第十章电驱动钻井设备.docx
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第十章电驱动钻井设备
第十章电驱动钻井设备
第一节概述
一、用途
ZJ70D系列钻机是为满足油田深井勘探开发和出国承包钻井的要求而设计开发的一种SCR直流电驱动钻机。
该钻机的总体设计参照了国内外同类电驱动钻机的优点。
钻机基本参数符合SY／T5609标准，主要配套部件符合API规范，满足钻井新工艺的要求，技术性能和可靠性达到国际20世纪90年代的先进水平，该钻机还可配用顶部驱动钻井装置。
二、技术特点
（1）采用当今世界先进的AC—SCR-DC电传动动力系统。
绞车、转盘和钻井泵可实现无
级调速，获得良好的钻井特性。
启动平稳、传动效率高、负荷自动均衡分配。
（2）采用国内外成熟的先进技术和结构，并注意符合标准要求，使钻机的标准化、先进性上了一个台阶。
（3）采用模块化设计、多种组合方式，增强了钻机通用性、互换性，适应不同用户的需求。
（4）台面设备和井架低位安装，依靠绞车动力整体起升，方便安装并节省吊装设备。
（5）钻机布置整齐、协调，设备块数少，搬家拆装方便，满足钻机快速移运的要求。
（6）钻机可配置液压盘式刹车，带刹可加自动送钻装置，使钻井更加安全、省力、准确。
（?
）采用了高效固控系统，净化设备集中安装，罐面清爽、干净、整洁。
三、电动钻机的发展
电驱动钻机最早开始于20世纪50年代中期，随后逐步完善、成熟。
与机械驱动相比，电驱动具有调速性能好、经济性能高、可靠性强、故障率底、操作更安全、方便、灵活、易于实现自动控制等一系列的优越性。
特别是全数字控制系统的出现，使得电驱动控制系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便。
电驱动可以通过可编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。
1.国内外电动钻机的发展现状
国外在1994年已生产出了全自动化钻机样机。
现已研制出自动化，智能化电动钻机，在钻井实践中取得了较好的使用效果。
（1）美国W-NApache联合公司自动化钻机：
其研制的自动化石油钻机，采用动力水龙头钻井方法，配备了自动移运和排放立根系统；采用微机控制系统，以监控钻机操作各工序正常作业；钻井深度为6096m。
其特点是钻机的总重量较轻，安装拆卸时间减少50％，采用自动化控制系统，可在lmin之内完成接单根作业，节约钻井时间12％-15％；全钻机只需要2人进行操作。
（2）挪威自动化钻机：
挪威Temco公司生产的全自动化钻机，采用液压驱动的顶部驱动钻井系统，选用了一种轻型钻机结构，可降低钻井成本；采用机器人进行操作，在钻机中采用了许多新材料和智能技术，使钻井作业全自动化。
（3）小井眼自动化石油钻机：
采用动力水龙头钻井方式，液压大钳、自动卡瓦、水平堆放钻杆，由机械手进行移运与排放。
该钻机自动化程度较高，接单根时间只需要6s。
实际应用中，电驱动钻机比机械驱动钻机具有更好的经济效益。
我国电动钻机电气控制系统的研究始于20世纪70年代中期。
20世纪80年代末，在借鉴国外先进技术的前提下，生产出我国第一台直流驱动的2J45D陆地电动钻机。
20世纪90年代，通过引进国外核心电气控制模拟单元，生产出深井直流咆动钻机，如ZJ50D和ZJ70D。
20世纪90年代后期，在引进国外全数字控制技术的基础上，开始全数字钻机电气控制系统的研究，如采用国外数字直流调速器，将模拟控制直流电动钻机升级为数字控制直流电动钻机。
全数字电控系统是目前电控系统的主流，它是用微处理器实现软件控制，具有完善的故障自诊断、运行、显示和保护功能。
全数字控制系统各环节的控制参数可实时调整，以满足钻井工艺的新要求和钻井工况的实时变化。
