李海波，牛躍進(jìn)，郭巧合

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石油鉆機(jī)起下鉆具功率特性實(shí)驗(yàn)

李海波1，牛躍進(jìn)2，郭巧合3

（1中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001；2中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南 濮陽(yáng) 457001；3中石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

目前石油行業(yè)鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算偏保守，動(dòng)力容量配置偏大，運(yùn)行操作中能量狀態(tài)缺乏檢測(cè)手段。石油鉆機(jī)的起升系統(tǒng)是典型的周期變化的具有沖擊特性的勢(shì)能負(fù)載，為實(shí)現(xiàn)勢(shì)能回收、儲(chǔ)存和有效利用，在本研究中提出新的檢測(cè)方案并研制出檢測(cè)裝置。該裝置可全面準(zhǔn)確獲得鉆井起下鉆具作業(yè)時(shí)鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化、功率變化、能量轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)特性，為研究鉆機(jī)系統(tǒng)能量回收、利用和動(dòng)力調(diào)峰運(yùn)行技術(shù)提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)的柴油機(jī)動(dòng)力配置偏高，可通過(guò)減配或改進(jìn)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)提高利用率。

鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)；起下鉆作業(yè)；柴油機(jī)；功率特性；檢測(cè)裝置

鉆機(jī)是石油行業(yè)勘探開(kāi)發(fā)的重要裝備，國(guó)內(nèi)有鉆機(jī)2500臺(tái)，年消耗柴油150萬(wàn)噸以上。目前石油鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為2大類(lèi)：機(jī)械驅(qū)動(dòng)式和電機(jī)驅(qū)動(dòng)式。機(jī)械式以幾臺(tái)柴油機(jī)或電動(dòng)機(jī)（電源來(lái)源于電網(wǎng)）驅(qū)動(dòng)齒輪鏈條箱，通過(guò)不同的離合器組合帶動(dòng)絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)、泥漿泵等重要工作機(jī)構(gòu)；電動(dòng)式以可控硅變頻電源系統(tǒng)控制與絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)、泥漿泵連接的電動(dòng)機(jī)來(lái)工作。

鉆井的起、下鉆作業(yè)中，頻繁的游車(chē)提放、鉆具下放和起升過(guò)程中，出現(xiàn)頻繁的能量傳遞和沖擊負(fù)荷，下放鉆具過(guò)程中，具有可觀(guān)的勢(shì)能可以回收利用。研究清楚鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率傳遞、能量轉(zhuǎn)換特性，以?xún)?yōu)化動(dòng)力設(shè)備的配置、運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)輸出功率與負(fù)荷的有效匹配，并且引入新的能量回收、儲(chǔ)存設(shè)備，采用新的調(diào)峰和回收利用模式，能夠達(dá)到鉆機(jī)節(jié)能減排的目的。

鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中的功率變化特性主要集中在幅值、頻率、加速特性上，這是對(duì)功率輸出進(jìn)行調(diào)峰、回收鉆具勢(shì)能的基礎(chǔ)參數(shù)[1]。本實(shí)驗(yàn)以柴油機(jī)作為動(dòng)力的機(jī)械式鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)柴油機(jī)瞬間輸出功率，結(jié)合檢測(cè)鉆井狀態(tài)的各種傳感器，使用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，分析得到的能量特性數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)。

1 功率特性測(cè)量方法與裝置

1.1 功率特性測(cè)量方法

柴油機(jī)功率測(cè)量最可靠的方法是在其動(dòng)力輸出端安裝轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速值，并利用式(1)計(jì)算得出

式中，為功率，kW；為轉(zhuǎn)矩，N·m；為轉(zhuǎn)速，r/min。

目前，機(jī)械式鉆機(jī)普遍選用濟(jì)柴190型柴油機(jī)作為動(dòng)力源[2]，額定功率為800 kW[3]，額定轉(zhuǎn)速為1300 r/min，其轉(zhuǎn)矩為6000 N·m左右，動(dòng)力輸出經(jīng)液力耦合器（齒輪傳動(dòng)比為1.95）減速增扭后，轉(zhuǎn)速降至約670 r/min，扭矩增大至12000 N·m左右，考慮到上限安全余量，從市場(chǎng)現(xiàn)有成型產(chǎn)品中選用傳感器扭矩量程為20000 N·m比較合適。選用了北京中航機(jī)電的ZH07-20000型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)[4]如下。扭矩量程：20000 N·m；轉(zhuǎn)速量程：1900 r/min；齒數(shù)：120；轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確度：0.1%～0.5% F·S；過(guò)載能力：150% F·S；重復(fù)性：0.1%～0.5% F·S；線(xiàn)性：0.1%～0.5% F·S。

