高 搏，王浚璞，黃 勝，萬 夫，張 潔，呂 蘭

(1.川慶鉆探工程公司 安檢院，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程公司設(shè)備處，四川 成都 610051；3.四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 廣漢 618300)

ZJ20DBX斜井鉆機動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件研制

高 搏1，王浚璞2，黃 勝1，萬 夫1，張 潔1，呂 蘭3

(1.川慶鉆探工程公司 安檢院，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程公司設(shè)備處，四川 成都 610051；3.四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 廣漢 618300)

針對淺油層開發(fā)、淺油層老油田打加密井、叢式定向井作業(yè)的需要，研制了ZJ20DBX自動斜井鉆機。該鉆機由井架、底座、交流變頻直驅(qū)絞車、天車、動力水龍頭(游車、動力水龍頭、增壓機構(gòu))、自動化管子處理系統(tǒng)組成。該鉆機動力系統(tǒng)采用電機直接驅(qū)動進行起下鉆作業(yè)，不帶背鉗，利用自身大扭矩進行鉆具旋扣操作，自帶自動系統(tǒng)，能提供動力卸扣時反扭矩，無變速機構(gòu)，減少了潤滑系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)精簡，操作控制便捷；增力機構(gòu)能對全鉆井行程進行增力，用于提高鉆壓和下套管，使鉆具在鉆進過程中可控。該鉆機自動化程度高，能有效調(diào)高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，提高鉆井作業(yè)安全。

斜井鉆機；定向井 ；自動化；動力系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著鉆井新技術(shù)、新理論的不斷出現(xiàn)，井眼方向必須控制在允許范圍內(nèi)。根據(jù)油氣勘探開發(fā)的地質(zhì)地理條件和工程需要，分為直井和定向井2類，定向井又可分為一般定向井、水平井、叢式井等[1-3]。

斜井是指用斜井鉆機在井架、轉(zhuǎn)盤(或頂驅(qū))的中心線與鉛直線傾斜一個角度(0～45°)情況下，從地面就開始傾斜打出的一種井。他與常規(guī)定向井的區(qū)別在于從地面就開始傾斜。而定向井是從地面打垂直井，到一定深度后再造斜(造斜率為3(°)/25 m)，實際得到井底位移斜井鉆機比定向井大(如設(shè)計井深620 m，30 m處造斜，井底位移斜井是定向井的1.6倍)，而且這種鉆井方式對井斜角、方位角控制難度要比斜井難度大，所以在叢式定向淺油層開發(fā)方面斜井鉆機優(yōu)勢更為明顯。斜井又可分為斜直井和斜定向井[先打斜直井(如設(shè)計井深915 m，180 m處造斜)后再造斜(造斜率3(°)/30 m)]，就可得到井底水平位移(是直井造斜井底水平位移的4.2倍)更大的定向井[4-7，11]。

20世紀60年代至今，斜井鉆機是目前開發(fā)淺油層資源的最好鉆機，廣泛應用于美國(Belco，Ingersoll-Rand，Walkerneer，Cardwell)和加拿大(North East Drilling Ltd，F(xiàn)ailing，Carring，E.A Kutry Industries Ltd，Kremco)[8-10]。

1 ZJ20DBX斜井鉆機組成及特點

ZJ20DBX斜井鉆機可用于斜深2 000 m (以41/2”鉆桿計)以內(nèi)的45～90°(與水平夾角)斜直井開發(fā)，鉆井狗腿度為2°，額定提升負荷1 350 kN。如圖1所示。

1.1 鉆機組成

鉆機由2臺1 200 kW柴油發(fā)電機組作為主動力源，發(fā)出的600 V、50 Hz交流電經(jīng)變頻控制系統(tǒng)(VFD)分別驅(qū)動絞車、泥漿泵、頂驅(qū)的交流變頻電機。電機直驅(qū)絞車由1臺450 kW的交流變頻電機定子直接驅(qū)動絞車滾筒。泥漿泵由2臺600 kW交流變頻電機經(jīng)皮帶并車減速驅(qū)動。頂驅(qū)裝置由1臺315 kW的交流變頻電機提供動力，經(jīng)兩級斜齒輪減速后驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)。

井架為K型結(jié)構(gòu)，兩節(jié)整體對接，利用油缸整體起升，傾角調(diào)節(jié)范圍為45～90°。底座為固定式結(jié)構(gòu)。

