50DB钻机技术方案要点.docx

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50DB钻机技术方案要点

ZJ50/3150DB变频钻机

技术方案

中国石油化工集团公司

ZJ50/3150DB钻机技术方案

1　ZJ50DB钻机总体设计原则

1.1、钻机设计、制造依据“性能先进、工作可靠、运移方便、运行经济、满足HSE要求”的原则，整机性能和制造质量达到国际同类钻机的水平；

1.2、钻机按SY/T5609-1999标准及相关标准进行设计和制造，主要部件（井架、底座、绞车相关部位、游车、大钩、天车、水龙头、转盘、泥浆泵相关部位等）符合API规范，并打API标记；自动化程度高；满足国际钻井市场要求。

1.3、符合HSE规范，在防爆、防渗漏、防腐（油漆）、防潮、耐高温、耐寒、防沙方面具有很高的适应性。

1.4、钻机布局合理，总体布局充分考虑防爆、消防、井控、材料供给、安装、使用、拆卸、维修方便等要求。

1.5、外观质量精美，实用性强，总体配置消灭薄弱环节，最大限度地满足5000m高难度井、疑难井钻井工艺要求。

1.6、模块化设计，方便整体吊装运输及近距离调整，单件尺寸满足铁路和汽车运输的要求。

1.7、钻机配套的所有仪表为公英制（如ＭPa、Psi）；设备及配套件的铭牌为中英文对照；产品有吊装标识和安全标识。

1.8、钻机成套采用国外引进与国内制造相结合方式，即：

国内成熟、可靠的部件由国内制造，国内目前尚不能满足整机性能和要求的关键部件，（如：

主发电机组、逃生器等）从国外进口。

同时负责总装配套,钻机设计质量、制造质量、外协件质量、装配质量、接口质量和整机性能。

1.9、充分考虑底座与井架的稳定性，有效防止井架与人字架的横向错位。

1.10、机电一体化设计，人机界面良好。

1.11、相关部位预留安装顶部驱动装置的接口；

1.12、井场电气系统符合相关国际标准；

1.13、井场内用房、泥浆罐、油水罐等有独立的接地保护措施（在底部焊接M14铜制螺栓接线柱并配螺母）；

1.14、液、气系统油管接头处采用可靠的接头；球阀为不锈钢；

1.15、所有液、气、电线走向规范、安全可靠、布局合理。

*钻机设计及制造符合的主要标准：

APISpecQ1《质量纲要规范》

SY/T5609-1999《石油钻机型式与基本参数》

APISpec4F《钻井和修井井架、底座规范》

APISpec8A8C《钻井和开采提升设备规范》

APISpec7《旋转钻机设备规范》

APISpec7K《钻井设备规范》

APISpecD10《旋转钻井设备选用一般规则》

APISpec7F《石油钻机传动滚子链》

APISpec9A《钢丝绳规范》

APIRP500《石油设施电力装置场所分类推荐作法》

SY/T5225-1996《石油与天然气钻井、开发、储运防火防爆安全生产管理规定》

SY/T5958《井场布置原则和技术要求》

SY/T5957《井场电气安装技术要求》

SY5308《石油钻采机械产品用涂漆通用技术条件》

IEC《爆炸性气体、环境用电气设备通用技术条件》

IEEE《电气与电子工程师协会规范》

JB/T7845-1995《陆地钻机用装有电子器件的电控设备》

APISpec9A《钢丝绳规范》

APIspec16C《节流与压井装置规范》

SY/5307《石油设备焊接件通用技术条件》

APIRP53《钻井井控设备用控制系统设计的推荐作法》

APIspec16D《钻井井控设备控制系统规范》

《钢结构手册》美国钢结构学会第八版

GB3797-89《电控设备　第二部分：

装有电子器件的电控设备》

GB4720-84《电控设备　第一部分：

低压电器电控设备》

IEC44－81或APIRP500《石油设施电气设备的区域分类推荐作法》

SY/T6276-97ISO/CD14690《石油天然气工业、健康、安全与环境管理体系》

2　钻机基本技术参数

2.1名义钻深（Ф114mm钻杆）5000m

（Ф127mm钻杆）

2.2最大钩载3150kN