1.2 功率特性測(cè)量裝置

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集裝置基于PLC平臺(tái)，應(yīng)用Modbus等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]，采用以RJ45網(wǎng)口、RS485串口為通訊方式的上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，采集速度為10次/秒。圖1為測(cè)量裝置的現(xiàn)場(chǎng)連接示意圖。

3臺(tái)柴油機(jī)與鏈條箱之間連接有減緩沖擊負(fù)荷的液力耦合器，為了測(cè)量液力耦合器對(duì)系統(tǒng)功率特性的影響，在1#柴油機(jī)的液力耦合器前后各安裝1臺(tái)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，在2#、3#柴油機(jī)液力耦合器之后各安裝1臺(tái)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，共計(jì)4臺(tái)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測(cè)功率的變化。

為明確發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化時(shí)刻的各種鉆井狀 態(tài)，在鉆機(jī)其它部位安裝多種狀態(tài)識(shí)別傳感器， 見(jiàn)表1。

表1 鉆井狀態(tài)識(shí)別傳感器

根據(jù)上述傳感器不同數(shù)值范圍的組合判斷，可準(zhǔn)確識(shí)別當(dāng)前的鉆井狀態(tài)。其中絞車(chē)編碼器傳感器結(jié)合專(zhuān)用的PLC高度算法可以準(zhǔn)確測(cè)量出大鉤高度、井深、鉆頭位置、絞車(chē)轉(zhuǎn)速、游車(chē)提放速度等參數(shù)，進(jìn)一步可分析出游車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量分布規(guī)律。

本裝置直接采集及衍生參數(shù)共計(jì)27個(gè)，包括多測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、扭矩、泵排量、泵壓力、大鉤負(fù)荷、大鉤高度、鉆頭位置、井深、游車(chē)速度、絞車(chē)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速等。

1.3 功率特性測(cè)試軟件

上位機(jī)、下位機(jī)程序使用工業(yè)以太網(wǎng)RJ45鏈路[6]，基于Modbus協(xié)議通訊速率可達(dá)100 Mbps，考慮到PLC高度算法計(jì)算周期以及傳感器的響應(yīng)延時(shí)，使用上、下位機(jī)10次/秒的應(yīng)答式通訊機(jī)制， 圖2為程序軟件工作流程。

下位機(jī)PLC采集程序開(kāi)發(fā)使用西門(mén)子TIA Portal集成開(kāi)發(fā)軟件，使用LAD（梯形圖）+SCL（結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言）編程[7]完成，主要實(shí)現(xiàn)所有傳感器基本信號(hào)采集，利用HSC高速計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了大鉤高度及衍生參數(shù)（井深、鉆頭位置、游車(chē)速度、絞車(chē)轉(zhuǎn)速、鉆速等）算法以及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸、傳感器校正等功能。

上位機(jī)數(shù)據(jù)檢測(cè)采集軟件采用Visual Basic基于Modbus、Winsock、TCP/IP等技術(shù)進(jìn)行編程[8]，界面顯示實(shí)時(shí)的各種參數(shù)數(shù)值和曲線(xiàn)，能夠?qū)ο到y(tǒng)所連接的各種傳感器進(jìn)行設(shè)置、校正，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用方便拷貝轉(zhuǎn)移的文本格式，每1小時(shí)生成一個(gè)文件。

2 功率特性測(cè)試結(jié)果分析

2014年8月至11月，在中原油田文33-側(cè)107井和衛(wèi)68-17井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，共收集到11.4 GB數(shù)據(jù)。對(duì)各個(gè)不同鉆井工況時(shí)刻點(diǎn)的數(shù)值、圖表進(jìn)行整理，深入對(duì)比分析了起鉆、下鉆工況的柴油機(jī)加速功率特性。