鉆機配套管子處理系統(tǒng)包括翻轉(zhuǎn)機械手、舉升機械手、動力鉗和下套管裝置、液壓小絞車、液壓吊等機械化工具，使鉆具處理實現(xiàn)機械化。

鉆機采用撬裝模塊化設(shè)計，搬家移運及安裝方便，井架為整體式，與動力水龍頭(帶游車)、天車、動力鉗、液壓卡瓦為一運輸模塊；底座、絞車、防噴器等為一運輸模塊(其他運輸模塊根據(jù)配置情況及相關(guān)要求搭配)。

1.2 主要特點

ZJ20DBX斜井鉆機可用于淺油層開發(fā)、老油田打加密井，井底有效范圍較大，與常規(guī)斜直井相比，斜井可以提高油井的原油產(chǎn)量；能減少井場占地面積與井場建設(shè)費用以及鉆機的移運時間和費用，降低鉆井成本。除以上優(yōu)勢外，ZJ20DBX斜井鉆機還具備以下特點：

(1)輕便，移運性能好，橇裝短距離運輸或可采用拖車+獨立底盤長距離運輸，橇裝運輸適應雪地或叢式井鉆井井場附近短距離搬運；

(2)管子處理系統(tǒng)能自動化處理大部分管具，控制方式采用自動和手動控制結(jié)合，能有效提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，提高工作效率；

(3)整體移運有效縮短安裝和搬家時間，從而降低生產(chǎn)成本；

(4)手動自動控制結(jié)合能有效提高部件工作適應性和系統(tǒng)工作效率；

(5)可用于鉆垂直井、斜直井、斜定向井或斜叢式井，最大范圍滿足各種鉆井工藝要求；

(6)具有很大的機動性與靈活性，傾斜角為0～45°，每隔1.5°為1級，可分級調(diào)節(jié)，可滿足45～90°傾角鉆斜井要求；

(7)道路條件差的情況下，可拆卸為模塊化運輸，每個模塊不超過20 t。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

ZJ20DBX斜井鉆機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 ZJ20DBX斜井鉆機技術(shù)參數(shù)

2 動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件研制

動力系統(tǒng)包括絞車、天車、游吊系統(tǒng)(動力水龍頭、游車、增力機構(gòu))，協(xié)同完成鉆進、送鉆、鉆進、鉆進增壓、起鉆及下套管過程中鉆具起、下、鉆進等功能，動力水龍頭還具有鉆具旋扣功能。

2.1 135T絞車研制

絞車由1臺600 kW交流變頻電機經(jīng)二級齒輪減速箱減速后驅(qū)動滾筒，可實現(xiàn)一檔無級調(diào)速，主要包括交流變頻電機、絞車架、齒輪減速箱、滾筒軸總成、液壓盤剎、潤滑系統(tǒng)等部分。如圖2所示。

2.1.1 絞車滾筒

根據(jù)使用需要，在使用斜井鉆機時，當頂驅(qū)位于鉆臺時，絞車滾筒上纏繞至少1.3層，絞車使用的有效直徑為450+2×29=508 mm，與常用的2 000 m鉆機絞車滾筒直徑相當，因此，選擇絞車滾筒直徑大小為φ508 mm。

滾筒鋼絲繩按SY/T6724—2008選用φ29 mm，類型為6×19S-IWRC-IPS(按API Spec 9A-2011選取)?？炖K承受拉力為199.8 kN；鋼絲繩公稱破斷拉力為503 kN。

由于本斜井鉆機所用鉆桿為加長鉆桿(長度為13.7 m)，吊卡等預留高度為1.5 m，則游動系統(tǒng)從最低到最高移動的最大距離為15.2 m，又因為提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為4×5，繩數(shù)為8，則有效鋼絲繩的長度為121.6 m。

根據(jù)滾筒使用情況，當鋼絲繩在滾筒上最多纏繞3層時，不會造成亂繩，因此，計算得到每層28圈，則實際得到滾筒纏繩寬度為829.92 mm。

2.1.2 絞車電機

設(shè)計空鉤速度取值 1.5 m/s，則快繩速度為12 m/s，計算得到電機的最高轉(zhuǎn)速為390.7 r/min，設(shè)計最高轉(zhuǎn)速取整為395 r/min；游車和頂驅(qū)的質(zhì)量按7 t計算，則快繩拉力為0.875 t，在滾筒上產(chǎn)生的扭矩為2.568 kN·m。所需電機的功率P=2.568 kN·m×390 r/min=104.88 kW。