近几年将交流变频调速技术应用于石油钻采设备上，生产出全数字交流驱动电动钻机。
交流驱动电动钻机采用了交流变频调速技术，能够适应钻井工艺的要求，简化了钻机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全性、可靠性和移运性，且绞车体积小、质量轻、故障少、维护方便；调速范围宽，可实现无级调速：
能够以极低的速度恒扭矩输出，实现数控恒钻压自动送钻，对提高钻井时效、优化钻井工艺、处理井下事故等十分有利。
新型司钻控制系统控制精确、操作简单，使司钻摆脱了繁重的体力劳动，并注重了操作技巧和钻井参数的优选。
国内目前电动钻机电气控制系统在控制技术上有模拟控制和数字控制两种形式。
驱动方式上有直流驱动和交流驱动。
电控装置品种齐全，可满足用户的不同需求。
在功能上增加了起、下钻过程的位置闭环控制功能（即防止上碰下砸功能），外加盘式刹车的使用，由此既保证了设备的安全运行，又减轻了司钻的操作紧张程度；同时还增加了自动送钻功能，达到了恒速恒压钻井，以适应不同的岩层结构，提高钻井质量。
2.电动钻机的发展趋势
21世纪科学技术日新月异，在提高钻井效率、降低钻井成本的技术要求不断推动下钻机正在朝自动化、智能化、高适应性、高经济效益、高可靠性、大型化方面发展。
1）高适应性
随着钻井条件越来越恶劣，出现各种特殊钻井工艺。
简单地提高钻井时效已不能满足其要求，而是要通过钻井作业提高采收率、提高勘探开发成功率。
未来的钻机必须适应这些特殊钻井工艺的需要，这就要求钻机既要适应各种恶劣的自然环境，同时配套设备应具有以下足够的Q自力，例如钻机的安全系数、提升能力、钻井泵功率、泵压、转盘开口直径等参数都需要提高。
2）数字化、信息化、自动化和智能化
实现数字化、信息化、自动化、智能化的钻机，需具备完善的司钻控制系统、钻井参数系统、综合录井系统、远程监控系统、在线监测系统、远程故障诊断系统、钻井专家系统、远程安全应急系统、电、气、液集成控制系统、钻台自动化机具系统、井眼轨迹自动化控制系统、随钻测量系统等。
未来的交流变频钻机，必将具备远程操作、钻井信息共享、钻井全过程智能化控制功能，从而真正实现远程支持、智能优化钻井。
3）高经济性和安全性
在起下钻作业中，绞车全过程数字闭环控制，可以最大限度地提高钻机时效，同时，减少发生井下事故和出现井下复杂情况发生的可能性，数控恒钻压自动送钻技术对于提高钻井时效的作用更是有目共睹。
利用交流变频调速技术、计算机技术、通信技术等优势提高其运行的经济性和安全性，应成为钻机技术创新的主要发展方向。
4）高效移运性
通过国产电动钻机参与国际市场竞争的过程可以看到，在其他方面与国外钻机相差不大的情况下，高移运性已成为其重要的考虑因素。
提高钻机整体移运性，除注意模块化设计外，还要依靠先进的移运技术即考虑。
如何优化钻机结构、提高模块化水平、减少运输车次、降低安装难度等问题。
5）大型化
为了进一步开发更深地层的油气资源国外已研制出特深井钻机，钻井深度以达到15240m。
国内也正在研究万米钻机。
由钻机发展的趋势看，电气控制系统将朝着智能化、网络化、开放化、大功率方向发展。
（1）智能化，
由于相关技术的发展和现代控制理论在钻机电气控制系统的应用，使智能化钻机按照现场实时工况自动完成设计的任务，井通过自诊断功能减少人为的因素和失误，减少设备及工具的故障率，如根据油藏地质变化及时提钻、换钻杆、下钻。
随着对钻井过程透明化的进一步提高，随钻诊断（DIAGNOSTICWHILEDRILLING）相关技术的发展，从而可以快速准确地为电气控制系统提供实时数据，结合控制中心安装的控制、预测算法库和原始数据库，为电动钻机智能化的实现提供技术保障，如实现钻头磨损诊断。
