杜永军， 郭晓燕， 程晓丽， 张虎山， 刘远波， 王潇潇

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721001；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡 721001）

0 引言

我国幅员辽阔，地貌特征丰富，大部分油田处于山地、丘陵、黄土塬、沙漠、戈壁等偏远地域，铁路及公路不发达，运输条件有限，要求钻机具有搬家运输方便、安装占地面积小的特点；另外，现有钻机多采用柴油发电机组供电，近几年随着电网的不断发展，在电网条件较好的区域，采用网电作为主动力的钻机得到了较好的应用。柴油发电机组供电存在柴油耗量大，维护工作量大，故障率高[1]，同时也存在噪声、废气排放等问题；网电供电受地理位置受限大，要求钻机实现多种供电方式的切换，既可保证在电网不具备条件时，供电电源可以快速转至柴油发电机组供电，又可减少柴油机发电低效率能量转化，达到节能、减排和降噪的目的。

1 技术分析

1.1 总体方案及工作原理

ZJ20DB钻机采用AC-DC-AC驱动方式，由2台800 kW的柴油发电机组和（或者）工业电网作为主动力，发出400V、50 Hz的三相交流电，经整流、逆变后转化为频率可调的交流电，分别驱动绞车、转盘和钻井泵的交流变频电动机，实现无级调速。传动系统工作原理如图1所示。

图1 传动系统工作原理图

绞车由一台功率为600 kW的交流变频电动机通过一根联轴器与一台一档两级齿轮减速箱减速后，通过联轴器驱动单滚筒。滚筒筒体带有绳槽。主刹车采用液压盘式刹车，二把常开钳，二把常闭钳，辅助刹车采用电动机能耗制动，如图1（a）所示。

转盘驱动装置采用电动机直驱的方式，主要由一台功率为400 kW的交流变频电动机经气胎离合器、万向轴、连接法兰将动力传递至转盘，如图1（b）所示。

钻井泵由1台功率为600kW交流变频电动机驱动，动力经过电动机轴端小皮带轮通过窄V皮带将动力传到泥浆泵小齿轮轴的大皮带轮，从而驱动钻井泵运转，如图1（c）所示。

1.2 总体结构

图2 钻机主视及侧视图

ZJ20DB钻机采用模块化设计，底座采用箱叠式结构，井架采用直立起升套装结构，采用分段升举的方式起升。绞车、钻井泵、固控系统及灌注泵均采用模块化设计，安装拆卸快速方便。井架及底座结构件最大运输尺寸不超过12000 mm×2200 mm×3000 mm(长×宽×高)，满足山地运输要求。钻机主机结构如图2所示。

1.3 主要技术参数

名义钻深范围（φ114 mm钻杆）：1200～2000 m；最大钩载：1350 kN；绞车额定功率：600 kW；大钩提升速度：0～1.3 m/s；绞车档数：1＋1R 无级变速；提升系统绳系：4×5(顺穿)；钢丝绳公称直径：φ29 mm；转盘型号及通孔直径：ZP205，520.7 mm(201/2 in)；转盘档数：1＋1R无级变速；井架型式及有效高度：Z型（套装垂直（直立）起升），33 m；底座型式及钻台面高度：XD型（箱叠），4.5 m；动力传动方式：AC-DC-AC,一对一控制；电动机台数及功率：1×400 kW，3×600 kW，1×22 kW。

2 关键技术及创新点

2.1 400V交流母线

常规钻机一般采用输出电压为600V/50 Hz的柴油发电机组[2-3]，ZJ20DB1钻机作业区域工业电网电制为400V/50 Hz，采用输出电制为400V/50 Hz的柴油发电机组[4]，与工业电网电压及频率一致，网电和发电机组通过网电进线柜和发电机进线柜直接将400V/50 Hz交流电输出到400 V交流母线上，经整流输出至直流母线，再由逆变器将直流母线上直流电转换成频率可调的0～400 V交流电，驱动交流变频电动机。同时，辅助供电直接由400 V交流母线提供，较常规钻机的电驱动方案减少了网电输入端及MCC供电端的2台大容量变压器，提高了系统效率，降低了设备投入成本,电传动控制系统单线图如图3所示。

