2000m全液压齿轮齿条钻机.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1年第 3 9卷第 2期 ●新产 品开发 2 0 0 0 m全液压齿轮齿条钻机 王文尔 张军帅 尹永 晶 李鸿涛 南 阳二机石油装备 集团有限公 司 摘要 为适应井深2 0 0 0 m以内定 向井、水平井和侧钻井等特殊钻 井作业需要 ，开发 了全液 压齿轮齿条钻机。钻机 的电控系统采 用现场 总线控制技术，用 P L C来控制 、监测钻机 的主要部 件；液压系统采用基于电液 闭环 比例技术，实现对液压泵 、液压马达 的控制，并完成动力头的提 升和下放、旋 转等功能；钻机还配套 了管子处理装置，从管排架上抓取钻杆并将其送至井 口。这 种钻机具有结构紧凑、移动性好 、工作可靠及成本较低等优点，具有广 阔的市场前景。 关键词 液压钻机齿轮 齿条 液压系统 电控系统 管子处理装置 2 0 0 0 m全液压齿轮齿条钻机是南阳二机石油 装备 集 团有 限公 司在调研 国内外多种液压钻 机的基础上 ，充分吸收国外技术 ，自主研制出的新 型钻机。它适用于常规竖直井 的开发 ，对定 向井 、 水平井 、侧钻井等特殊钻井和复杂情况下浅井 、中 深井钻井更能发挥优势。与传统钻机相比，它不需 再配置绞车 、游 吊系统 、钢丝绳 、链条 、猫头等 ， 而采用零部件较少的齿轮齿条机构，降低 了成本 ， 维护保养也更容易。另外，钻机操作安全方便 ，作 业人员不必站在转盘附近的危险区域，只需操纵电 一 液控制面板 即可操作钻 柱。从环保 角度讲 ，齿轮 齿条钻机也有一大优势 ，即作业商不需要钻太多井 眼便可实现开发 目标⋯。2 0 0 0 m全液压齿轮齿条 钻机将动力单元、刹 车系统、液压系统 、井架、动 力头全部安装在 1 个 8 8的运载车上。与传统钻机 相比，它既能提供提升力又能提供向下的压力 加 压钻进 ，消除了其对钻铤的依赖。该钻机的提升装 置与钻柱直接连接 ，实现钻柱沿井眼轨迹的精确定 位和控制。钻机还配备了管子处理装置 ，用来夹持 钻柱并将其移动到井口中心，完成钻柱与动力头上／ 卸扣丁作，替代传统钻机的鼠洞 、气动 液压绞 车 、动力钳等 ，大大降低了工人劳动强度和作业风 险，符合 HS E要求。 1 钻机整体设计 2 0 0 0 m全液压齿轮齿条钻机 由动力系统 、8 8运载车底盘 、分动箱 、带泵箱 、井架、动力头、 假转盘 、管子处理装置 、液压系统及电控系统等部 件组成 见冈 1 。钻机 由 1台 4 7 k W 柴油机作为 行驶和钻井作业动力。柴油机通过液力传动箱驱动 分动箱 ，分动箱通过摘挂或驱动运载车行走 ，或在 作业状态时驱动液压泵。液压泵既可驱动动力头的 2台液 压马达旋转 ， 实现旋转钻进作业 ， 又可驱动 图 1 2 0 0 0 m齿轮齿条钻机结构 图 1 一井架 ；2 一 运载车；3 一井架前支架 ；4 一散热水箱 ；5 一 动力头 ；6 一柴油机 ；7 一传动箱 ； 8 一 分 动 箱 ； 9一 带 泵 箱 及 油 泵 ； 1 0一 液 压 油 箱 ； 1 1 一 起 升 油 缸 ； l 2 一 井 架 后 支 架 。 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 2期 王 文尔等 2 0 0 0 m 全液 压齿轮 齿条钻机 4台提升／ a n 压液压马达及减 速器 ，完成动力头 的 提升和下放。钻机主要参数 如下 名义 钻深 2 0 0 0 m l 1 4 ． 3 mm钻 杆 ； 最大 钩载 1 5 8 0 k N； 最大 提升速 度 0 ． 6 m ／ s ； 动力头转速 0～1 5 0 r ／ ra i n ； 动力头连续工作扭矩 2 5 k N m； 井架净空高 1 5 m； 管子处理装置夹持管柱直径 8 8 ． 9～ 2 0 3 ． 