【文章內(nèi)容簡介】 長，工作安全可靠等特點。較 好的簡化了絞車結構。并具有適應性強、經(jīng)濟性好 、結構新穎的特點。 石油鉆機國內(nèi)外的發(fā)展狀況 石油鉆機國內(nèi)的發(fā)展狀況 縱觀我國石油鉆機的歷史，其發(fā)展主要由 4 個因素所決定：一是鉆機的有效 使用年限，它決定其更新或改造周期。二是鉆探深度 (地質(zhì)構造 )，它決定鉆機的 市場方向是淺井、中深井還是深井。三是從鉆機的效率和效益出發(fā)，決定鉆機的 驅(qū)動形式是機械驅(qū)動或是電驅(qū)動，結構型式是橇裝還是車裝。目前國內(nèi)陸地石油 鉆井業(yè)中，淺井鉆機、中深井和深井鉆機兼而有之，以中深井較多；在驅(qū)動型式 上以機械驅(qū)動為主；在結構方式上以橇裝為主。四是市場的有效 需求，它決定鉆 機的發(fā)展規(guī)模。自 2o 世紀 9o 年代以來，由于鉆機制造技術、部件質(zhì)量和研發(fā)能力的提高，研發(fā)速度加快，研制成功 6oL 型、 — 6oD 型和 — 60DS 型機械驅(qū)動鉆機 和電驅(qū)動鉆機，并朝系列化、標準化、多樣化方向發(fā)展，鉆機的性能指標已達到 GB180686 的規(guī)定。國產(chǎn)鉆機已形成系列，鉆深有 1 500、 2 000、 3 200、 4 500 和 6 000 m；驅(qū)動方式除常規(guī)的柴油機 膠帶驅(qū)動和柴油機 液力變矩器驅(qū)動外， 還有 ACSCRDC 驅(qū)動。尤其是 4 500 m 以淺鉆機在提高移運性上成績斐然，橇裝鉆機模 塊化程度大大提高，其中 3 000 m 以淺鉆機采用自走式運載車、伸縮式井架，大大降低了移運成本，且均擁有自主知識產(chǎn)權。目前，我國石油鉆機的品種和質(zhì)量基本滿足了國內(nèi)不同地區(qū)、不同井深的需要。已有一批國產(chǎn)石油鉆機在國外承擔鉆井作業(yè)服務，有一些在國內(nèi)區(qū)塊承擔反承包鉆井，并受到好評。從國內(nèi)鉆機生產(chǎn)能力上看，寶雞石油機械廠、蘭州石油化工機器總廠、四川宏華公司等主要生產(chǎn)中深井鉆機；江漢四機廠主要生產(chǎn)、 3 000 m 以淺車裝淺井鉆機；南陽石油機械廠主要生產(chǎn)車裝和橇裝模塊式中淺井鉆機，生產(chǎn)的替代大慶 130 型的模塊化鉆機，已 經(jīng)過多井次的工業(yè)化試驗。該廠 3 000 m 車裝鉆機已生產(chǎn) 3O 多臺，目前有 20余臺車裝及橇裝鉆機在國外服務，其中由長城鉆井公司牽頭組織、南陽石油機械廠生產(chǎn)的 l20K 鉆機自 1997 年就開始在加拿大進行鉆井作業(yè)，使用情況良好。此外，北京石油機械研究所與大港新世紀機械制造有限公司共同完成了 D(}_一 30Y 頂驅(qū)工業(yè)性試驗，北石所研制的為 ZJTOD 配套的頂驅(qū)已在克拉瑪依和塔里木完成 2口井的工業(yè)試驗。南陽石油機械廠引進意大利輕便頂驅(qū)技術與 4 3 000 m 車裝鉆機配套后到印尼服務，與石油大學 (北京 )合作的盤式剎車技術已應用于 3 O00 m 鉆機，并投放到勝利油田及墨西哥市場。 石油鉆機國外的發(fā)展狀況 為了適應淺海、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。其中美國的鉆機技術和銷售業(yè)績在世界上穩(wěn)居首位，所以與國際技術接 軌，實際上是與以美國為代表的鉆機技術及 API 規(guī)范接軌。就我國目前普遍使用 的機械驅(qū)動鉆機而言，美國在 20 世紀 60年代已經(jīng)成熟，到 70 年代得到迅速發(fā)展。近年來，國外鉆機在傳動方式和結構形式方面發(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， 如適應各種環(huán)境的沙漠鉆機、海洋鉆機、淺?；蚝┿@機、極地鉆機、城市鉆機、 地震區(qū)鉆機、全地彩鉆機、直升機吊運鉆機和陸地鉆機等 ? ；適應各種鉆井工藝的叢式井鉆機、斜井鉆機、小井眼右機、特深井鉆機、自走式鉆機、自動化鉆 機、柔桿鉆機、模塊化鉆機等引。