图3 电传动控制系统单线图

2.2 可断开交流母线

电控系统400V交流母线分两部分，其中一部分由柴油发电机组供电，另一部分由工业电网端供电，这两部分母线采用一台大容量断路器CB3（电源中间断路器）连接，可以根据现场环境和用户需求，配合发电机组进线柜断路器CB1和网电进线柜断路器CB2，可实现三种供电方式的自由切换：1）全部采用柴油发电机组供电；2）全部采用工业电网供电；3）发电机组、工业电网同时供电。

发电机组进线柜、网电进线柜及电源中间断路器设计有安全互锁装置。全部采用柴油发电机组供电时，断路器CB2断开，CB1、CB3闭合，适用于没有网电供应的场合，但柴油机发电属于低效率能量转化，并存在废气和噪声污染；全部采用网电供电时，断路器CB1断开，CB2、CB3闭合，适用于具有网电供应的现场环境，既可节约燃油及维修成本，又降低钻井区域发动机噪声，保护环境[5-6]；发电机组、网电同时供电时断路器CB3断开，CB1、CB2闭合，适用于电网容量不足，可最大限度地应用电网，同时减少柴油机发电低效率能量转化，节能环保。

2.3 自升式（直立起升）套装井架+箱叠式底座

垂直（直立）起升套装井架一般应用在海洋平台上（是目前海洋钻井工程中应用较多的新型井架）[7-8]，因其采用液压绞车垂直起升，与常用的K型井架相比，安装占用面积小，减少了钻机占地面积，起升平稳；井架各节为整体结构，连接销数量少，从而减轻了井架安装作业强度，节省了拆卸和安装时间[9]。根据用户的对井控装置的安装要求，采用4.5 m高箱叠式底座，不需起升。通过对各模块的尺寸控制，ZJ20DB钻机安装运输简便，可以很好地满足贵州地区山地环境工况要求[10]。

3 现场试验

截止2017年2月10日，宝鸡石油机械有限责任公司已完成了场内井架起升、下放试验、井架载荷（1350 kN）及底座载荷（1350 kN）试验及盘式刹车控制试验、应急装置试验和防碰功能试验等16项系统调试试验，各项指标均达到试验要求；目前该钻机在贵州现场工作性能良好，获得用户的肯定，也验证了上述设计方案的合理性和先进性。

4 结论

通过模块化的设计，克服了以往产品的诸多缺点，极大地提高了各项性能：1）钻机柴油发电机组、变频系统及MCC系统电制均采为400V/50 Hz，可满足网电及柴油发电机组灵活供电要求。2）套装井架，液压绞车直立起升，安装占地面积小，满足山地安装场地紧张的要求。3）箱叠式底座，安装方便，不需起升，同时满足BOP安装要求。4）钻机采用宽频、大功率交流变频电动机驱动,完全实现了绞车、转盘和钻井泵的全程无级调速控制。5）下一步还可以在直流母线上设置母联开关，进一步提升驱动性能。

[1] 刘慧芳,万克栋,邢世玉,等.32型钻机采用系统供电的技术经济分析[J].石油钻探技术,2004,32(5):34-35.

[2] 杨黎鹏.SK1#ZJ70D电动钻机电网供电仿真分析[J].石油工程建设,2009,35(3):6-9.

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[4] 谭刚强,王豫,沈凡儿,等.钻机油改电技术与钻井工艺适用性研究[J].石油矿场机械,2011,40(6):29-33.

[5] 卢国建,陈红卫,曹志魁.ZJ70LDB钻机采用工业电网供电可行性技术分析[J].科技展望,2015(13):98.

[6] 杨杰.电驱钻机网电供电系统设计[J].中国高新技术企业,2013(31):6-7.

[7] 陈中领,华北庄.ZJ4O模块钻机直立套装自升式井架的制造工艺[J].石油机械,2005,33(5):40-41.

[8] 葛运春,刘孔忠,魏柳兴,等.9000m自升式海洋井架的研制[J].石油机械,2014,42(11):151-154.

[9] 徐军,吴文秀,池胜高,等.新型直立套装自升式井架的研制[J].石油机械,2006,34(9):65-69.

[10]孙守仁,王世军,景方刚.低位安装套装型井架:CN201874475U[P].2011-06-22.