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(四川宏華石油設(shè)備有限公司，成都 610036)

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置(簡(jiǎn)稱頂驅(qū))顯著提高了鉆井作業(yè)的能力和效率，被譽(yù)為近代鉆井裝備三大技術(shù)成果之一[1]。根據(jù)頂驅(qū)主軸驅(qū)動(dòng)方式不同，將頂驅(qū)分為液壓驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)。液壓頂驅(qū)的馬達(dá)外形尺寸較小、質(zhì)量輕，能夠滿足輕便型鉆機(jī)的需求[2-4]。

齒輪齒條鉆機(jī)是應(yīng)用齒輪齒條技術(shù)帶動(dòng)頂驅(qū)直接起、下鉆具，完成鉆井作業(yè)的鉆井裝置。齒輪齒條嚙合產(chǎn)生的推、拉力可為鉆頭提供鉆壓[5-6]，實(shí)現(xiàn)修井、鉆井和強(qiáng)行下管柱作業(yè)的快速轉(zhuǎn)化，較好地解決了水平井和大位移井技術(shù)開(kāi)發(fā)淺層油氣藏的鉆壓?jiǎn)栴}[7]。目前，國(guó)外主要有3家公司研發(fā)了齒輪齒條鉆機(jī)，包括挪威的TTS Sense公司、德國(guó)的Max Streicher公司和美國(guó)奧格(American Augers)公司。這3家公司研發(fā)的齒輪齒條鉆機(jī)都采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，移運(yùn)快捷方便且噪聲小；都配有自動(dòng)化上卸扣和管子處理裝置，自動(dòng)化程度高，安全可靠[8]。我國(guó)在相關(guān)特種鉆機(jī)及其配套頂驅(qū)等設(shè)備研發(fā)方面投入較少，所使用的鉆機(jī)及設(shè)備主要依賴進(jìn)口，在該領(lǐng)域還沒(méi)有相對(duì)成熟、可靠的技術(shù)產(chǎn)品[9]。根據(jù)市場(chǎng)需求，四川宏華石油設(shè)備有限公司(以下簡(jiǎn)稱宏華)自主設(shè)計(jì)研發(fā)了ZJ40YCT型齒輪齒條鉆機(jī)。為該鉆機(jī)研制的DQ250Y型液壓頂驅(qū)借鑒宏華的電動(dòng)直驅(qū)頂驅(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)[10]，使用空心軸馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)主軸，進(jìn)行鉆井作業(yè)。配合提推系統(tǒng)，不僅能夠滿足常規(guī)頂驅(qū)“提”著鉆的需要，而且滿足齒輪齒條鉆機(jī)“推”著鉆、主動(dòng)施加鉆壓的需求。經(jīng)過(guò)測(cè)試，整機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足使用要求。該產(chǎn)品的成功研制為特種作業(yè)鉆機(jī)提供適配的頂驅(qū)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 ZJ40YCT型齒輪齒條鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)由井架、提推系統(tǒng)、DQ250Y液壓頂驅(qū)、齒條及底座組成，如圖1a。齒條分布在井架左、右內(nèi)側(cè)。液壓頂驅(qū)與提推系統(tǒng)由銷軸連接。以單側(cè)結(jié)構(gòu)為例，井架內(nèi)裝配2組齒條，其內(nèi)間距為K。提推系統(tǒng)單側(cè)由4個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪，通過(guò)齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)提推系統(tǒng)上提、下放，完成鉆井作業(yè)，如圖1b。齒條同時(shí)作為頂驅(qū)導(dǎo)軌，承受鉆井作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩。

1—井架；2—提推系統(tǒng)；3—DQ250Y型液壓頂驅(qū)；4—齒條；5—底座。

1.2 DQ250Y型液壓頂驅(qū)結(jié)構(gòu)

DQ250Y型液壓頂驅(qū)主要由提環(huán)、動(dòng)力系統(tǒng)、滑車、吊環(huán)傾斜裝置、沖管總成、S型管總成、盤剎裝置、自動(dòng)IBOP、背鉗等組成，如圖2所示。