盡管鉆機的類型多種多樣，但新型鉆機的發(fā) 展有一個共性，即在重視鉆機 作業(yè)性能的基礎上，逐步重視鉆機的移運性能。這 是因為對鉆井承包商而言，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，包括運載成本和停工成本，而運載成本和停工成本均與鉆機本 身有直接關系。 2．規(guī)模趨于兩極化 石油鉆機在規(guī)模上有兩極發(fā)展的趨勢，即深井鉆機大型化和輕便鉆機小型 化。 (1)深井鉆機趨向大型化 鉆深能力已達 l5000 m，最大鉤載達 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驅(qū)動，采用強制水冷盤式剎車，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)、羅馬尼亞的鉆機系列中，絞車輸人功率最大 l 838 kW。特深井鉆進都采用 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，井架最高為 63 m?？紤]安裝防噴裝置的需要，井架底座最高達 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，還推出快拆法蘭結構防噴器，拆換膠心方便，省去現(xiàn)場裝卸螺栓的繁重勞動。 (2)輕便石油鉆機趨向小型化 為了適應淺海、海灘、沙漠、丘陵地帶油氣藏的勘探，國外公司在 20 世紀6o 年代開始研制模塊式鉆機。美國在 1973 年設計了 TBA1000 型系列鉆機，經(jīng)濟鉆深為 l 8006 000 m，結構緊湊、質(zhì)量輕，模塊化設計，每個模塊質(zhì)量不超過18 t，既可用直升機運輸，也可用雪橇、履帶車、船舶等運輸。輕型鉆機主要以車裝鉆機為主，美國是世界上生產(chǎn)車裝鉆機較多的國家，使用也很廣泛， 3 500 m 5 以淺的井幾乎都使用車裝鉆機。其傳動特點是設備布置成組集中，動力機組、傳動裝置、絞車和井架等均在同一自走車上，機泵組安裝在可整拖的大底座上，采用液壓機構起放井架。最小的微型鉆機采用小井眼鉆井技術，鉆深可達 l 500 m，體積小，質(zhì)量輕，最輕的只有 14 t，節(jié)省鉆井費用 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)濟效益最好的一種石油鉆機。 3．控制趨于自動化 頂驅(qū)、盤式剎車技術的逐步成熟，以及電動控制技術、液壓驅(qū)動技術和可靠 性的逐步提高，為實現(xiàn)鉆機控制的自動化提供了可能，再加上海洋及深井等復雜 工況下，鉆井工藝及成本對鉆井裝備的要求使得鉆機控制自動化成為鉆機發(fā)展的 一個重要趨勢。頂部驅(qū)動裝置克服了轉盤鉆井方式的缺陷，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 8O 年代后期發(fā)展起來的一項新技術，以其制動力矩容量大、穩(wěn)定、安全、可靠等特點，可實現(xiàn)遙控操作，易實現(xiàn)自動送鉆，易維護，長壽命，易系列化設計和專業(yè)化生產(chǎn)。電驅(qū)動用于鉆機最早開始于 20 世紀 5O 年代中期，隨后逐步完善、成熟。與機械驅(qū)動相比，電驅(qū)動具有操作安全、維修保養(yǎng)方便、易于實現(xiàn)自動控制等特點，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械驅(qū)動所無法實現(xiàn)的功能，如順序操作和聯(lián)鎖功能等。液壓驅(qū)動具有轉換容易、體積小 、質(zhì)量輕等特點。全液壓驅(qū)動的絞車、轉盤和鉆井泵由挪威 MH公司于 2o 世紀 90 年代推出，與此之前推出的全液壓頂驅(qū)、管排放系統(tǒng)、液壓機械手及天車型液壓升沉補償器，構成了海洋鉆機機械化、智能化操作系統(tǒng)。 4． 設計趨于人性化 新型鉆機充分體現(xiàn)以人為本的思想，最大限度滿足 HSE 要求：護欄、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 機設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，柴油機排放滿足環(huán)保要求。 