造 情况与胶带并车传动的电动化改造类似 ，并增加电 控系统。这种改造方案在新疆油田使用，收到了预 期的效果。 2 ． 3 转盘独立驱动装置的改造 现有钻机的转盘驱动装置，其结构之一是采用 具有挡位的机械式联合驱动，不能无级调速； 还有 一 种采用直流 或者交流变频电动机通过联轴 器、齿轮或者链条传动箱、惯性刹车等独立驱动转 盘，转盘转速由S C R直流调速系统 或者 V F D交 流变频调速系统控制电动机实现无级调速。上 述 2种形式 的转盘驱动装置 结构复杂 、制造 成本 高 ，操作及维护时要求工作人员具有较高的机 电技 术水平。 配上调速型液力偶合器 ，可设计一种新型转盘 独立驱动装置 ，一是用普通交流电动机取代原结构 中的直流 或 者交流变频 电动机 ，去掉 了 S C R 直流调速系统 或者 V F D交流变频调速系统 ，二 是增设了调速型液力偶合传动装置，实现转盘无级 调速 如图 7 。由于转盘工况 的要求 ，需要在调 速型液力偶合传动装置的输出端增加一个变速箱以 满足转盘输 出扭矩及转速的要求 。这种改造已经获 得国家专利 ，专利 名为 电动液力传 动转 盘驱动装 置 ，专利号为 Z L 2 0 0 6 2 0 1 4 9 5 3 ． 2 。 图7转盘驱动原理 图 l 一转盘 ；2 一联轴器 I；3 一调速型液力偶合 变速箱 ； 4 一 联轴 器 I I； 5 一 交流异 步 电动机 3 结论及建议 1 调速型液力偶合器具有较高的传动效率 ， 可以随着负载的变化在动力机转速不变的情况下调 节输出转速，完全满足快速钻进及起下钻作业工况 的要求 。 2 采用调速型液力 偶合器多机并车时可 以 实现动力互济 ，且传动平稳 ，噪声 小 ，操作 非常 简便。 3 采用调速型液力偶合器可以满足低泵冲 、 大排量的钻井工艺要求 ，具有较高的综合经济性 。 4 采用调速型液力偶合器的钻机可满足快 速钻进及起下钻工况的要求 ，钻井成本显著降低 。 5 设计 以交流异步电动机和调速型液力偶 合减速箱传动为主的经济型电动钻机，尤其在有网 电的地区，电力 比较充沛 ，更适合采用这种复合传 动形式的高安全性、低碳环保的钻机结构； 6 在原有的机械钻机改造 时，采用调速 型 液力偶合器或调速型液力偶合减速箱传动的钻机， 这样可以大大节省能源，降低成本 ，减少污染 ，提 高钻机的工作效率，减少使用空间，提高钻机的工 作柔性和安全性 ，也为节能减排贡献一份力量。 ’ 下转第 8 5页 2 0 1 1年 第3 9卷第 1 2期 尹方雷等陀螺马笼头安全锁定密封装置的研制与应用 ～ 8 5一 体 、密封螺旋橡胶 、下密封顶心 ，将下密封顶心旋 进下密封主体中，密封螺旋橡胶在上密封顶心的挤 压下紧紧包住金属导线，实现下部密封；将电缆心 和金属导线在连接主体中进行连接 ，然后将连接主 体的上、下接头分别与上密封主体的下接头和下密 封主体 的上接头用螺纹旋紧并用 O形密封圈密封 ， 实现中间密封 ；将 以上连接好的工具串上部通过上 密封主体的内螺纹与马笼头连接，下部通过下密封 主体的外螺纹与陀螺测斜仪的外筒连接，并采用 O 形密封圈实现外部密封。此时铜心与陀螺测斜仪探 管的探针处于接触状态 ，可进行下井测试施工。 1 ． 3工作原理 马笼头安全锁定密封装置能够实现完全密封 ， 阻断液体 由马笼头根部进入仪器的通道 ；同时上密 封主体、下密封主体与连接主体及仪器之间的螺纹 连接采用 O形密封圈密封，阻断液体由外筒各部 分螺纹连接处进入仪器 通道。由于采用 了螺纹连 接 ，摒弃了常规旋转锁定的弊病 ，可有效避免电缆 芯折断现象的发生。 ’ 2 现场应用 2 0 1 0年 ，安装 了马笼头安全锁定密 封装置 的 陀螺测斜仪在辽河油 田和冀东油田共应用 2 5井次 ， 其中侧钻井斜向器的定向 1 3井次、老井井斜数据 校测 1 1井次 、新井井斜数据校测 1井次。安装原 马笼头施工的 1 0口井中，平均每2口 井就需要重 新缠 1 次电缆接头， 仪器在井下发生短路或断路故 障 3井次 ；应用装配有马笼头安全锁定密封装置的 陀螺测斜仪进行施工 的 l 5口井 中，电缆接头密封 连接良好， 仪器在井下无短路或断路故障。 3 结 论 1 陀螺马笼 头安全锁定密封装置能够有效 解决现有陀螺测斜仪普遍存在的电缆连接头短路和 断路问题，提高了现场施工的效率和安全性，延长 了仪器的使用寿命。 ． 2 从现场应用 可以看 出，该装 置应用效果 良好 ，在施工的 1 5口井 中，电缆接头密封连接 良 好，仪器在井下无短路或断路故障。 参考文献 [ 1 ] 石元会，胡晓明．D S 3 9 型陀螺测斜仪及其在坪北油 田开发中的应用 [ J ] ．国外测井技术 ，2 0 0 6 ，2 1 4 2 5 2 8 ． [ 2 ] 邓广耀．陀螺测斜技术在 Y J B油田综合调整中的应 用 ] ．河南石油，2 0 0 5 ，1 9 2 5 3 5 4 ． 第一作者简介尹方雷，助理工程师，生于 1 9 8 4年， 2 0 0 8 年毕业于中国石油大学 华东 石油工程专业 ，现从 事钻完井工具及工艺技术研究和陀螺测试现场服务工作。 地址 1 2 4 0 1 0 辽宁省盘锦市。电话 0 4 2 7 7 8 0 0 8 7 2 。 Em a i l y i n f a n e i 1 6 3 ． t o m。 收稿 日期 2 0 1 1 04 2 9 本文编辑王刚庆 上接第 7 2页 参考文献 李树生，孙浩，许传国，等 ． 高效节能型石油钻 机用柴油机偶合器机组 [ c ]∥石油装备标准化国 际研讨会论文集，北京 [ 出版者不详 ] ，2 0 0 8 2 8 42 9 5 ． 王光炳 ．调速型液力偶合器的特性及匹配 [ J ]．煤 矿机 电，2 0 0 3 1 1 8 2 2 ． 赵培生 ． 调速型液力偶合器的性能及应用 [ J ]． 煤 矿机械，2 0 0 5 9 1 2 01 2 1 ． 刘应诚 ． 液力偶合器在多机驱动机械设备上的应用 [ J ]．起重运输机械 ，2 0 0 4，1 8 6 5 6 5 7 ． 孙玉琴 ，杜广明，朱家景 ．石油钻机用调速型液力 偶合器 [ J ]．石油机械，2 0 0 8 ，3 6 9 7 0 7 3 ． 周斌，王礼平 ． Y O T型调速液力偶合器和 Y T型 液粘调速器工作原理及其在电厂的应用 [ J ]． 华北 电力技术 ，2 0 0 9 9 4 8 5 1 ． [ 7 ] 苑克贵 ．调速型液力偶合器在石油行业的应用与节 能 [ J ]．中国水 运理论 版，2 0 0 6 6 1 9 8 1 9 9 ． 第一作者简介王进全，教授级高级工程师，生于 1 9 5 6年 ，1 9 8 1年毕业于西南石油学院矿机专业，现从事技 术及管理工作，任公司副总经理及总工程师，中石油集团 高级技术专家，享受国务院政府特殊津贴。地址 7 2 1 0 0 2 陕西省宝鸡市。电话 0 9 1 7 9 4 6 2 0 0 7 。E m a i l p o s ff fi e n d 9 9 1 2 6 ． c o m。 收稿 日期2 0 1 1 0 5一l 1 本文编辑刘峰 ] J 1 J 1 j 1 J] j] J 1 2 3 4 5 6 |二