智能钻具系统（INTELLIGENTDRILLSTRINGSYSTEM）技术使连接所有井下分离部件成为现实，该连接由能传输数据到其他部件且相互没有电气连接的变送器构成。
智能钻具系统的双向传输数据速率达2Mb／s，它支持高精度随钻测井仪器，并能协调控制井下机械装置，因此智能钻具系统的开发必将使电气控制系统的智能化日趋完美。
（2）网络化。
网络化就是通过网络将各控制检测等部件相连或将钻井过程所需资源共享，可分为现场总线网络和外部网络。
现场总线网络指电气控制系统的发电控制单元、驱动柜、PLC、HMI等以现场总线相连接，建立企业内网（1NTERANET），可将多台钻机联网，实现最优化调度。
井下网络拓宽了现场总线网络的范畴。
井下的每个仪器设备定义为具有惟一地址的节点，每个节点能够检测或中继数据。
该网络通过网络协议软件和硬件来完成各分散仪器设备间的信息传输，其采用双向通信方式，不仅能高速传出井下数据，而且可实现地面发命令给井下仪器设备。
该网络的建成将极大地提高钻井的可靠性和效率。
外部网络指电气控制系统与其外部其他控制系统或上位机以网络相连，通过该网络可实现钻机的远程控制和无人化操作。
新近研制的陆上操作中心（ONSHOREOPERATIONCENTER）是一种典型的外部网络实例。
陆上操作中心（OOC）作为海洋平台的扩展部分被集成到海洋钻机操作系统中，其可在陆地上通过无线网络监控处于恶劣环境的海洋钻机。
（3）开放化。
开放化就是电气控制系统软硬件具有互联标准，能有效运行在不同的平台上，可以与其他应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格，即互操作性、可移植性、可扩展性和可互换性。
随着计算机软硬件技术的发展，提出了可配置自动钻机系统（CONFIGURABLEAUTO-MATICDRILLINGSYSTEM）。
由于开放化系统软硬件的柔性，可以容易改变其基本配置，并可让第三方在原系统配置上参与开发，以实现软硬件真正的即插即用（PLUG＆PLAY），而且第三方软硬件作为系统的扩展，可实现数据共享，。
开放化电气控制系统便于生产管理，可
提高钻井效率。
电动钻机电气控制系统智能化、网络化、开放化的发展相互协调，对现代钻机的发展必将产生深远的影响。
但具有里程碑意义的将是激光石油钻机，美国芝加哥天然气研究所（GRl）与麻省理工学院（MIT）等正在合作研制激光钻井技术，这将可能突破现代钻机电气控制系统的发展范畴。
第二节直流电动钻机
一、ZJ70D钻机基本性能参数
2J70D钻机基本性能参数见表10—l
类别
数值
说明
类别
数值
说明
名义钻探范围
5000～7000m
柴油发电机组合数
及输入有功功率
4×l000kW
最大钩载
4500kN
柴油机型号及功率
G12V190ZLD；1000kW
（国产配套）
最大钻柱质量
220t
CAT3512TA~1022kW
（进口配套）
绞车最大输入功率
1470kW
直流电动机
YZ08／YZ08A
800kW
（国产配套）
大钧提升速度
O-1.6m／s
型号及功率
GE752AR3
735kW
（进口配套）
类别
数值
说明
类别
数值
说明
绞车挡数
4+4R
无级变速
固控系统钻井
液有效容量
325m3
转盘挡数
2+2R
无级变速
柴油罐容量
80m3
绳系及钢丝绳直径
6×7:
Φ38mm
三油品罐容量
15m3
钻井泵型号及总功率
F-1600：
2×1180kW
绞车冷却水箱
40m3
转盘型号及开口直径
ZP375；
Φ952.5mm
工业用水套装水箱
100m3
井架形式及有效高度
K型；45m
高压管汇
103（通径）×30MPa
底座形式及钻台高度
双升式；9m
二、ZJ70D钻机总体驱动方式
ZJ70D系列钻机采用AC-SCR-DC驱动方式，由4台1000kW柴油发电机组作为动力，