2.3最大钻柱重量1600KN

2.4绞车额定功率1100kW（1500HP）

2.5绞车档数I+IR交流变频驱动无级调速

2.6提升系统绳系6×7（顺穿）

2.7钻井钢丝绳直径Ф35mm

2.8提升系统滑轮外径Ф1270mm

2.9水龙头中心管通径Ф75mm

2.10泥浆泵型号及台数2台1600泥浆泵（预留第3台泵接口）

变频电机驱动无级调速

2.11转盘型号及开口名义直径ZP375Ф952.5mm

2.12转盘档数、I+IR变频电机独立驱动无级调速

2.13转盘额定输入扭矩12000N.m

2.14井架型式及有效高度“K”型45m

2.15底座型式新型一次起升旋升式

2.16钻台高度、9m

2.17转盘梁下净空高度7.6m

2.18钻台面积≥132m2

2.19动力传动方式AC-DC-AC全数字变频

2.20柴油发电机组型号CAT3512B/SR4B

2.21机组台数×容量　　3×1900KVA（1750KVA）

2.22柴油机功率1310KW

2.23柴油机转速1500r/min

2.24发电机型号及参数SR4B1900KVA600V50Hz1500r/min

cosφ0.7（0.8）无刷励磁

2.25辅助发电机组台数×功率1×400kW400V50Hz三相

2.26交流变频电动机台数×功率3×600kW　2×1200kW

2.27自动送钻系统变频电机37/45kW400V

　　　　　　　　　　变频控制单元　0～400V0～100HZ（可调）

送钻速度　0.1-36m/h

2.28交流变频控制单元（VFD）1对1控制6+1套（配第三台泵）

2.29输入电压600VAC+400VAC

2.30输出电压、频率0～600V　0～200HZ（可调）

2.31MCC系统600V/400V/230V50Hz

2.32高压管汇Ф103mm×35MPa（试压70MPa）

留压井管汇、固井管汇接口

2.33双立管通径Ф103mm×35MPa（试压70MPa）

2.34泥浆循环净化系统有效容大于300m3

2.35储气罐2.5m3+4m3（带止回阀）

2.36气源压力1Mpa

2.37柴油罐总容量90m3

2.38工业用水罐套装水箱100m3

3、总体方案和主要特点：

1、钻机采用先进的交流变频全数字控制技术。

钻机采用3台CAT3512B/SR4B　1900kVA柴油发电机组作为主动力，发出的600V50Hz交流电经变频控制系统（VFD）分别驱动绞车、钻井泵和转盘的变频电动机。

绞车由2台额定功率600KW变频电机驱动，经二级斜齿轮箱减速后，驱动单滚筒，自动送钻由1台37/45kW　400V的变频电机驱动，绞车刹车采用单边液压盘式刹车（风冷）和电机能耗制动。

转盘采用独立驱动方式，由1台600kW变频电动机经两挡减速箱输出后由万向轴驱动。

2台泥浆泵各由1台1200kW变频电机驱动。

*井架为前开口型,井架尺寸预留安装顶驱位置；底座为一次起升旋升式结构。

井架和底座共用一根起升大绳，利用绞车动力,一次穿绳连续起升到位。

*采用先进的交流变频技术，整个控制系统为全数字控制，通过电传动系统PLC和触摸屏及气、电、液、钻井仪表参数的一体化设计，实现钻机智能化司钻控制。

*变频单元采用进口德国SIEMENS全数字矢量控制电压源型交流变频调速装置，实现绞车电机四象限控制。

*控制系统以SIEMENS高性能的PLC为控制核心，上位工控机（IPC）、自动化级（PLC）、数字传动级和司钻操作台通过现场总线组成Profibus-DP三级网络，实现对系统各装置的远程数据传输和故障监控，显示钻井参数及画面，各种状态提示和帮助文本显示，为钻井工程创建一个数字化、信息化、智能化的管理平台，优化和监测整个钻井过程。

*钻机气控采用德国的智能阀岛系统，与PLC逻辑程序实现气、电、液一体化逻辑控制。

*智能化远程司钻操作台具有钻机操作和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、故障显示、报警的齐备功能。

