【文章內(nèi)容簡介】 和塔里木完成 2 口井的工業(yè)試驗(yàn)。南陽石油機(jī)械廠引進(jìn)意大利輕便頂驅(qū)技術(shù)與 4 3 000 m 車裝鉆機(jī)配套后到印尼服務(wù)，與石油大學(xué) (北京 )合作的盤式剎車技術(shù)已應(yīng)用于 3 O00 m 鉆機(jī)，并投放到勝利油田及墨西哥市場。 石油鉆機(jī)國外的發(fā)展?fàn)顩r 為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā)，美國、 德國、法國、意大利、加拿大、墨西哥和羅馬尼亞等國先后開發(fā)了各種類型的石 油鉆機(jī)。其中美國的鉆機(jī)技術(shù)和銷售業(yè)績在世界上穩(wěn)居首位，所以與國際技術(shù)接 軌 ，實(shí)際上是與以美國為代表的鉆機(jī)技術(shù)及 API 規(guī)范接軌。就我國目前普遍使用 的機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)而言，美國在 20 世紀(jì) 60 年代已經(jīng)成熟，到 70年代得到迅速發(fā)展。近年來，國外鉆機(jī)在傳動方式和結(jié)構(gòu)形式方面發(fā)展很快，交流變頻電驅(qū)動已經(jīng)廣泛使用，頂驅(qū)發(fā)展也十分迅速。今后石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢是多樣化、兩極化、自動化和人性化。 1．類型趨于多樣化 近幾年來，根據(jù)井位環(huán)境差異和鉆井工藝需要，開發(fā)出不同類型的石油鉆機(jī)， 如適應(yīng)各種環(huán)境的沙漠鉆機(jī)、海洋鉆機(jī)、淺?；蚝┿@機(jī)、極地鉆機(jī)、城市鉆機(jī)、 地震區(qū)鉆機(jī)、全地彩鉆機(jī)、直升機(jī)吊運(yùn)鉆 機(jī)和陸地鉆機(jī)等 ? ；適應(yīng)各種鉆井工藝的叢式井鉆機(jī)、斜井鉆機(jī)、小井眼右機(jī)、特深井鉆機(jī)、自走式鉆機(jī)、自動化鉆 機(jī)、柔桿鉆機(jī)、模塊化鉆機(jī)等引。盡管鉆機(jī)的類型多種多樣，但新型鉆機(jī)的發(fā) 展有一個共性，即在重視鉆機(jī)作業(yè)性能的基礎(chǔ)上，逐步重視鉆機(jī)的移運(yùn)性能。這 是因?yàn)閷︺@井承包商而言，其鉆井成本主要包括兩方面：一是直接鉆井成本，二 是輔助鉆井成本，包括運(yùn)載成本和停工成本，而運(yùn)載成本和停工成本均與鉆機(jī)本 身有直接關(guān)系。 2．規(guī)模趨于兩極化 石油鉆機(jī)在規(guī)模上有兩極發(fā)展的趨勢，即深井鉆機(jī)大型化和輕便鉆機(jī)小型 化。 (1)深井鉆機(jī)趨向大型化 鉆深能力已達(dá) l5000 m，最大鉤載達(dá) 12 500 kN。為了提高起升工作效率，絞車功率趨向于提高。美國 Emseo 公司研制的號稱世界上第一臺輸人功率為 3 676 kW 的絞車已問世，該絞車由 4臺大扭矩的直流電動機(jī)驅(qū)動，采用強(qiáng)制水冷盤式剎車，起升鋼絲繩直徑 5Omln。鉆井泵單臺最大功率 l 618 kW ，最高壓力52． 7 MPa。原蘇聯(lián)、羅馬尼亞的鉆機(jī)系列中，絞車輸人功率最大 l 838 kW。特深井鉆進(jìn)都采用 4 個單根組成的立柱，故井架高度超過 50m。德國 KTB 超深井使用的 u． IB— lGH3OOOEG 鉆機(jī)，井架最高為 63 m?？紤]安裝防噴裝置的需要，井架底座最高達(dá) l2． 12 m。一般在深井中都用 339． 725 mill 70 MPa 的防噴器組。