2.1 起鉆加速功率特性

起鉆作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)流程分為：卸方鉆桿作業(yè)、起鉆桿作業(yè)、起鉆鋌作業(yè)、卸鉆頭作業(yè)。根據(jù)對(duì)衛(wèi)68-17井起鉆時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)，起鉆桿作業(yè)占到總起鉆時(shí)間的80%以上，并且隨著井深的增加而占比更高。因此本研究以起鉆桿作業(yè)為主展開(kāi)分析。

典型的起鉆桿作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程為：①游車(chē)大鉤掛井口吊卡；②游車(chē)緩慢上提（大鉤負(fù)荷變重載）；③游車(chē)一檔低速（或高速）上提至二層臺(tái)；④坐井口卡瓦液壓大鉗卸扣；⑤游車(chē)上提起單立柱拉入鉆桿盒；⑥卸二層臺(tái)吊卡下放空游車(chē)到鉆臺(tái)面。

圖3是一個(gè)典型的起鉆桿特性參數(shù)曲線(xiàn)，此時(shí)工況為單柴油機(jī)，大鉤負(fù)荷重載時(shí)100 t，輕載時(shí)7 t，井深3500 m。圖3中柴油機(jī)功率、下放游車(chē)功率用正值表示，節(jié)能發(fā)電機(jī)耗能、上提游車(chē)耗能為負(fù)值，游車(chē)機(jī)械效率=上提游車(chē)耗能/(柴油機(jī)功率-節(jié)能發(fā)電機(jī)耗能)。

分析起鉆作業(yè)特點(diǎn)如下。

（1）游車(chē)重載上提過(guò)程中要消耗大量能量，對(duì)于100 t的負(fù)荷，柴油機(jī)功率持續(xù)高位，保持在400 kW左右，絞車(chē)1檔低速時(shí)長(zhǎng)為150 s左右，游車(chē)上提過(guò)程耗能在160～190 kW，游車(chē)機(jī)械效率在60%～70%，其它能量消耗在帶動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)做功和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中。當(dāng)大鉤負(fù)荷由輕載變重載瞬間，游車(chē)機(jī)械效率會(huì)達(dá)到近100%。

（2）游車(chē)高位排放立柱時(shí)，柴油機(jī)功率處于較低位230 kW左右，時(shí)長(zhǎng)75 s左右。

（3）空游車(chē)下放過(guò)程中，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，釋放勢(shì)能平均50 kW左右，柴油機(jī)功率處于最低位170 kW左右，時(shí)長(zhǎng)50 s左右。

（4）整個(gè)起鉆桿過(guò)程中，大鉤負(fù)荷由大到小逐漸減少，相應(yīng)的柴油機(jī)功率輸出、游車(chē)上提耗能 也會(huì)減少，空游車(chē)下放、游車(chē)高位排放立柱作業(yè) 耗能基本不變。典型的柴油機(jī)功率加速曲線(xiàn)如圖4所示。

選取6次低速起鉆數(shù)據(jù)，分析對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。選取6次高速起鉆數(shù)據(jù)，分析對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 絞車(chē)1檔低速上提柴油機(jī)功率加速特性

2.2 下鉆加速功率特性

下鉆作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程為：接鉆頭作業(yè)、下鉆鋌作業(yè)、下鉆桿作業(yè)、接方鉆桿作業(yè)。根據(jù)對(duì)衛(wèi)68-17井下鉆時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)，其中下鉆桿作業(yè)時(shí)間占到總起鉆時(shí)間的78%以上，并且隨著井深的增加而占比更高。因此本研究以起鉆桿作業(yè)為主展開(kāi)分析。

典型的下鉆桿作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程為：①一檔高速起空游車(chē)帶吊卡至二層臺(tái)；②提立柱至井口；③ 對(duì)扣，上扣，緊扣；④提鉆具離開(kāi)井口吊卡，下鉆桿立柱入井；⑤游車(chē)緩慢下放至鉆臺(tái)面，坐吊卡。

圖5是一個(gè)典型的下鉆桿特性參數(shù)曲線(xiàn)，此時(shí)工況為單柴油機(jī)，大鉤負(fù)荷重載時(shí)87 t，輕載時(shí)7 t，井深3400 m。圖中柴油機(jī)功率、下放游車(chē)功率用正值表示，節(jié)能發(fā)電機(jī)耗能、上提游車(chē)耗能為負(fù)值，游車(chē)機(jī)械效率=上提游車(chē)耗能/(柴油機(jī)功率-節(jié)能發(fā)電機(jī)耗能)。分析下鉆作業(yè)特點(diǎn)如下。