其发出的50Hz、600V交流电经SCR柜整流后变为0-750V直流电分别驱动绞车和钻井泵的直流电动机。
绞车、转盘由2台电动机联合驱动，2台钻井泵分别由各自的2台电动机驱动。
电动机为串激直流电动机，控制采用一对二式，即一套SCR柜控制两台直流电动机，本钻机有四套SCR柜（图10—1），正常使用时，有一套处于备用状态，当SCR柜发生故障时，可及时切换，确保钻井时安全运行。
图10-1ZJ70D钻机AC-SCR-DC驱动方式
三、ZJ70D钻机布局
（1）钻台区：
即主机部分。
包括井架、底座、绞车、转盘、游吊系统、司钻偏房、井口机械化工具、钻井仪表、风动绞车、液压提升机、猫道及排管架、绞车冷却水箱等。
（2）泵房区：
包括两套F-1600泵组、高压管汇等。
（3）动力及控制区：
包括4台柴油发电机组，SCR（MCC）房及电缆架，气源净化设备及辅
助发电动机组。
（4）油罐区：
包括2个28m3柴油罐和1个19m3三油品罐。
（5）固控区：
由钻井液罐、净化设备、钻井液处理房、100m3水箱等组成。
各区域之间油、气、水、电等连接管线铺设在管线槽内，管线槽内采用折叠式、内装电缆线和上钻台管线，可实现搬家不拆电缆和管线，折叠整体运输。
上钻台管线槽可随钻机起升就位。
四、ZJ70D绞车
（1）JC-70D绞车动力是由2台YZ08电动机提供，电动机运转前应检查电动机联接防护等是否完善。
（2）JC-70D绞车共有4个挡位，由机械换挡和滚筒高低速组合而成。
起升钻具或钻进时，应首先进行机械换挡，再进行滚筒高低速离合，组合出需要的挡位，机械换挡时，应将电动机停下，待输入轴停止后再进行换挡操作。
（3）在钻具提升过程中，需要刹车时，必须先摘开低速或高速离合器，然后迅速将刹车刹住。
（4）在钻具下放过程中，特别是高速重载时，严禁长时间半刹车（似刹非刹）的状态下控制下放速度，以避免刹车块与摩擦毂的先期损坏。
（5）下放钻具超过700m时，必须挂合电磁刹车。
（6）每次下钻前检查循环水道，达到通畅无阻，无渗漏现象。
（7）刹车毂在高热时严禁急淋冷水，以免产生聚冷龟裂。
下钻前要开动水泵进行冷却水循环，直到下钻完毕时持续循环10～15min后才能关闭泵。
（8）严禁油类或硬物进入刹车毂与刹车块之间，以免打滑或损坏刹车毂。
（9）每班必须仔细检查一次油路和链条，使各传动链条及润滑管线在畅通、良好的条件下工作。
润滑油压应在0.2～0.4MPa之间，若油压超过或低于这个范围，应及时找出原因并排除。
10）绞车在运转过程中，护罩必须紧固，窗盖装牢，严禁在运转过程中加注润滑脂或润滑油，以免发生人身事故。
五、YC-450游动滑车使用与维护保养方法
（1）游车各轴承在使用中每周加注两次2L-3锂基润滑脂。
（2）轴承应运转正常，无任何异常噪音，轴承温升不大于40℃，最高温度不超过70℃
（3）观察滑轮转动是否灵活，有无阻滞、摆动现象。
（4）如果侧护板变形，应按要求校正。
（5）如果滑轮边缘破损，应更换滑轮。
（6）定期用量规测量滑轮槽，磨损严重时应及时更换。
六、SL450S两用水龙头使用与维护保养方法
（1）水龙头必须运转灵活，当发现运转不灵活时，应及时检查并消除故障。
（2）水龙头提环进入大钩体后，钩舌锁紧装置应完全可靠，并能压住舌板，在处理事故强行提钻时，应另加钢丝绳系牢。
（3）水龙头在使用前应用链钳转动，检查中心管是否转动灵活，注意油池量是否符合要求，不足或变质时应及时添加或更换。
（4）检查水龙头全部密封填料性能是否良好，如发现漏油等现象，应及时处理。
（5）水龙头使用前应检查连接螺丝有无松动，上面有无工具等杂物放置。
（6）提环应灵活，提环取放水孔应保持清洁。
（7）为保护水龙头丝扣，搬运时应将保护接头带上护丝，