本次畢業(yè)設計目的 絞車是鉆機的核心部件，是鉆機起升系統(tǒng)的主要設備，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，傳動簡單，結 構緊湊，調(diào)速范圍大，效率高，壽命長，工作安全可靠等特點。在對 ZJ50 型絞 車的整體結構及工作原理認真研究的基礎上，運用 Pro/E 對 ZJ50 型絞車系統(tǒng)的 所有組成元件進行三維建模；并對滾筒、滾筒軸、中間 軸、輸入軸等重要部件進行安全校核；最后運用 ANSYS 對中間軸裝配體進行有限元分析。 6 本次畢業(yè)設計的任務及要求 1．通過對 ZJ50 型絞車的工作原理、結構組成和傳動系統(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。 2．運用三維造型軟件 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、主剎車帶進行安全校核，根 據(jù)校核結果判斷各部件是否能滿足正常工作要求。 4．運用有 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行有限元的靜力學分析和模態(tài)分析，根據(jù)分析結果判 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 型絞車的主要技術標準及設計原則 絞車的使用工況及要求 絞車是鉆機起升系統(tǒng)的主要設備，也是鉆機的核心部件，它的主要任務是： 用來起、下鉆具；懸持靜止的鉆具；在鉆進過程中控制鉆壓、送進鉆具；利用貓 頭機構上、卸鉆具絲扣；起吊重物及進行井場的其它輔助 工作；另外有的絞車往 往還充當轉盤的中間變速傳動機構。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，并應保證纏繩狀態(tài)良好，以延長鋼絲繩壽 命；絞車要適應起下鉆重量的變化，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構及強有力的輔助剎車，能準確地調(diào)節(jié)鉆壓， 均勻地送進鉆具。 （ 5）絞車應配備貓頭機構，以供緊、卸鉆具絲扣和向鉆臺起吊重物。 （ 6）絞車應具有剛勁的支架和底座。中型絞車整體運輸，其重量應在 10t 以內(nèi)， 重型和超重型絞車要使拆散運輸?shù)膯卧?15t 以內(nèi)。傳動部分要有嚴密的防護 罩，并應潤滑充分；在結構安排上應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。 主要技術標準及設計原則 型鉆機設計制造原則 （ 1）鉆機絞車設計制造原則依據(jù) “ 先進、可靠、安全、方便、經(jīng)濟 ” 的原則； （ 2）絞車采用模塊化設計，將驅(qū)動與絞車連成整體，增強了鉆機的移運性，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，所有運動部件采用強制潤滑； （ 4）驅(qū)動部位不可以帶泥漿泵； （ 5）設計 時，主要關鍵件（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）底座設計能適應 UNIT 公司的裝運方式。 設計執(zhí)行的主要技術標準 API Spec7 旋轉鉆井設備規(guī)范 API Spec7F 油田用鏈條和鏈輪規(guī)范 API Spec7K 旋轉鉆柱部件規(guī)范 API Spec8A 鉆井和采油提升設備規(guī)范 API Spec9A 鋼絲繩規(guī)范 API RP500 石油設備電氣裝置安裝場所分類 ZJ50 型絞車結構及工作原理 絞車結構組成 ZJ50 型動力絞車采用模塊化設計，將兩臺 合 成整體，并合理地將機、電、氣、液有機的結合在一起，控制絞車的各個動作， 使絞車結構更緊湊，操作更方便、安全，增強了鉆機的移運性，減少了設備安裝 的工作量。 ZJ50 型動力絞車的結構主要由絞車架、鏈條箱、滾筒軸、輸入軸、 中間軸、貓頭軸、輸出軸、伊頓剎車、漸開線花鍵換擋機構、防碰天車裝置、潤 滑系