隨著鉆大井眼的需要，大尺寸高壓防噴器也有新的發(fā)展，德國 KTB 超深井中已使用 476． 25 mln 70MPa 防噴器組。目前美國可提供 476． 25 mill 105MPa防噴器。為了把環(huán)形防噴器工作壓力從 35MPa 提高到 70 MPa，美國 Shatter 公司推出了兩個串聯(lián)膠心的環(huán)形防噴器。另外，還推出快拆法蘭結(jié)構(gòu)防噴器，拆換膠心方便，省去現(xiàn)場裝卸螺栓的繁重勞動。 (2)輕便石油鉆機(jī)趨向小型化 為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠、丘陵地帶油氣藏的勘探，國外公司在 20 世紀(jì)6o年代開始研制模塊式鉆機(jī)。美國在 1973 年設(shè)計(jì)了 TBA1000 型系列鉆機(jī)，經(jīng)濟(jì)鉆深為 l 8006 000 m，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，模塊化設(shè)計(jì)，每個模塊質(zhì)量不超過18 t，既可用直升機(jī)運(yùn)輸，也可用雪橇、履帶車、船舶等運(yùn)輸。輕型鉆機(jī)主要以車裝鉆機(jī)為主，美國是世界上生產(chǎn)車裝鉆機(jī)較多的國家，使用也很廣泛， 3 500 m 5 以淺的井幾乎都使用車裝鉆機(jī)。其傳動特點(diǎn)是設(shè)備布置成組集中，動力機(jī)組、傳動裝置、絞車和井架等均 在同一自走車上，機(jī)泵組安裝在可整拖的大底座上，采用液壓機(jī)構(gòu)起放井架。最小的微型鉆機(jī)采用小井眼鉆井技術(shù)，鉆深可達(dá) l 500 m，體積小，質(zhì)量輕，最輕的只有 14 t，節(jié)省鉆井費(fèi)用 30％ 一 4o％ ，減少拆裝時間 6ook 一 70ok，節(jié)約鉆井液 88ok，減少井場面積 70ok，是經(jīng)濟(jì)效益最好的一種石油鉆機(jī)。 3．控制趨于自動化 頂驅(qū)、盤式剎車技術(shù)的逐步成熟，以及電動控制技術(shù)、液壓驅(qū)動技術(shù)和可靠 性的逐步提高，為實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)控制的自動化提供了可能，再加上海洋及深井等復(fù)雜 工況下，鉆井工藝及成本對鉆井裝備的要求使得鉆 機(jī)控制自動化成為鉆機(jī)發(fā)展的 一個重要趨勢。頂部驅(qū)動裝置克服了轉(zhuǎn)盤鉆井方式的缺陷，給鉆井作業(yè)帶來了諸 多好處，既可滿足復(fù)雜作業(yè)工況需求，提高作業(yè)效率，又使作業(yè)更安全。盤式剎 車替代原帶式剎車，作為 20 世紀(jì) 8O 年代后期發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，以其制動力矩容量大、穩(wěn)定、安全、可靠等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)遙控操作，易實(shí)現(xiàn)自動送鉆，易維護(hù)，長壽命，易系列化設(shè)計(jì)和專業(yè)化生產(chǎn)。電驅(qū)動用于鉆機(jī)最早開始于 20世紀(jì) 5O 年代中期，隨后逐步完善、成熟。與機(jī)械驅(qū)動相比，電驅(qū)動具有操作安全、維修保養(yǎng)方便、易于實(shí)現(xiàn)自動控制等特點(diǎn)，特別是全數(shù)字系統(tǒng)的 出現(xiàn)，使得電驅(qū)動系統(tǒng)控制性能更完善，可靠性更高，調(diào)整及更改功能更便捷，故障診斷及維修更方便。電驅(qū)動可以通過編程控制器獲得很多機(jī)械驅(qū)動所無法實(shí)現(xiàn)的功能，如順序操作和聯(lián)鎖功能等。