（1）下鉆作業(yè)柴油機(jī)功率波動(dòng)幅度相對(duì)較小，能量消耗主要集中在空游車(chē)上提過(guò)程中，游車(chē)空載7 t左右，柴油機(jī)功率在上提初始瞬間達(dá)到420 kW峰值，之后回落平穩(wěn)保持在280 kW左右，持續(xù)時(shí)間大約25 s左右。

（2）游車(chē)高位接立柱、提立柱、對(duì)扣時(shí)，功率略增加40 kW左右，時(shí)長(zhǎng)50 s左右，之后處于空載狀態(tài)，維持在最低位190 kW左右。

（3）游車(chē)上提井內(nèi)鉆具，負(fù)荷由輕載變重載，功率瞬間達(dá)到300 kW峰值，時(shí)長(zhǎng)5 s左右。

（4）游車(chē)重載下放，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，瞬間能量平均850 kW左右，持續(xù)35 s左右。柴油機(jī)功率維持在200 kW左右。

（5）整個(gè)下鉆桿過(guò)程中，大鉤負(fù)荷由小到大逐漸增加，相應(yīng)柴油機(jī)功率輸出、游車(chē)勢(shì)能做功也會(huì)增加，但空游車(chē)上提、游車(chē)高位接立柱作業(yè)耗能基本不變。

下鉆時(shí)柴油機(jī)功率消耗主要在空游車(chē)上提時(shí)刻，機(jī)械鉆機(jī)在無(wú)頂驅(qū)裝置時(shí)，大鉤負(fù)荷普遍在10 t以?xún)?nèi)。選取6組數(shù)據(jù)制作圖表如圖6所示。

分析其加速特性，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 空游車(chē)上提柴油機(jī)功率加速特性

3 結(jié) 論

（1）提出了鉆機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的功率、鉆機(jī)狀態(tài)信息檢測(cè)方案，研制出了檢測(cè)裝置，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)2口井的實(shí)驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確獲得鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化、功率變化等特性，為后續(xù)能量回收、儲(chǔ)存、利用控制提供了基本的數(shù)據(jù)參考[9]。

（2）起鉆過(guò)程中，柴油機(jī)穩(wěn)定功率輸出130～470 kW，為額定功率800 kW的15%～60%，下鉆過(guò)程中，柴油機(jī)穩(wěn)定功率輸出200 kW，為額定功率800 kW的25%，柴油機(jī)動(dòng)力配置偏高[2]。

（3）下鉆作業(yè)中，因上提空游車(chē)、上提鉆具的加速慣性負(fù)荷，出現(xiàn)兩次脈沖特征功率，峰值為平均功率的1.5～2.5倍，調(diào)峰運(yùn)行空間廣闊[10]。

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Experiment study on the power characteristics of the drilling rig in the tripping operation

LI Haibo1, NIU Yuejin2, GUO Qiaohe3

(1Drilling Engineering Technology Institute, SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd., Puyang 457001, Henan, China;2Drilling Company No.1, SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd., Puyang 457001, Henan, China;3ZPEB International, SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd., Puyang 457001, Henan, China)

At present, in the petroleum industry, the design of the drive system for drilling rigs is largely conservative for safety reasons. A large redundant power capacity configuration is often adopted, and there is a lack of detection means to monitor the energy state during operation. The lifting unit of an oil drilling rig relies on potential energy load, which undergoes an cyclic operation and has the potential to recover, store and use the energy. In this study, a new detection device is proposed and developed. With such a device, real-time characteristics of the transmission system, power change and energy transformation are obtained experimentally during operation. Based on the experimental results and data analysis, it is found that the diesel engine adopted for the drilling rig is on the high side, leading to resource waste. There is therefore a potential for reducing the waste through better matching and/or improvement of the transmission system.

drilling rig drive system; tripping operation; diesel engine; power characteristic; detection device

10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.017

TM 933.3

A

2095-4239（2016）02-235-06

2015-11-05；修改稿日期：2016-01-11。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2014BAA04B02）。

李海波（1976—），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，從事石油鉆井儀表研究設(shè)計(jì)，E-mail：lhb76@outlook.com。