（8）水龙头内油位每班检查一次，达不到油位的及时补充，润滑油每两个月换一次，水龙头内润滑油为90号硫磷型极压工业齿轮油（SAE90）。
（9）提环销、密封填料装置、上下部弹簧密封圈和风动马达传动系统每班用润滑脂润滑次。
（10）定期检查油雾器油面高度，油雾器加注10号机械油。
七、ZP-375转盘使用与维护保养方法
（1）启动转盘前应注意转盘面上有无杂物。
（2）经常检查转盘的运转情况，不得有单边发热和过热、漏油现象及不正常的声音
（3）禁止用转盘上扣，没有特殊情况不准紧急刹车，以免损坏设备。
（4）应按规定给转盘补充或更换合适的齿轮油。
八、PSZ75液压盘式刹车的曰常检查与维护保养
（1）必须每班检查液压站液面，必要时及时补充。
（2）经常监测油箱中的油液温度，工作允许最高值为60℃。
（3）连续工作6个月或有污染必须更换液压油。
（4）每天在工作温度达到正常值时，必须检查滤油器，当红色指针露出时堵塞，必须更换。
（5）一周至一个月内必须监测蓄能器的充气压力一次，蓄能器必须充氮气，充气压力为4MPa。
（6）应保持两台泵都处于良好的工作状态，若有1台泵出现故障，必须立即修复或更换。
（7）防碰过卷阀需一周至少试用一次，确保其性能可靠。
（8）每班交接时必须检查工作钳刹车块厚度及油缸密封性能，当刹车块厚度小于12mm时必须更换。
（9）必须经常检测安全钳松刹间隙（至少一周一次）、刹车块的厚度以及油缸的密封性能，刹车盘与刹车块间的间隙应少于0.5mm，刹车块厚度最小允许12mm，碟形弹簧工作次数有定的限制，一年必须更换一次。
（10）应防止刹车盘和刹车块沾染或溅上油污。
九、JJ450／45-K5井架的操作与维护保养方法
1．用途
JJ450／45—K5井架配套ZJ70D钻机，用于安装天车，悬挂游动系统
2．技术参数
JJ450／45—K5井架基本性能参数见表10-2。
类别
数据
类别
数据
最大钩载（6×7绳系，无风载，二层台无靠放立根）
4500kN
底部开档
9m
有效高度
45m
等候天气（无钩载，二层台靠满立根）
36m／s
顶部开档（正面／侧面）
2.5m／2.2m
保全设备（无钩载，二层台无靠放立根）
47.8m／s
二层台高度
24.5m；25.5m；26.5m
起放井架
≤8.3m／s
立根容量
Φ5in钻杆、28m立根6600m；Φ10in钻铤4柱、08in钻铤6柱
自重
76880kz
3．结构说明
（1）井架主体结构为前开口型，共分为四段八大件，背面有斜拉杆、横梁与主体各段相连，主体各件间均为销轴连接。
井架上配有套管台、立根台、休息台等，同时配有通往二层台、天车台的梯子及登梯助力机构。
为满足钻井需要还配有2个起重为3t的高悬锚头滑轮。
（2）二层平台由台体、操作台及内外栏杆组成。
二层台内栏杆高lm，外栏杆高2m，三周设有挡风板。
为了增强井架工操作安全性，在台体边缘均设有挡脚板。
操作台可向上翻起，避免了非起下钻工况时与游动系统碰撞的可能性。
在台体指梁上设有靠放钻铤的卡板，钻杆挡杆设有安全链。
二层台上还配有2台钻工助力器（0.5t风动绞车）用于排放钻铤、钻杆，并设有紧急逃生装置。
（3）人字架是由左、右前腿，左、右后腿及横梁等组成的门形结构，用来起放和支靠井架。
其上设有快绳排绳器的安装座板。
（4）起升装置：
JJ450／45-K5井架采用人字架起升方式。
在起升装置中配有高低支架、起升大绳及平衡滑轮。
为了能够使井架平稳的靠放在人字架上，同时又能使井架重心前移，从而依靠井架本身自重下落，设有液压缓冲装置，通过液缸的伸缩来实现。
4．井架起放
（1）用支架在井架内部确定位置支起游车大钩及平衡滑轮并穿好起升大绳。
（2）起升井架采用绞车最低挡，当井架离开高支架约200mm时刹车3～5min，并检查：
①起升大绳有无异常；
②死绳固定端是否牢靠；