液壓驅(qū)動具有轉(zhuǎn)換容易、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。全液壓驅(qū)動的絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵由挪威 MH 公司于 2o世紀(jì) 90 年代推出，與此之前推出的全液壓頂驅(qū)、管排放系統(tǒng)、液壓機(jī)械手及天車型液壓升沉補(bǔ)償器，構(gòu)成了海洋鉆機(jī)機(jī)械化、智能化操作系統(tǒng)。 4． 設(shè)計(jì)趨于人性化 新型鉆機(jī)充分體現(xiàn)以人為本的思想，最大限度滿足 HSE 要求：護(hù)欄、梯子要 滿足安全規(guī)定。上下井 架有助 (阻 )力器，二層臺有逃生器，鉆臺有逃生滑道。鉆 機(jī)設(shè)有天車防碰和緊急剎車裝置，避免游車大鉤碰撞天車，并能在任何情況下迅 速制動大鉤和絞車。選用無公害的摩擦盤 (片 )、剎車塊、油漆，保證員工健康。 剎車轂、輔助剎車的冷卻水循環(huán)使用，柴油機(jī)排放滿足環(huán)保要求。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)目的 絞車是鉆機(jī)的核心部件，是鉆機(jī)起升系統(tǒng)的主要設(shè)備，它在鉆井工作中起著 極其重要的作用。 ZJ50 型絞車具有鉆井性能好、啟動平穩(wěn)、絞車功率大、調(diào)速 性能好、功率利用率高、安全可靠、絞車操作省力，控制先進(jìn)，傳動簡單，結(jié) 構(gòu)緊 湊，調(diào)速范圍大，效率高，壽命長，工作安全可靠等特點(diǎn)。在對 ZJ50 型絞 車的整體結(jié)構(gòu)及工作原理認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用 Pro/E 對 ZJ50 型絞車系統(tǒng)的 所有組成元件進(jìn)行三維建模；并對滾筒、滾筒軸、中間軸、輸入軸等重要部件進(jìn)行安全校核；最后運(yùn)用 ANSYS 對中間軸裝配體進(jìn)行有限元分析。 6 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求 1．通過對 ZJ50 型絞車的工作原理、結(jié)構(gòu)組成和傳動系統(tǒng)的研究，闡述 ZJ50 型絞車具有傳動簡單，功率大且利用率高，調(diào)速性能好，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。 2．運(yùn)用三維造型軟件 Pro/E 完成 ZJ50 型絞車的傳動系統(tǒng)的三維建模。 3．對 ZJ50 型絞車傳統(tǒng)系統(tǒng)中的傳動軸、滾筒、主剎車帶進(jìn)行安全校核，根 據(jù)校核結(jié)果判斷各部件是否能滿足正常工作要求。 4．運(yùn)用有限元分析 ANSYS 軟件對 ZJ50 型絞車傳動系統(tǒng)的滾筒軸、滾筒、 7 輸 入軸、中間軸等主要部件進(jìn)行有限元的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果判 斷傳統(tǒng)系統(tǒng)中各主要部件是否滿足絞車的正常工作要求。 第二章 ZJ50 型絞車傳動系統(tǒng)介紹 ZJ50 型絞車的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則 絞車的使用工況及要 求 絞車是鉆機(jī)起升系統(tǒng)的主要設(shè)備，也是鉆機(jī)的核心部件，它的主要任務(wù)是： 用來起、下鉆具；懸持靜止的鉆具；在鉆進(jìn)過程中控制鉆壓、送進(jìn)鉆具；利用貓 頭機(jī)構(gòu)上、卸鉆具絲扣；起吊重物及進(jìn)行井場的其它輔助工作；另外有的絞車往 往還充當(dāng)轉(zhuǎn)盤的中間變速傳動機(jī)構(gòu)。