2 m m； 夹持管柱最大质量 2 2 3 5 k g 。 图 2动 力 头 结 构 图 1 一动力头机架 ；2 一水龙头总成 ；3 一 盘刹 总成； 4 一提 升马达及 减速器 总成 ； 5 一背 部滚轮 总成 。 装 2个液压马达，工作 时，液压 马达驱动输入轴， 经过中间轴减速，驱动中心管旋转 。动力头背板上 安装 4个液压马达和减速器 ，在减速器的轴端安装 4个小 齿 轮 见 网 3 ，小 齿 轮 与 安 装 在 井架 上 的 齿条啮合 ，实现动力头的提升／ 下放功能。安装 在 4个液压马达和减速器之间的多级盘式制动器 ，实 现动力头的工作制动和驻车制动。在动力头底部安 图 3 动 力头简图 1 一动力头小齿轮；2 一安装在井架上的齿条 ；3 一 动力头。 装 2个反扭矩传感器和液压盘式刹车 ，防止当动力 头停止旋转钻进时 ，钻柱由于反扭矩的释放 ，造成 钻具脱扣 。在提升／ 下放 马达 的轴头上安装 1个编 码器 ，在系统 中装备精密压力变送器 、工作方式选 择开关 恒压 、恒速 、转 向选择开关 正转／ 反 转 、恒速给定按钮 、测速给定按钮等来 实现 自动 送钻功能 。在 中间轴 的轴头上 安装 1个 分辨率为 1 0 2 4位的编码 器 ，实现 自动定 向钻井 。钻水平井 或定 向井时 ，刹车钳抱死 ，通过动力头的上下运动 来下放钻柱。当涡轮钻具的实际位置与 目标靶区偏 离时，信号反馈给 P L C，P L C给液压马达信号 ，马 达开始工作 ，当轴头转过设定的角度后 ，编码器信 号反馈给 P L C，P L C给盘刹钳信号，盘刹抱死 ，从 而精确地控制钻头的旋转角度和钻压。 2 ． 2液压 系统 钻机的液压系统 见图4 采用基于 电液闭环 比例技术 ，指令参量的输入以模拟量的直流电压信 号来实现。液压系统的 1 号液压泵和 2号液压泵为 动力头旋转马达 1 、2号 马达 供 油；3号液压 泵和 4号液压泵为 4台动力头提升／ 加压液压马达 3～ 6号马达供油 ；1台变量液压泵为管子处理 装置的背钳缸 、起 升缸 、动力 头的刹车油缸 等供 油，并分别组成 3套闭式 回路。另外一台常规液压 泵为 2个井架起升液压缸 、6个运载车液压支腿油 缸等供 油。整套液 压系统还包括 散热器 、油过 滤 器 、液压油箱 、多路 阀、管路接头等。变量液压油 泵的多功能阀包括一个实现压力限制的顺序阀及一 个高压溢流阀 ，用以实现过压保护。当系统压力到 达压力限定值时 ，压力限制阀迅速开启 ，进而推动 斜盘向中位运动 ，以减小泵排量 ，达到限制系统压 力的 目的。对于存在瞬间变化负载的应用 ，高压溢 流阀起作用实现系统过压保护。变量液压油泵多功 能阀的压力限制／ 高压溢流功 能顺序开启设计使 系 统过压保护最优化 。配合高压溢流阀起作用 的压力 限制阀最大限度避免了因溢流发热而引起的液压油 过热问题 。电气排量控制采用了一个喷嘴挡板式伺 服控制阀 P C P 作为排量调节模块先导级来输 出 先导压力 ，伺 服阀将 电气输入 信号转换为压力 信 号 ，并将此压力信号作为先导级控制信号推动电磁 阀心运动 ，从而实现主控制油路对双作用伺服活塞 的控制 。 2 ． 3电控 系统 钻机的电控系统采用西门子 s 73 0 0 P L C模块 为控制核心，并通过现场总线控制技术把设备组成 一 6 0一 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第2期 丁 卜 图4动 力头及 管子处理装置液压 系统 简图 P r o fi b u s D P网络；主柴油机 、管子处理装置等通 简化 了液压系统 ，降低了成本 ，提高了液压系统的 过 C A N总线并行处理 ，并采用 总线转换适 配器， 精度 ，提高了系统的可靠性 。 实现 C A N总线与 P R O F I B U S总线网络相 连，进而 2 ． 