1—平衡系統(tǒng)；2—提環(huán)；3—液壓系統(tǒng)；4—?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)；5—左滑車；6—吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)；7—沖管總成；8—右滑車；9—S管總成；10—盤剎裝置；11—自動(dòng)內(nèi)防噴器；12—緩沖接頭；13—保護(hù)接頭；14—背鉗。

DQ250Y型頂驅(qū)的液壓馬達(dá)為低速大轉(zhuǎn)矩空心軸馬達(dá)，與主軸通過(guò)花鍵連接。液壓馬達(dá)殼體固定連接在提升箱體上，馬達(dá)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩由提升箱體、滑車傳遞至齒條，最終由井架承受。主軸下方裝配有剎車盤，當(dāng)主軸需要制動(dòng)時(shí)，通過(guò)剎車鉗夾緊剎車盤，提供制動(dòng)力。提升箱體內(nèi)部安裝有主推力軸承以及防跳軸承，主推力軸承用于承受鉆柱軸向載荷。防跳軸承配合主軸下方緩沖接頭，在主動(dòng)施加鉆壓過(guò)程中承受沿鉆柱方向的下壓力，并吸收軸向沖擊振動(dòng)。頂驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 DQ250Y型液壓頂驅(qū)技術(shù)參數(shù)

驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)

名義鉆井深度 4 000 m

最大載荷 2 250 kN

額定轉(zhuǎn)速 0～180 r/min

1—主軸；2—液壓馬達(dá)；3—提升箱體；4—防跳軸承；5—主推力軸承；6—?jiǎng)x車鉗；7—?jiǎng)x車盤。

主軸輸出功率 283 kW

連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩 30 000 N·m

最大卸扣轉(zhuǎn)矩 45 000 N·m

最大下壓力 360 kN

主馬達(dá)額定工作壓力 35 MPa

主馬達(dá)額定流量 800 L/min

管子處理系統(tǒng)額定工作壓力 16 MPa

管子處理系統(tǒng)額定流量 35 L/min

1.4 液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)

DQ250Y型頂驅(qū)的液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)由主馬達(dá)液壓控制系統(tǒng)與管子處理機(jī)液壓控制系統(tǒng)組成。主馬達(dá)液壓控制采用閉式系統(tǒng)，主要功能包含馬達(dá)排量控制、轉(zhuǎn)矩控制、反轉(zhuǎn)矩釋放、馬達(dá)沖洗等。管子處理機(jī)液壓系統(tǒng)為開(kāi)式系統(tǒng)，主要包含平衡系統(tǒng)、盤剎裝置、吊環(huán)傾斜裝置、背鉗、自動(dòng)IBOP等控制。

頂驅(qū)主馬達(dá)轉(zhuǎn)速為兩擋控制：全排量(低速擋)及半排量(高速擋)。全排量時(shí)主軸最高轉(zhuǎn)速為90 r/min，連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩30 000 N·m，最大卸扣轉(zhuǎn)矩45 000 N·m；半排量時(shí)最高轉(zhuǎn)速180 r/min，連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩20 000 N·m。頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制均為閉環(huán)控制，分別通過(guò)采集主軸轉(zhuǎn)速、馬達(dá)進(jìn)出口壓差，反饋控制主泵排量，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制。頂驅(qū)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩工作曲線如圖4所示。

圖4 DQ250Y型液壓頂驅(qū)工作曲線(283 kW恒功率控制)

2 關(guān)鍵技術(shù)和主要特點(diǎn)