最大鉆柱時大鉤速度為0.5～0.6 m/s，即確定電機在此時的功率為額定功率(額定轉(zhuǎn)矩)下，則要求電機的轉(zhuǎn)速為144.5～173.4 r/min，設(shè)計取值160 r/min，此時最大鉆柱質(zhì)量為72 t，在滾筒上產(chǎn)生的扭矩為M鉆柱=90 kN×586.86 mm/2=26.4 kN·m，此時電機的額定功率P=442.34 kW，最大轉(zhuǎn)矩M=F快×Rmax=199.8 kN×586.86 mm/2=58.6 kN·m，采用單電機結(jié)構(gòu)，則要求電機的最大轉(zhuǎn)矩大于58.6 kN·m。

2.1.3 剎車系統(tǒng)

絞車主剎車采用單邊液壓盤式剎車，配盤剎液壓站，配2把常開鉗和2把常閉鉗，可實現(xiàn)工作剎車(使用常開鉗)、駐車剎車(使用常閉鉗)、緊急剎車(同時使用常開鉗、常閉鉗)功能。液壓盤式剎車可與電控系統(tǒng)的游車數(shù)顯防碰系統(tǒng)及絞車的過卷防碰系統(tǒng)聯(lián)動。當由于操作失誤或其他原因，游車超過預設(shè)的防碰高度時，液壓盤式剎車可自動實施緊急剎車，避免出現(xiàn)游車碰天車事故，確保鉆井安全。絞車輔助剎車采用能耗制動。

2.1.4 絞車主軸

由于該電機是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，支撐位于兩端，載荷集中于軸的中部，對主軸繞度影響很大，電機氣隙為0.2cm，而該電機允許軸的繞度是10%氣隙，即0.02cm，因此，必需加大軸的直徑才能滿足此要求，通過在主軸中部施加160kN作用力，采用有限元進行優(yōu)化分析(結(jié)果見圖3)，當軸的直徑為Φ220mm時，軸的強度和剛度完全能夠滿足要求。

2.2 天車研制

目前國內(nèi)外與分體式雙游車對應的天車型式基本上只有2種，其主要區(qū)別就在于過渡輪是內(nèi)置還是外置?？紤]到過渡輪外置能使主梁上的受力狀況變好，同時繞在快繩輪與游車滑輪之間的鋼絲繩跨度也變小，因此，本方案中的天車過渡輪是外置式。如圖4所示。

2.2.1 滑輪軸強度校核

在鋼絲繩拉力作用下受彎受剪，彎曲、剪切應力分別為：

τ=17.4MPa

軸材料為45號鋼，屈服強度σs=355 MPa，安全系數(shù)為355/44.5=7.91>3，滿足強度要求。

2.2.2 軸承計算和校核

按照設(shè)計載荷選擇軸承型號，確定當量動載荷為448 kN，依據(jù)API軸承額定負荷公式：

Wb=Wr×n/357

式中：Wb為天車軸承額定負荷計算值，kN；n為天車上滑輪數(shù)；Wr為單個滑輪軸承額定負荷，指在轉(zhuǎn)速為100 r/min時，90%的軸承最短使用壽命為3 000 h的負荷，kN。

計算得軸承額定負荷：

Wr=448kN×0.42=188.2kN

Wb=2 636kN

天車載荷Wt=最大鉤載+快繩拉力+死繩拉力=1 698kN。Wb>Wt，因此，軸承選用滿足強度要求。

2.2.3 天車主梁計算校核

當量應力為168.86MPa，取安全系數(shù)為1.67，材料的屈服強度不小于168.86MPa×1.67=282MPa。選取材料為Q345B低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，fy=325MPa(壁厚為16～35mm)，最大撓度為0.92mm，天車梁跨度為2.2m，允許最大撓度為2.2m/1 000=2.2mm。通過有限元對天車主梁進行強度校核，應力圖和變形圖如圖5所示，最大應力為184.45MPa，最大變形量為0.97mm，最小安全系數(shù)為325/184.45=1.76，滿足要求。

2.2.4 天車主要技術(shù)參數(shù)

天車主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 天車技術(shù)參數(shù)

2.3 游吊系統(tǒng)研制2.3.1 增力裝置

增力裝置集成于游吊系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)緊湊，如圖6所示。止動油缸推動2根連桿同時運動，使左右止動塊能同步推出。在支架的作用下，增力油缸可實現(xiàn)機械同步。

2.3.2 游車

游車通過提環(huán)直接與動力水龍頭相連，取消了大鉤，采用輕便式設(shè)計，如圖7所示。由圖7可以看出，該結(jié)構(gòu)更簡單、更輕、更方便維護。游車滑輪位于動力水龍頭兩側(cè)，可進一步貼近水龍頭，最大程度地壓縮了游車和水龍頭的縱向高度。