4管子处理装置 实现用主 P L C来控制 、监测钻机的主要部件。 管子处理 装置见 图 6 ，包括 底座 、液 压管排 图5为电控系统通讯结构简图。钻机网络控制 架 、机械臂总成 、1 套液压起升及调平装置 、液压 系统由一个三级网络组成 ，可以实现钻井数据实时 背钳及 1套液压绷扣 缸等。它从管排架上抓取钻 s 7 3 0 0P LC模块 l 按 钮 、 指 l l 堡 堂 示 灯 、 电 l 位 计 手 轮 l 动力头提 l 1 动力头旋【 I 管子处 l l 主发动 l l 钻井空压 升马达l l 转马达I I 理器l I 机监测I l 机监测 图 5 电控 系统 通 讯 结 构 简 图 处理 储存 、打印、回放 ，具有集中监视 、自动 化控制 、灵活操作 、便于生产管理和设备管理等优 点。控制 网络 由上位 机 I P C ，西 门子 s 73 0 0 P L C、人机界面 H MI 、柴油机监控仪表系统 监 i 贝 0 柴油机水温 、机油压力、转速 、运转时间、电瓶 电压等参数信息，并可实现故障声光报警 、液压马 达调速装置和西 门子 S I E ME N S E T一2 0 0 M模块 等组成。为了提高系统可靠性 ，钻机控制系统增加 了 B y p a s s 旁路控制。在 P L C出现故障时，可以实现 动力头停车、上提／ 下放、急停等功能。 钻 机 的 P L C模 块 由 S 7 3 0 0 C P U模 块 、2 4 V ／ 5 A的电源模块 、信 号模 块 模拟 量输人／ 输 出模 块 ，数字量输入／ 输 出模块 、功能模块 、通讯处 理器 、E T 2 O O M从 站等组成。借助西 门子 的 S t e p 7 编程软件，实现对动力头的提升 、下放 、刹车 、急 停 、正／ 反旋转钻进 、钻速调节等基本动作的控制 ， 通过安装在 2个液压马达轴头端的编码器 ，实现 自 动送钻 、自动定向钻井等复杂工况作业。P L C与电 磁阀块的配合使用 ，代替 了复杂 的液压逻辑控制 ， 杆 ，并将钻杆送到井 口，通过动力头完成上扣后 ， 用绷扣缸紧扣 ；卸扣时通过背钳夹紧钻柱 ，先由绷 图 6 管子 处 理 装 置 简 图 l 一背钳总成 ；2 --钻柱 ；3 一底座 ； 4 一 机械 臂总 成 5 一 液压 管排架 。 扣缸松扣 ，然后 由动力头卸扣 ，最后 由机械手将井 口的钻杆放到地面管排架上。在钻井作业前 ，管子 处理装置的机械臂需要先调垂。机械臂垂直度 自动 控制功能如下 自动调垂时，先 由自动调垂功能将 机械臂 自动升到与标准垂直位置误差正负 3 。 以内， 此时允许 自动调垂 ，控制器采集倾角传感器的信号 计算机械臂当前位置，通过闭环 P I D功能块计算出 液压 比例阀需要的开度 ，从而 自动改变 P WM输 出 通道输出，自动调整机械臂位置直至与标准位置重 合。手动调垂模式下操作人员通过手柄直接调整机 械臂位置到与标准位置重合。然后将此位置标定 ， 每次机械臂夹取钻杆到此位置后 ，液压缸停止运动。 下转 第 6 3页 嚣 2 0 1 1 年 第 3 9卷第 2期 安 玉山等 液手动半全封 防喷 器的研 制与应 用 一 6 3～ 两边丝杠同时旋转到位 ，受力均匀灵活。 表明各项技术指标均达到了设计要求。 4 ． 2现 场试 验 试验结果 指标均达到了设计要求，收得了良好 的使用效果 。 在井控培训现场对液手动半全封防喷器进行了 现场试验 ，试验的 目的是检验液手动防喷器的液压 系统与小修作业 自身的液压系统是否匹配 ，随车小 型液压控制台的操作和全封 、半封 的安全控制是否 灵活 ，一旦出现溢流 、井 涌或井喷需要关 闭井 口 时，操作人员是否可根据井 内情况 ，操作全封或半 封手柄 ，迅速关闭全封或半封闸板 ，及时关井 ，提 高 2级井控的关井速度。 