引言

随着石油钻采装备的自动化、智能化发展,传统多级传动绞车因其结构复杂、体积大、传动效率低、维护成本高、本质安全性差等因素,已逐渐无法满足现有钻机的配套要求。近年来,直驱技术在石油钻采领域被快速推广,其主要应用在绞车、转盘、泥浆泵、顶驱、自动化机具等设备上。

本文重点针对直驱技术在钻井绞车领域的应用进行研究,并提出观点。

1石油钻井对绞车的要求

石油钻井绞车是一种多功能起重工作机,其工作性质不同于一般起重设备。研究石油钻井绞车直驱技术,需根据钻井工况分析石油钻井作业对绞车的要求。

(1)足够的提升能力:在钻井过程中,钻井绞车实现钻具的提升、下放,为了满足最大钩载的作业需求,应具备足够的提升能力。

(2)较宽的调速范围:根据钻井作业工况,每下放一立根,需空钩快速上行,再次抓取钻具继续下放:另外,为了提高作业效率,钻井绞车需根据不同的载荷,具备较宽的调速范围,而不失其提升能力。

(3)起升、下放井架底座:以绞车为动力源完成井架、底座的起升和下放工作。

(4)紧急事故处理能力:时刻具备活动钻具、解卡、处理复杂井下事故的能力。

(5)超低频精准控制自动送钻:钻进时,悬吊钻具,并实现恒钻压或恒钻速精准控制钻进。

(6)下套管:完钻后,需进行下套管作业,以便快速完成固井,提高完井质量。

(7)应急预案:在作业安全方面,绞车一旦出现故障,整个作业过程基本中断,甚至会发生重大安全事故,因此,绞车还必须具备较高的可靠性、灵敏的控制系统、安全的刹车系统。同时,在主电机、电控等出现故障的情况下,应具备应急提升、活动钻具功能。

2石油钻井绞车直驱技术现状

近年来,直驱技术发展迅速,促进了石油钻采装备直驱技术的发展。兰石集团对绞车直驱技术研究应用较早,2005年,兰石研制直升机吊装钻机初期,就率先研发直驱绞车,采用异步电机直接驱动滚筒轴,但因电机技术和控制技术限制,没有实现工业化。随后,研发者转变思路研制半直驱绞车,在滚筒轴一端悬挂大齿轮,在异步电机轴头悬挂小齿轮,采用一级减速装置,去除齿轮传动箱体。这种方案能简化绞车传动系统,消除电机技术限制,满足送钻控制精度要求,降低送钻过程中的能量损耗,实现直升机吊装要求。

宝鸡石油机械厂在JC30~90绞车上广泛应用直驱技术,均采用异步电机驱动,电机分别布置在滚筒轴一侧或两侧,与滚筒体通过鼓形齿式联轴器连接,如图1所示,其技术特点:结构简单、拆装工作量小:布局紧凑,整齐美观:传动效率高,维护保养少。

宏华在JC40~70绞车上先后应用直驱技术,均采用单异步电机或双异步电机直接驱动滚筒,无减速换挡机构、无联轴器,将电机定子直接和绞车墙板融合设计,如图2所示。与传统绞车相比,其体积小40%,重量轻25%,保养工作量减少70%~80%。

图1宝石直驱绞车

图2宏华直驱绞车

3永磁直驱绞车技术

目前,直驱绞车均采用异步电机,未采用永磁电机,原因在于石油钻井对绞车的可靠性、安全性要求极高,同时,钻井绞车需在不同工况分别具备较大加速度、较高运行速度、超低频运行稳定性、大负载持续提升性能。如图3所示,因为材料的物理特性,随着温度的升高,永磁体磁性会快速下降,甚至会发生失磁。

图3永磁体磁性随温度变化曲线

另外,综合考验永磁电机的磁场、温度场、流体场以及机械性能的输出性,是一个多物理参量相互影响与多目标参数相互优化的结果,如图4所示。

图4石油绞车永磁电机多物理参量相互影响关系

4异步直驱绞车测试

在满足设备性能的前提下,直驱的目的是减少传动链,提高传动效率,提高设备的经济性。下面对不同绞车进行效率测试(图5、表1),得出如下结论:同负载下永磁直驱绞车效率最高,其次是异步半直驱绞车,最后是异步直驱绞车:同时,在负载降低时异步直驱绞车效率降低幅度较大,半直驱和永磁直驱绞车降低幅度较小,反映出在重载情况下异步直驱能耗较高,在高速轻负载下异步直驱能耗更高,在超低速送钻状态下长时间工作,异步直驱能耗较大。前文讲到永磁直驱在石油钻井绞车上没有被应用,这里不再论述。

5工业试验验证

笔者先后调研了不同工况、不同级别的19台直驱绞车工业应用,其在综合能耗、设备成本、控制成本、送钻性能和维护成本方面相对半直驱绞车均有所增加,尤其是大级别直驱绞车,其综合能耗增加较大,结果如表2所示。

根据工业应用验证,对异步直驱绞车和传统绞车进行技术经济指标分析,得出以下结论:

异步直驱绞车具有重量轻、体积小、维护成本低等优点,但存在以下问题:(1)装机功率大,电机能耗高:(2)变频器配套功率加大,电控成本高:(3)主电机超低频控制精度较低,导致自动送钻稳定性差,钻压波动较大:(4)工作噪声大,由于发热量较大,单台绞车配4台风机进行强制冷却,绞车在部分转速段存在啸叫声:(5)应急预案不足。

而半直驱绞车具有效率较高、重量较轻、体积小、维护成本较低、送钻性能很稳定、控制制造成本较低、能耗较低、拥有应急预案等优点。

6石油钻井绞车直驱技术发展建议

虽然我国在石油钻井绞车直驱技术领域已取得一定突破,但其经济指标暂时无法满足市场要求,这是导致其推进缓慢的主要原因之一。

综合需求与市场导向,笔者提出建议如下:(1)开发新型直驱电机,提高其安全性,降低装机功率,降低轻载运行功率损耗:(2)改善性能,提高超低频控制精度,降低长时间超低频作业时的自身能量损耗:(3)优化主体结构,考虑采用水冷方式进行降温[4],降低工作噪声:(4)提高基础工业研发制造能力,推进半直驱绞车发展理念,促进石油装备自动化、智能化技术发展。