JC-70DBZ型直驱绞车研制

2022-07-15张增年陈刚冉建王建川张洪罗巍

机械工程师 2022年7期

张增年，陈刚，冉建，王建川，张洪，罗巍

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司设备处，成都 610056；2.西安宝美电气工业有限公司，西安 710065）

0 引言

电动机直驱理论在20世纪中期得到快速发展，至20世纪90年代中期，世界上已有多家公司制造出电动机直驱设备，首先在高速机床中实现应用。近年来又在风电、轨道交通、电动汽车领域成功应用。

采用机电融合技术的电动机直驱设备在石油钻井装备领域已有应用，2011年，大庆油田与宝石机械合作研发首台1500 m直驱绞车及控制系统应用效果良好[1]，目前已生产20余台在油田使用，2018年在总结1500 m直驱绞车的基础上研制了3000 m直驱绞车。宝美公司研制的系列直驱泥浆泵电动机已有超过500台在油田使用。四川宏华研制的系列直驱顶驱已有超过200台在油田使用[2]。研制7000 m直驱绞车并开展油田工业性试验，验证7000 m直驱绞车满足钻井作业要求。

1 技术方案

1.1 绞车结构

JC-70DBZ型直驱绞车采用2台1000 kW交流变频电动机直接驱动滚筒轴[3]，直驱电动机通过联轴器与绞车滚筒轴连接。绞车刹车系统采用主电动机能耗制动和液压盘式刹车。液压盘刹刹车力矩控制模式为PLC 程序控制，由控制系统根据动力模型自动投入进行下放。液压盘式刹车采用全常闭钳结构，控制方式为电控液，盘刹液压站安装在绞车上，如图1所示。

图1 绞车结构示意图

1.2 主要技术参数

额定输入功率为2000 kW；最大快绳拉力为485 kN；滚筒尺寸为φ770mm×1400mm；钢丝绳直径为φ38 mm；外形尺寸为6500 mm×2700 mm×2655 mm；刹车型式为主电动机能耗制动+液压盘式刹车；质量为34 600 kg[4]。

2 技术特点

1）取消常规变频绞车齿轮减速箱，传动效率高。常规变频绞车由电动机通过2级齿轮减速后驱动绞车滚筒。直驱绞车取消中间环节，由低速大转矩电动机直接驱动绞车滚筒，传动效率提高了6.3%。

2）绞车维护工作量小。无机油润滑，盘刹管线搬家不需再次拆装，可避免出现漏油现象。

3）电动机运行转速低并对电动机进行降噪设计，直驱绞车噪声比常规绞车低。

4）液压盘刹式刹车集成在绞车上，刹车响应时间快，制动距离短。

5）直驱绞车尺寸缩小10%以上、质量轻20%以上。7000 m直驱绞车比常规绞车长度缩短1300 mm，宽度缩小500 mm，质量减轻12 t。

6）绞车集成控制系统集成配电、盘刹、气路、信号采集，直驱绞车对外连接电、液、气线路减少50%。

3 现场试验

2019年2月27日，首台JC-70DBZ直驱绞车开始在磨溪022-H30井应用并进行了现场试验，通过曲线采集、数据分析及比较，验证了绞车主要性能参数。

3.1 最大钩速测试试验

2019年4月15日，绞车空吊卡上提，电动机转速为400 r/min，最大钩速为1.81 m/s，测试曲线及数据如图2所示。

图2 测试曲线图

3.2 刹车响应时间测试

分别对常规绞车和直驱绞车的防碰制动（阀岛制动）、紧急制动、驻车制动的响应时间进行测试，测试曲线如图3～图5所示。

图3 常规绞车和直驱绞车防碰制动测试曲线图

图4 常规绞车和直驱绞车紧急制动测试曲线图

图5 常规绞车和直驱绞车驻车制动测试曲线图

经试验，直驱绞车防碰制动（阀岛制动）响应时间缩短1 s，紧急制动和驻车制动响应时间缩短0.1 s。数据采集及比较如表1所示。

表1 刹车制动时间响应数据采集比较表 s

3.3 绞车能耗的试验及优化

由于直驱绞车采用大功率大转矩绞车直驱变频电动机，在试验时，通过现场试验数据与常规变频绞车对比及分析，发现直驱绞车在高速或大功率工况下能耗与常规变频绞车相当，而在低速且低功率工况下能耗高于常规变频绞车。

针对此种情况，对直驱变频电动机进行能耗的研究及分析论证，并对控制程序进行进一步的优化和研究，实现了直驱绞车节能模式的应用及控制，解决了直驱绞车在低速低功率工况下能耗高于常规变频绞车的缺陷。现场分别对常规变频绞车和直驱绞车在同钩速、同钩载的工况下采用不同模式进行试验，利用ABB driver composer软件对电动机功率、电流、转矩等参数进行采集，采集曲线如图6～图8所示。

图6 常规变频绞车曲线图

图7 直驱绞车（常规模式）曲线图

图8 直驱绞车（节能模式）曲线图

图9 直驱绞车现场应用

经试验，直驱绞车采用节能模式，在高速或大功率工况下能耗与常规变频绞车相当，而在低速且低功率工况下能耗优于常规变频绞车。数据采集及比较如表2所示。

表2 绞车钩载25 t下电动机能耗数据对比表

首台JC-70DBZ直驱绞车于2019年7月23日完成一口井作业，井深6410 m，设备累计运行5800 h，截至目前，设备已完成3口井作业。另有7台JC-70DBZ直驱绞车分别在西部钻探、渤海钻探和长城钻探作业，均已完成多口井作业。作业过程中，均未出现设备故障，绞车各项性能指标均满足要求，设备运行安全可靠，符合设计要求。