按设计压力在现场给防喷器试压 ，使关井后安 全工作压力分别达到 2 l和 3 5 MP a 。 检验液压蓄能装置 、小型远程控制台和液压系 统匹配后的液动关井时间是否达到 了设计要求。 检 验 闸板对 管柱 的 自动扶 正和 对 中功 能 是否灵 活可靠 。 由远程控 制台实施关井操作 ，连接 远程控制 台，进行空 井试关 、开 全封 、半封操 作 ，操 作灵 活，对防喷器进行密封性能检验。低压试验压力 2 MP a ，稳压 1 0 mi n ，密封部位无渗漏 、无压降。高 压试验压力 2 1 MP a ，稳压 1 0 m i n ，无渗漏无压降。 液压控制腔试验压力 1 6 MP a ，稳压 1 0 ra i n ，无 渗漏 ，无压降。手动关井操作灵 活、轻便，关 闭圈 数小于 8 ． 5圈。现场试验表明，该防喷器各项技术 上接第 6 0页 3试验及 结论 2 0 0 0 m全液压齿轮齿条钻 机 自总装 完成 后 ， 先后完成 了负载试验 、井架及重要部位应力测试 、 动力水龙头的整体压力测试 、钻井液钻进试验 、自 动送钻 、定 向钻井等多项试验 ，试验结果均达到设 计要求。 齿轮齿条钻机既能提供拉力又能提供推力 ，其 顶部驱动本身能施加推力 ，只要需要就能向钻杆施 加向下的动力，特别适用于定向井 、水平井 、侧钻 井等特殊钻井和复杂情况钻井 。这类钻机有较好 的 水平钻进能力 ，可直接进行造斜 ，也可先向下钻 出 一 段垂直井眼，然后再进行水平钻进 ，从而将套管 下到全部 的产 油气带 ，大大 提高现场作业 的成功 率。同时 ，齿轮齿条钻机所需的占地面积仅为传统 钻机 占地面积的 左右 ，移运性好 ，机动性强 ， 搬家只需用少量卡车就能完成 ；其另一特点是节约 5 结 论 1 液手动半全封防喷器 以液压开关井为主、 手动开关井为辅 ，一旦发生液压系统失灵 ，可迅速 改为手动方式开启和关闭井 口，增大了井控的安全 系数。 2 作为集 液动 、手 动、半封 、全封于一体 的防喷器 ，可以有效减轻工人的劳动强度。 3 采用该 防喷 器能够解决遇有 H S等有毒 有害气 体 井 安全 施 工 和小修 作 业操 作 面 高度 的 问题 。 4 该防喷器可 充分利用小修作业 自身 的液 压系统 ，安装简单 ，操作方便 ，降低作业费用 ，可 以广泛用于油 田的修井作业。 第一作者简介 安玉 山 ，T程 师 ，生 于 1 9 7 4年 ，1 9 9 8 年毕业 于大庆石油学 院石油工程 专业 ，现 从事井 控技 术与 管理 工 作 。地 址 3 0 0 2 8 0 天 津 市 大 港 区。 电话 0 2 2 2 59 2 461 9。 收稿 日期 2 0 1 01 01 4 本文编辑赵连禄 燃料 ，燃料消耗仅 为传统钻机 的 4 0 ％ ～5 0 ％ ，因 此使用成本相对较低 。2 0 0 0 m全液压齿轮齿条钻 机的研制成功 ，为复杂地质情况下的油气资源开发 提供了新的解决方案。 参考文献 [ 1 ] 申守庆 ．多功能齿轮齿条钻机一种很有生命力的 新型钻机 [ J ]．石油与装备，2 0 0 9 6 6 8 7 0 ． [ 2 ] 王 进全 ，龚 惠 娟 ，范亚 民，等 ． G B ／ T 2 3 5 0 5 --2 0 0 9 石油钻机和修井机 [ s ]．北京中国标准出版社， 2 0 09． 第一作者简介 王 文 尔 ，高级 工程 师 ，生 于 1 9 6 5年 。 1 9 8 6年毕业于洛 阳丁学 院机制 专业 ，2 0 0 7年毕业 于中 国石 油 大学 北京 ，获硕 士学 位 ，现从 事 石 油机 械产 品 的开 发 与制 造 工 作。地 址 4 7 3 0 0 6 河 南 省 南 阳 市 。电 话 0 3 7 7 6 3 5 7 7 3 9 6 。Em a i l w w e c y j s i n a ． t o m。 收稿 日期 2 0 1 0 0 81 7 本文编辑谢守平