2.3.3 動力水龍頭

動力水龍頭主軸由電機直接驅(qū)動，省掉了傳動齒輪箱，使傳動環(huán)節(jié)簡單可靠，如圖8所示。

3 結(jié)論

(1)ZJ20DBX斜井鉆機通過優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有更高的工作適應性和工作效率，降低作業(yè)成本。

(2)絞車結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，便于安裝和維護，強度及各項參數(shù)均能滿足現(xiàn)場使用。

(3)天車采用過渡輪外置設(shè)計，能使主梁上的受力狀況變好，同時繞在快繩輪與游車滑輪之間的鋼絲繩跨度也變小。

(4)游吊系統(tǒng)增力裝置集成于游吊系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)緊湊；游車滑輪位于動力水龍頭兩側(cè)，最大程度地壓縮了游車和水龍頭的縱向高度；動力水龍頭主軸由電機直接驅(qū)動，省掉了傳動齒輪箱，使傳動環(huán)節(jié)簡單可靠。

(5)天車結(jié)構(gòu)尺寸偏大，游車繞繩方式復雜以及動力水龍頭電機外形尺寸較大仍然是下一步改進和研究的重點。

[1] 董艷，戴震生，周凱.斜直井頂部驅(qū)動鉆井裝置的研制[J].化學工程與裝備，2011(3):70-71.

[2] 李偉，高亮，萬廣偉，等.DQ-40LHTY-X斜直井頂驅(qū)的研制與應用[J].石油機械，2010(11):57-58.

[3] 余靈敏，馬亞鋒.DQ7500型斜直井鉆機機械臂修復[J].石油機械，2010(9):71-73.

[4] 邸百英，王青云，張立功，等.直斜井鉆井技術(shù)在大慶油田的應用[J].石油鉆探技術(shù)，1996(2):8-10.

[5] 崔振華.斜井鉆機在河南油田試鉆[J].石油機械，1990(5):61.

[6] 張連山.斜井鉆機的應用與發(fā)展[J].石油機械，1989(6):45-50.

[7] 張懷文，程維恒.煤層氣開采工藝技術(shù)[J].新疆石油科技，2010(4):33-45.

[8] 張艷玉，魏曉霞.煤層氣開采技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].河南石油，2001(3):24-27.

[9] 陳粵強.國內(nèi)煤層氣井用鉆機技術(shù)分析與研究[D].西安：西安科技大學，2009.

[10] 趙煥娟，齊明俠，趙娜.鉆機井架的可靠性分析[J].石油礦場機械，2010(3):22-27.

[11] 張連山.斜井鉆機的應用與發(fā)展 [J]. 石油機械，1989(6):45-50.

The Key-Parts of ZJ20DBX Slant Hole Drilling Rig Power System Design

GAO Bo1， WANG Jun-pu2， HUANG Sheng1， WAN Fu1， ZHANG Jie1， LV Lan3

(1.Safety&Environment Quality Surveillance Research Institute， CNPC Chuanqing Drilling Engineering CO.，LTD.， Guanghan 618300， China；2.Equipmengt Department， CNPC Chuanqing Drilling Engineering CO.， LTD.， Chengdu 610051， China； 3.Sichuan Honghua Petroleum Equipment CO.， LTD， Guanhan 618300， China)

ZJ20DBX automatic slant-hole drilling rig is developed for the development of shallow oil zone and the drilling of infill well and directional cluster well in maturing field in shallow oil zone. The drilling rig consists of derrick, substructure, AC variable frequency direct-driven draw works, crown block, power swivel (traveling block, power swivel and booster mechanism) and automatic pipe handling system. For its power system, its motor drives the tripping operation of drilling rig directly. As it does not have a back-up tong, it spins and buckles drilling tools with its own large torque. As it has an automatic system, it provides reaction torque for dynamic shackling. With no speed change mechanism, it does not need a lubricating system, the structure is simple and it is easy to operate and control the drilling rig. Its booster mechanism works throughout the drilling process, with main functions of improving bit pressure, installing casing and controlling the drilling tools. With high degree of automation, the drilling rig can effectively improve production efficiency, reduce labor intensity and ensure the safety of drilling operation.

slant hole drilling rig； directional well； automatic control； power system； structure design

2016-06-13

高 搏(1979—)，男，本科，工程師，主要從事石油鉆機的監(jiān)理、檢驗及評估工作，E-mail：654233979@qq.com。

TE92

A