*绞车自动化控制系统：

PLC通过总线采集主电机的运行参数和滚筒转速等信号，可判断游车所处工况，计算出游车位置、悬重、速度，通过工控机（IPC）数字程序发出控制信号，使主电机以设定的速度控制滚筒，实现绞车起下钻全程控制、功率合理利用及工作时效的提高。

并具有起下钻时防卡钻、钩载设定和锁定功能。

*转盘控制系统：

通过变频器、PLC经总线采集转盘电机的运行参数，计算并显示出转盘转速、转矩，并在显示屏上显示。

PLC通过编程可设定转盘转矩，控制电机的运行参数，使转矩动态工作在设定范围。

当出现异常情况时（转矩超过最大设定值时），PLC控制电机停止，实现过载保护。

*钻井泵控制系统：

通过变频器、PLC经总线采集泵电机的运行参数，控制过泵压并计算和显示泵冲。

*动力监测系统：

PLC通过总线采集每台发电机组在线频率、电压、电流；发电机运行、并网、接地故障、运行时间等数据，送往远程司钻操作台，为司钻操作提供参考，同时在上位工控机IPC存储。

2、钻机采用宽频交流变频电机驱动,通过PLC控制完全实现绞车、转盘和泥浆泵的全程无级调速。

3、绞车为单滚筒齿轮传动，一档无级调速，主刹车采用电机能耗制动，辅助刹车为液压盘式刹车，并能通过计算机定量、定位控制制动力矩。

绞车配备独立送钻装置，采用计算机自动送钻技术，可实现自动送钻，对起下钻工况和钻进工况进行实时监控。

该装置起到应急作用，在主电机出现故障时可活动钻具。

4、游车位置控制系统具备防“上碰下砸”功能，通过绞车滚筒轴编码器信号，与预先设定的游车位置对比，在游车到达上碰下砸位置时，可以按照程序自动实现报警—减速—制动的软停控制。

5、实施HSE及人性化设计：

*电传动控制系统、主电机、独立送钻系统以及绞车减速箱润滑系统等出现故障时，均能实现自动控制主刹车刹车。

司钻台配紧急开闭电控和柴油机开关。

*泥浆回收系统：

钻台下设计泥浆导流槽和回收伞，防止泥浆及油、水等污染物落地。

*高于人体高度的设备均加装安全链防坠落等措施。

*高空操作位置均设置有安全操作平台。

*保证井架和台面设备（转盘独立驱动装置）、设施、偏房等，全部低位安装。

*配备供井架起升用的缓冲液缸。

3.1钻机井场布置

3.1.1钻机井场布置原则

*井场布置符合有关标准的要求和规定。

*井场布置节约用地、方便施工、确保安全生产、有利环境保护。

3.1.2参照标准

*APIRP500《石油设施电气设备的区域分类推荐作法》

*SY5225《石油与天然气钻井、开发、储运、防火、防爆安全管理规定》

*SY/T5958《井场布置原则和技术要求》

*SY5466《钻前工程技术条件》

*SY/T5957《井场电气安装技术要求》

3.2钻机井场布局

3.2.1钻机布置分五个区域:

钻台区；泵房区；动力/电控区；固控区；油罐区。

3.2.2钻台区:

有天车、游车、大钩、水龙头、转盘、绞车、井架、底座（含紧急滑道、梯子等）、钻杆滑道及排管架、司钻控制房、左司钻偏房、井口机械化工具、1.5t液压提升机、风动绞车。

*钻台左侧配1个司钻偏房。

*钻台上配3台50KN风动绞车（含猫道1台）,采用钻杆扣固定。

*钻台上布置的井口机械化工具配置为:

（1）YM16液压猫头2台，拉力为160kN。

（2）50KN旋转式液压猫头1台。

（3）盘刹液压站、组合液压站各1台（放在左偏房前端头）。

（4）ZQ100液气大钳（摆放在司钻对侧）；液气大钳液压站（摆放在司钻对侧飘台上）。

3.2.3泵房区:

布置有2台1600泵组，钻井液管汇等（预留第三台泵位置及接口）。

3.2.4动力区：

平行布置3栋主柴油发电机组房和1栋辅助发电机/气源房（安装气源系统和辅助发电机组），可形成一个整体机房；2栋VFD/MCC房与机组房垂直靠齐摆放。

3.2.5泥浆循环及水罐区：

包括泥浆循环罐、泥浆净化设备及水罐等。

3.2.6油罐区：

布置45m3高架柴油罐和储油罐各1具。

各区域之间油、气、水、电等连接管线全部铺设在管线槽内，各种油、水、气管线连接均采用锤击由壬，上钻台管线槽为折叠式。

钻台内管线排布整齐，便于维修更换。

设有专门通讯电缆槽防止干扰。

各种油、水、气管线用不同颜色标识。

4　主要部件技术性能及结构特点

4.1TC315天车

*基本参数

最大钩载（6×7轮系）　3150kN

主滑轮数　7个

主滑轮直径Φ1270mm

适用钢丝绳直径Φ35mm

*结构型式及特点

—穿绳方式为顺穿。

—天车的轴承与滑轮可与配套的游车互换。

—滑轮顶部设有护罩；设有档棍可防止钢丝绳跳槽或从绳槽脱落。

—滑轮绳槽经中频淬火，提高表面硬度，并经磁粉探伤合格。

—所有轴承均有装在轴端的润滑脂杯进行单独润滑。

—配起重量为3t的桁架式起重架。

—配4个起重量为10t的辅助滑轮。

—天车架留有安装顶驱的连接梁、耳板及安装环位置（顶驱型号待定），并设有护罩、栏杆、安全灯杆、避雷针插座、旗杆插座等。

—天车架设缓冲梁,并加铁板防护。

天车符合APISpec8A/4F规范，并打API标记。

4.2YC315游车

*基本参数

最大钩载3150kN

主滑轮数6

主滑轮直径Φ1270mm

适用钢丝绳直径Φ35mm

*结构型式特点

游车下提梁采用大弧度,以满足安装顶驱要求;侧板有足够的强度。

滑轮绳槽经中频淬火，提高表面硬度，并经磁粉探伤合格。

所有轴承均有装在轴端的润滑脂杯进行单独润滑。

游车符合APISpec8A规范，并打API标记。

4.3DG315大钩

*基本参数

最大钩载3150kN

主钩口开口尺寸220mm

副钩口尺寸　　　　　　　　　　　　　　120mm

弹簧工作行程200mm

结构型式特点：

配有缓冲装置，钩口处装有安全装置。

筒体内装有内外两个弹簧，能使立根松扣后向上弹起，筒体上部装有安全定位装置，提升空吊卡时，钩身不能任意转动，避免吊卡转位。

设有大钩转动锁紧装置，可在八个均衡的任一位置锁住钩身。

大钩符合APISpec8A规范，并打API标记。

4.4SL450-5两用水龙头

*基本参数

最大静负荷4500kN

最高转速300r/min

最高工作压力35MPa

中心管内径Φ75mm

接头下端螺纹65/8″REG左旋

鹅颈管中心线与垂线夹角15°

*结构型式及特点：

冲管和盘根装置均为盒式结构，可迅速更换，无须拆下支架及鹅颈管。