1) DQ250Y型液壓頂驅(qū)由內(nèi)曲線低速大轉(zhuǎn)矩空心軸馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)主軸，液壓馬達(dá)與主軸采用花鍵連接并傳遞轉(zhuǎn)矩，無(wú)齒輪減速箱及其配套的稀油潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)。整機(jī)軸承采用脂潤(rùn)滑，維護(hù)簡(jiǎn)便。箱體外部安裝有潤(rùn)滑脂加注口，可通過(guò)箱體本體上物理觀察窗監(jiān)測(cè)主軸承潤(rùn)滑脂運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)配置了主軸承溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承溫度。

2) 4組齒條安裝在井架內(nèi)側(cè)。頂驅(qū)隨提推系統(tǒng)上、下運(yùn)行過(guò)程中，滑車的承載輪及導(dǎo)向輪在齒條內(nèi)側(cè)運(yùn)行(如圖5所示)，齒條即承受提推系統(tǒng)上下運(yùn)行時(shí)馬達(dá)的反力，同時(shí)作為頂驅(qū)導(dǎo)軌在工作過(guò)程中對(duì)頂驅(qū)起到運(yùn)行導(dǎo)向作用，并承受鉆井、上卸扣過(guò)程中頂驅(qū)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩。頂驅(qū)中心與井眼中心重合，鉆井作業(yè)過(guò)程中井架不承受因頂驅(qū)偏心而產(chǎn)生的額外彎矩。

1—左齒條；2—井架；3—左滑車；4—DQ250Y液壓頂驅(qū)；5—右滑車；6—右齒條。

3) 根據(jù)齒輪齒條鉆機(jī)工況要求，頂驅(qū)能夠滿足提推系統(tǒng)施加下壓力的需求。在頂驅(qū)自動(dòng)IBOP與保護(hù)接頭之間增加緩沖接頭，并配置防跳軸承，滿足下壓力要求。

4) 提升箱體下方安裝有液壓盤剎裝置。剎車盤與主軸相連，液壓剎車鉗對(duì)稱分布在提升箱體前、后側(cè)。當(dāng)需要主軸制動(dòng)時(shí)，剎車鉗活塞帶動(dòng)剎車片夾緊剎車盤實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。同時(shí)液壓盤剎裝置可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)矩釋放功能。

5) 頂驅(qū)與提推系統(tǒng)之間的連接銷軸為傳感器銷軸(圖6所示)，在鉆井過(guò)程中由銷軸承受頂驅(qū)及井底鉆具重力，同時(shí)銷軸內(nèi)置傳感器用于監(jiān)測(cè)頂驅(qū)懸重。

1—提推系統(tǒng)；2—平衡油缸；3—提推系統(tǒng)雙耳板；4—頂驅(qū)提環(huán)； 5—銷軸傳感器。

6) 液壓控制系統(tǒng)集成與頂驅(qū)本體，主馬達(dá)控制系統(tǒng)配置了一鍵反轉(zhuǎn)矩釋放、馬達(dá)高低速切換、主馬達(dá)保護(hù)等功能。同時(shí)配置狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)馬達(dá)運(yùn)行狀態(tài)、主軸承溫度等關(guān)鍵參數(shù)，確保設(shè)備運(yùn)行可靠。

7) 液壓頂驅(qū)本體增加“空盤馬達(dá)”功能。維修狀態(tài)時(shí)，將液壓馬達(dá)進(jìn)回油路溝通，可不拆卸液壓管路實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)主軸處于自由狀態(tài)，通過(guò)鏈鉗等裝置即可盤動(dòng)主軸，無(wú)須額外動(dòng)力源。

8) 頂驅(qū)背鉗使用開(kāi)口式背鉗。更換鉗牙、牙板等將背鉗鉗口體旋開(kāi)直接進(jìn)行操作，維護(hù)便利。

3 試驗(yàn)情況

DQ250Y型液壓頂驅(qū)總裝結(jié)束后，先后進(jìn)行了負(fù)載試驗(yàn)、重要部位應(yīng)力測(cè)試、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等多項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