根據(jù)上述工況對絞車提出了以下要求： （ 1）絞車要有足夠大的功率，在最低速轉(zhuǎn)速下鋼絲繩能產(chǎn)生足夠大的拉力，以 保證游動系統(tǒng)能起升最重的鉆具載荷；有一定的解卡能力，并能完成具有最大載 荷的下套管作業(yè)；短時最大載荷作用下要有足夠的強(qiáng)度、剛度；在絞車使用期限 內(nèi)， 滾筒、滾筒軸、軸承及傳動件要有足夠的壽命。 （ 2）絞車要有足夠的尺寸和容繩量，并應(yīng)保證纏繩狀態(tài)良好，以延長鋼絲繩壽 命；絞車要適應(yīng)起下鉆重量的變化，有足夠的起升檔數(shù)或能無級調(diào)速，用以提高 功率的利用率，節(jié)省起升時間。 （ 3）絞車要能適應(yīng)起重量的變化，有足夠的提升檔數(shù)，最好能無極調(diào)速，以便 提高功率利用率，節(jié)省起下鉆時間。 （ 4）絞車要有靈活而可靠的剎車機(jī)構(gòu)及強(qiáng)有力的輔助剎車，能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)鉆壓， 均勻地送進(jìn)鉆具。 （ 5）絞車應(yīng)配備貓頭機(jī)構(gòu)，以供緊、卸鉆具絲扣和向鉆臺起吊重物。 （ 6）絞車應(yīng)具有剛勁的支架和底座 。中型絞車整體運(yùn)輸，其重量應(yīng)在 10t 以內(nèi)， 重型和超重型絞車要使拆散運(yùn)輸?shù)膯卧?15t 以內(nèi)。傳動部分要有嚴(yán)密的防護(hù) 罩，并應(yīng)潤滑充分；在結(jié)構(gòu)安排上應(yīng)保證易損件拆修簡便。 （ 7） 絞車的控制手柄、剎把、指重表等相對集中于司鉆控制臺，以便于操作。 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則 型鉆機(jī)設(shè)計(jì)制造原則 （ 1）鉆機(jī)絞車設(shè)計(jì)制造原則依據(jù) “ 先進(jìn)、可靠、安全、方便、經(jīng)濟(jì) ” 的原則； （ 2）絞車采用模塊化設(shè)計(jì)，將驅(qū)動與絞車連成整體，增強(qiáng)了鉆機(jī)的移運(yùn)性，減 少安裝工程量； （ 3）絞車配套件：軸承選用中國制 造的西北軸承廠優(yōu)質(zhì)軸承，推盤離合器選用 8 中美合資 SJS 廠家產(chǎn)品，輔助剎車采用伊頓剎車。滾筒主剎車采用帶剎，滾筒采 用整體開槽滾筒，所有運(yùn)動部件采用強(qiáng)制潤滑； （ 4）驅(qū)動部位不可以帶泥漿泵； （ 5）設(shè)計(jì)時，主要關(guān)鍵件（如鏈輪、軸）等均采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，并且通過熱處 理獲得優(yōu)良性能； （ 6）底座設(shè)計(jì)能適應(yīng) UNIT 公司的裝運(yùn)方式。 設(shè)計(jì)執(zhí)行的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) API Spec7 旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備規(guī)范 API Spec7F 油田用鏈條和鏈輪規(guī)范 API Spec7K 旋 轉(zhuǎn)鉆柱部件規(guī)范 API Spec8A 鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范 API Spec9A 鋼絲繩規(guī)范 API RP500 石油設(shè)備電氣裝置安裝場所分類 ZJ50 型絞車結(jié)構(gòu)及工作原理 絞車結(jié)構(gòu)組成 ZJ50 型動力絞車采用模塊化設(shè)計(jì)，將兩臺 合 成整體，并合理地將機(jī)、電、氣、液有機(jī)的結(jié)合在一起，控制絞車的各個動作， 使絞車結(jié)構(gòu)更緊湊，操作更方便、安全，增強(qiáng)了鉆機(jī)的移運(yùn)性，減少了設(shè)備安裝 的工作量。 