带双向风动旋扣器。

水龙头符合APISpec8A规范，并打API标记。

4.5ZP375转盘及转盘驱动装置

*基本参数

最大静载荷5850kN

通孔直径952.5mm

最大工作扭矩32362N.m

最高转速300r/min

齿轮传动比3.56

*结构特点

方瓦为铸钢件，尺寸符合API规范，且为剖分式结构，可放入API标准的方钻杆补芯或滚子补芯，长短卡瓦均可使用。

转盘为飞溅润滑，润滑充分，密封可靠。

转盘固定采用耳板销子连接。

转盘符合APISpec7K规范，并打API标记。

*转盘驱动装置

*基本参数

额定输入功率600Kw

转盘转速范围0～2410r/min无级调速

转盘采用独立驱动方式，一台600kW交流变频电机（带编码器安装接口），通过万向轴、两挡减速箱驱动转盘，并与钻台面平齐。

整个装置为一个运输单元，方便安装和搬家运输。

带转盘惯刹，设置电磁阀防止转盘倒转和过扭矩保护。

*转盘补芯（符合APISpec7K规范）

20″（用于下20″套管）

113/4″-133/8″（用于下133/8″套管）

95/8″-103/4″（用于下95/8″套管）

23/8″-85/8″（用于下7″套管）

23/8″-85/8″（用于正常钻井）

钻头盒

主补芯提环装置

补芯提环装置

31/2″滚子补芯（四销驱动）

51/4″滚子补芯（四销驱动）

4.6井架

*基本参数

最大钩载3150kN

型式/有效高度（钻台面至天车梁底面）K型/45m

二层台安装高度24.5m25.5m26.5m

二层台立根容量（127mm钻杆,28m立根）5000m

另加10"钻铤4柱,8"钻铤6柱

底部跨距（正面）9m

顶部跨距2.2m*2.2m

抗风能力

停钻工况（无钩载,二层台满立根）36m/s

保全设备工况（无钩载,二层台无立根）47.8m/s

起放井架8.3m/s

*结构型式及附件

井架为前开口型,分五段，各段间单双耳板连接,背扇通过斜拉杆及横梁连接。

井架通过人字架靠绞车动力整体起放。

井架支脚在底座基座上。

井架立起后,井口找正通过井架支脚处的垫片进行，设有装千斤顶的位置。

井架左右两侧均设通往天车和二层台折叠式笼梯,配2套助力机构及2套防坠落装置。

二层台距台面1m处安装1台5KN气动绞车及气路管线、拉拽装置,在二层台三面设挡风墙,配二层台逃生装置（进口），并在挡风墙上开逃生活门。

二层台栏杆高1.2m，台体设有靠放钻铤的管卡，钻杆挡杆设有安全链，配1只带云台摄像头。

立管台、油管台、燃烧管线卡、可升降式液压套管扶正台、死绳稳定器、排绳器及两付25kN的悬吊扒杆（旋转270°）；大钳平衡重、滑轮及支座，所有吊装单元设吊装挂耳或护绳套，在鹅颈管处设折叠式平台，用于方便拆卸油壬；配供井架起放用的缓冲装置。