1) 結(jié)構(gòu)件應(yīng)力測(cè)試均符合要求，無(wú)超標(biāo)項(xiàng)次。

2) 轉(zhuǎn)速測(cè)試。全排量實(shí)際最高轉(zhuǎn)速92 r/min，半排量最高轉(zhuǎn)速180 r/min，滿足設(shè)計(jì)要求。液壓馬達(dá)柱塞進(jìn)行特殊涂層處理后現(xiàn)場(chǎng)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測(cè)試為2 r/min，液壓馬達(dá)無(wú)打滑、爬行。

3) 轉(zhuǎn)矩測(cè)試。頂驅(qū)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)，全排量達(dá)到45 000 N·m時(shí)馬達(dá)壓差33.1 MPa；全排量主軸轉(zhuǎn)矩30 000 N·m時(shí)馬達(dá)壓差22 MPa；半排量主軸轉(zhuǎn)矩20 000 N·m時(shí)馬達(dá)壓差30 MPa。頂驅(qū)主軸空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩約280 N·m，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約600 N·m。

4) 轉(zhuǎn)矩限制測(cè)試。轉(zhuǎn)矩限制主要用于在鉆井、上扣工況下限制主軸轉(zhuǎn)矩，防止因轉(zhuǎn)矩過(guò)大造成卸扣失敗等故障。DQ250Y型液壓頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩限制為遠(yuǎn)程控制，通過(guò)監(jiān)控馬達(dá)進(jìn)出口壓差，閉環(huán)控制比例溢流閥，進(jìn)而控制主泵排量變化，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩限制功能。轉(zhuǎn)矩限制測(cè)試結(jié)果如圖7所示，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，轉(zhuǎn)矩限制可控制在設(shè)定值的±5%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)矩控制。

圖7 頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩限制測(cè)試曲線

5) 上、卸扣轉(zhuǎn)矩測(cè)試：使用背鉗進(jìn)行上卸扣操作，上扣轉(zhuǎn)矩設(shè)定30 000 N·m，實(shí)際上扣轉(zhuǎn)矩為30 500 N·m；使用背鉗夾緊卸扣，轉(zhuǎn)矩上升至41 000 N·m時(shí)卸扣成功，頂驅(qū)背鉗無(wú)打滑、鉗牙牙板無(wú)崩牙狀態(tài)。

6) 銷軸傳感器通過(guò)加載試驗(yàn)測(cè)試，懸重值通過(guò)兩個(gè)銷軸傳感器疊加計(jì)算，最終實(shí)際測(cè)量精度在1%以內(nèi)。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種適配于齒輪齒條鉆機(jī)的DQ250Y型液壓頂驅(qū)。產(chǎn)品總裝測(cè)試完成后，先后進(jìn)行了負(fù)載試驗(yàn)、重要部位應(yīng)力測(cè)試、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等多向測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求，滿足使用條件。

2) 在齒輪齒條鉆機(jī)等類似的液壓鉆機(jī)上，液壓頂驅(qū)更適合工況需求，能夠得到更寬的轉(zhuǎn)矩范圍，其最大卸扣轉(zhuǎn)矩(45 000 N·m)亦可在井底出現(xiàn)復(fù)雜工況、需要大轉(zhuǎn)矩時(shí)使用。電動(dòng)頂驅(qū)通常依靠電機(jī)短時(shí)過(guò)載來(lái)達(dá)到最大卸扣轉(zhuǎn)矩，過(guò)載時(shí)間一般不超過(guò)30 s。

3) 采用銷軸傳感器后，可精準(zhǔn)測(cè)量頂驅(qū)懸重值。較之原有的使用提推系統(tǒng)壓力值等效換算懸重值更加準(zhǔn)確，且避免了因提推系統(tǒng)馬達(dá)駐車時(shí)懸重回零的問(wèn)題。

4) 全液壓頂驅(qū)，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)PID控制，通過(guò)對(duì)放大器參數(shù)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)精確控制。