ZJ50 型動力絞車的 結(jié)構(gòu)主要由絞車架、鏈條箱、滾筒軸、輸入軸、 中間軸、貓頭軸、輸出軸、伊頓剎車、漸開線花鍵換擋機(jī)構(gòu)、防碰天車裝置、潤 滑系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)等幾大部分組成。絞車為密封墻板式五軸絞車。絞車內(nèi)部采用 氣路控制 PO 型推盤離合器和氣胎離合器，離合方便可靠，在滾筒軸分別獲得八 個正檔和兩個倒檔時的操作控制過程中，動力機(jī)無須停車。絞車主剎車采用帶式 剎車機(jī)構(gòu)（雙杠桿），輔助剎車為 236WCB2 伊頓剎車。滾筒軸上的高低速離合 器及輸出軸上的慣剎離合器均采用 PO 型推盤離合器。絞車傳動鏈條均采用強(qiáng)制 密封潤滑。各個護(hù)罩均為剛性 結(jié)構(gòu)焊接件。整個絞車安裝在一個用金屬材料焊接 而成的絞車底撬上，輸入軸、中間軸、滾筒軸和貓頭軸通過軸承座固定在絞車墻 9 板孔內(nèi)，滾筒軸一側(cè)裝有伊頓輔助剎車，滾筒軸另一側(cè)裝有氣控箱及帶剎的剎把， 便于集中操作，滾筒軸滾筒的下面，絞車底撬上裝有剎車機(jī)構(gòu)，通過剎帶與滾筒 剎車鼓組成剎車的主制動系統(tǒng)。在絞車外部裝有剛性結(jié)構(gòu)焊接件的各個護(hù)罩，以 保證操作安全，防止傳動機(jī)構(gòu)受外界環(huán)境的影響，并避免潤滑油外濺。 絞車工作原理 動力絞車的動力由兩臺 ，動力經(jīng)液力變矩器減速增矩，再 通 過雙 LT600/125 離合器傳到鏈條箱。在鏈條箱中兩臺動力機(jī)的動力可通過鏈輪（ Z=32）并車，并由鏈輪（ Z=31）將動力傳到輸入軸上。通過操作控制三套換檔機(jī)構(gòu)，輸入軸上的三只鏈輪（ Z=2 Z=3 Z=28）和一只齒輪（ Z=80），與中間軸上的三只鏈輪（ Z=3 Z=2 Z=46）和一只齒輪（ Z=96）實(shí)現(xiàn)組合，使中間軸可獲得四正一倒的轉(zhuǎn)速。中間軸的鏈輪（ Z=24）通過 31 3/4″ 鏈條帶動滾筒軸上高速的空套鏈輪（ Z=32）轉(zhuǎn)動；另一鏈輪（ Z=19）通過 31 3/4″ 鏈條將動力傳到貓頭軸，并由貓頭 軸上的鏈輪（ Z=24）通過 31 3/4″ 鏈條帶動滾筒軸低速端空套鏈輪（ Z=62）轉(zhuǎn)動。由滾筒軸上高、低速端的兩只離合器（ PO3PO324）的離合，可使?jié)L筒軸獲得八正兩倒的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動鉆井轉(zhuǎn)盤的動力由滾筒軸上高速端空套鏈輪（ Z=32）通過 21 3/4″ 鏈條，傳遞到轉(zhuǎn)盤驅(qū)動軸空套鏈輪（ Z=27）上，由轉(zhuǎn)盤驅(qū)動軸上離合器（ PO218）的離合，將動力通過鏈輪（ Z=20）、21 3/4” 鏈條帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤可獲得四正一倒的轉(zhuǎn)速，如圖 所示。絞車的輔助剎車采用先進(jìn)的美國伊頓公司 236WCB2 剎車，與 滾筒軸之間采用漸開線花鍵聯(lián)接，手動離合。 10 絞車傳動系統(tǒng)參數(shù) 絞 車基本參數(shù)如