死绳固定器安装在井架右大腿内侧,距钻台面高度适合进行倒大绳操作。

井架尺寸满足安装顶驱要求。

井架满足配备照明线路、气路、电视监控线路等设备安装要求。

所有固定螺栓及灯具考虑满足防松防坠落要求。

设计时统一布置在井架立柱上，各种管线（气路、立管、电路）布置整齐美观，拆装运输方便。

井架主体采用包装架运输。

井架所有焊接部位的焊缝规范、无夹砂、裂纹。

井架立起后,绳头挂在井架二层台内侧附近背横梁的专用挂绳器上。

井架符合APISpec4F规范，并打API标记。

4.7底座

*基本参数

钻台面高度9m

钻台面积≥132m2

转盘梁底面高度7.6m

转盘梁最大静载荷3150kN

立根盒额定载荷1600kN

立根盒容量（114mm钻杆,28m立根）5000m及10"钻铤4柱,8"钻铤6柱

*结构特点及附件

底座为一次起升旋升式结构，钻台高9m，净空高7.6m，井架、绞车和所有钻台上设备（含偏房）均可低位安装，整体起升。

配2组供井架起升用的缓冲油缸。

钻台左侧配一栋钻台偏房，钻台右侧配与钻台偏房尺寸对称的飘台，飘台支架与左侧相同。

飘台承载能力为200KN。

配坡道，坡道采用瓦楞板结构，设有钻杆休息台，配猫道，直梯三处（前左一个，后左一个，到固控罐面一个）、梯子宽度不小于800mm，其中前台梯子与坡道分开。

钻台后部梯子下部带轮。

梯子踏板用锯齿扁钢，护栏用方钢管，配低位安装直梯。

配紧急滑道，与地面夹角50°，缓冲减速端滑道距地面高300mm，布置在钻台左侧，司钻偏房前部。

立根盒垫木防腐处理，排列整齐。

钻台下方设吊装井口设备的导轨。

配50t液压防喷器移动装置1套。

钻台栏杆：

钻台前侧为80*80*6方钢管，其余为50*50*4方钢管，插入式固定。

栏杆可拆卸，并作永久性标识。

栏杆净高1.2m，挡脚板高150mm，与台面无间隙，除梯子、坡道、逃生滑道处外，其余封齐。

护链、栏杆与栏杆之间超过0.3m间隙部位均设护链。

转盘及立根盒下设泥浆回收装置，立根盒周围配易清洗的导流槽，并可用泥浆回收装置收集排泄冲洗钻台面的污水，污水排放口设在泥浆回流管上便于操作处。

坡道大门设两个钻杆防护立柱,高度1.8m。

用钻杆扣连接，设三条防护链。

底座钻台面平齐（包括转盘、立根盒），钻台面铺板厚度不小于8mm。

铺台之间间隙均匀，小于10mm。

提高抗冲击强度。

所有进入钻台的电缆和气管线应暗设线缆槽，液压胶管穿钢丝圈保护。

底座台面下配一个4m3储气罐。

在底座基座的井口位置设有精确的基准标记。

左右吊钳尾绳固定桩2个，液压大钳钳尾桩1个，高低可调。

其升大绳和附件。

3台50KN气动绞车（含猫道1台），1台30KN旋转猫头绞车。

底座符合APISpec4F规范，并打API标记。

4.8　液压套管扶正台

由组合液压站提供动力。

4.9　死绳固定器

型号：

JZG34A

最大死绳载荷：

340KN

含指重表、压力传感器

安装位置：

司钻对侧，井架腿部

传感器：

张力式钢丝绳尺寸：

Φ35mm

4.10司钻偏房

*钻台左侧各配1个司钻偏房。

底座高280mm，外壁3mm瓦楞板。

一间为升降机走道；一间作为钻工休息房，配有更衣柜两个，配记录桌、椅子各一个、工具架、长凳（带靠背,凳下做成工具箱）一个、可安放挂图的橱窗，留有仪表及交流插接柜位置，留有井场电路电缆线进出口，朝向井口一侧设有一个推拉门，用于摆放井控房司钻操作台和节流控制台，控制面板外露，房底开孔，设防爆荧光灯，配一台2P防爆单制分体式空调，2个2KW防爆电热暖风机；一间摆放组合液压站和盘刹液压站，考虑液压站散热，面向钻台一侧设推拉门，外侧设防爆排风扇和窗户一个。

长1.5m，该间地面为8mm花纹板，底梁加强，该间两面为墙，两面为可拆下的活动门，（西安金程BYL40W×2灯具，南京单脚防震灯管）。

电气插接件为宝鸡友泰防爆产品。

房顶设有排雨槽、探照灯座（进线口在房体侧面）等。

外墙设计钻机型号标记；

。

。

。

。

房内设有两扇窗户,房体用瓦楞板制造，内侧房体铺隔热层和装饰层，房内地板铺8mm花纹钢板，配

另，

最终施工图需双方审定。

4.11JC50DB绞车

*基本参数

最大输入功率1100kW（1500Hp）

最大快绳拉力350kN

提升档位1+1R无级调速

刹车盘直径Φ1520mm

主滚筒尺寸（直径×长度）开槽Φ770×1310mm

适用钢丝绳直径Φ35mm

刹车形式　　　　　　　　单边液压盘式刹车+电机能耗制动

变频电机　　两台600KW电机

*绞车传动流程

绞车由两台600KW0-2200r/min的宽频交流变频电机分别经一台二级齿轮减速箱减速后，驱动单滚筒。

在齿轮减速箱输出端的另一侧由一台37/45kW交流变频电机驱动一台送钻立式减速箱，经推盘式离合器及齿轮减速后带动单滚筒。

正常情况下该装置作为自动送钻用；一旦主电机出现异常，该装置用为应急活动钻具并可提起最大钻柱重量。

*结构形式及特点

绞车为单滚筒轴型式，滚筒开槽。

齿轮减速箱采用大模数硬面齿轮，齿轮及轴承采用强制润滑。

设置润滑系统油压高低检测开关（24V触点），一旦润滑系统油压出现异常，由钻机电气控制系统首先发出报警信号，可自动报警－主刹车制动。

保证减速箱安全运行。

独立自动送钻装置

由37/45kW交流变频电机通过立式减速机、离合器等驱动绞车滚筒轴实现送钻。

自动送钻系统功