③井架立柱及斜槽拉筋有无变形，焊缝有无开裂（类似起升及检查不少于两次，无异常时方可正式起升井架）；
④当井架离开高支架至地面60左右夹角时，启用缓冲装置管线连接方式应按操作箱面
版所示规定，最大起升拉力在110～130t位置内。
⑤井架立直后安装连结人字架与井架间的“U”形螺栓。
（3）井架调试找正（在底座起升后进行）：
①井架左右方向调校通过井架支脚处千斤顶及垫板来进行；
②井架前后方向调校通过人字架上端顶丝来进行（理论位置时，顶丝头应伸出锁紧螺母
端面125mm）。
③调校后的井架正面和侧面均应保证天车中心对转盘中心偏差小于20mm
（4）放井架时按反向操作即可。
5．JJ450／45-K5井架使用与保养方法
（1）井架在使用过程中应定期检查立柱、斜横拉筋是否有变形或损坏，起升大绳有无锈蚀断丝，主要受力部位的焊缝有无开裂，销子、别针是否齐全，螺栓螺母有无松动等。
（2）各种滑轮、导绳轮应注意润滑，每次起放井架前应对上述润滑点加注7011低温极压润
滑脂，直至新油从滑轮端面溢出为止。
（3）操作者在使用过程中应根据铭牌上钩载
风速及二层台立根靠放量的函数曲线，保证指重表的读数不超过曲线示意的钩载范围（图10—2）。
（4）起吊人字架横梁时注意对横梁上的滑轮轴进行保护，严禁用钢丝绳挂吊在滑轮上。
（5）未经许可，不允许在井架上焊接、钻孔。
对运输、使用中损坏或丢失的构件不能随意代用，应向制造厂家进行技术咨询。
图10-2井架大钩载荷曲线
（6）登梯助力器是为钻工方便省力地上二层台、天车台而设置的。
（7）在井架中上段左、右各设的滑轮供悬挂吊钳用，在井架上段设的2个滑轮为高悬猫头的滑轮。
（8）井架存放时应堆码整齐，并适当垫平，所有耳板的销孔处涂防锈油脂，起升大绳要涂防锈油脂后捆扎成盘堆放在干燥处。
十、DZ450／9-S底座的使用与维护保养方法
（一）用途
DZ450／9—S底座配套ZJTOD钻机，用以安放井架、绞车、转盘及放置立根和钻井工具等，并提供井口装置的安装空间和钻井作业的操作平台，它承受钻井工作载荷、井架起升载荷与设备自重载荷并把这些载荷传递到基础与地面上。
（二）技术参数
DZ450／9-S底座基本性能参数见表10—3
表10-3DZ450／9-S底座基本性能参数
类别
数据
钻台高度
9m
钻台面积
13m×12m
转盘粱底面高度
7．62m
井口中心至滚筒中心线距离
3．25m
最大转盘载荷
4500kN
额定立根容量
5in钻杆，28m立根6600m，l0in钻铤4柱，8in钻铤6柱
最大转盘载荷与额定立根载荷的最大组合
最大转盘载荷
4500kN
额定立根载荷
2200kN
理论质量
kg
（三）结构说明
DZ450／9-S底座为双升式结构（俗称弹弓式），底座由下基座、前后立柱、人字架、上座、立根盒、绞车梁及转盘粱等构件组成，其特点如下。
（1）底座为平行四边形机构，从而使高台面设备低位安装。
（2）利用绞车动力和大钩通过绳系使底座从低位整体起升到工作位置（包括井架、绞车、转盘、司钻偏房等台面设备）。
（3）底座采用了高台面、大空间的结构，从而满足了深井钻机对井口安装防喷器高度的要求，并使钻井液回流管有足够的回流高度。
（4）根据高钻台的特点，配置了安全滑梯，钻井作业过程有紧急情况时保证操作人员能迅速撤离钻台。
（5）为保证风动绞车、旋扣马达和绞车有足够的用气量，在底座上设有
（6）为方便吊装井口，配有导轨和2X20t手拉葫芦。
（7）为保证底座起升平稳安全，配有液压缓冲装置。
（四）底座起放方法
（1）待井架起升完后即可进行底座的起升准备工作。
①将起升架挂在大钩上。
②向起升系统的各润滑轮内加注7011低温极压润滑脂，直至
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