ZJ20DBX型斜井鉆機液壓系統設計

王學義，唐有勝，張永澤，孫 娟，毛玉琢，喬曉鋒

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，成都610051） ＊

ZJ20DBX型斜井鉆機液壓系統設計

王學義1，唐有勝2，張永澤1，孫 娟1，毛玉琢1，喬曉鋒1

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，成都610051）＊

液壓系統是ZJ20DBX型斜井鉆機的重要組成部分，采用開式回路，主要實現對機械手、鉆具加壓、液壓小絞車、液壓大鉗總成、卡瓦支承盤扶正器、死繩絞盤器、液壓吊卡、井架起升、底座輔助起升、井架伸縮、液壓貓頭缸、排管架調平等的驅動與控制，提高了鉆機的自動化水平。

斜井鉆機；液壓系統；控制 試驗 ；改進

斜井鉆機可用于陸地和海洋等各種油氣資源的勘探與開發。在開發建筑物下面、沼澤地帶、下陷地區以及海灘等復雜區域的淺層油氣時，需鉆的大位移井或斜直水平井，斜井鉆機具有常規鉆機無法比擬的優勢。

國外自20世紀60年代開始研制斜井鉆機，目前美國、加拿大、英國和法國等國家均已生產，斜井鉆深610～2 440m（2 000～8 000英尺）。國內研究始于1988年，1991年寶雞石油機械有限責任公司與新疆石油管理局聯合研制開發了國內第1臺ZJ－15X型斜井鉆機。

寶雞石油機械有限責任公司近期新研制了ZJ20DBX型斜井鉆機，其提升系統、旋轉系統和循環系統采用常規的成熟技術，絞車、頂驅等采用交流變頻驅動，其余均采用液壓傳動。該鉆機配備了專用頂驅、機械手、液壓大鉗、液壓吊卡、氣動卡瓦等機械化工具，井架采用油缸伸縮，其與水平面傾角可在45°～90°之間調整，底座采用主輔液缸共同舉升。此外，還配備了鉆具加壓和防噴器專用吊移等裝置以適應斜井作業的特殊要求。因此，液壓系統設計非常關鍵。在分析了國外公司同類產品的液壓傳動控制系統的基礎上，結合寶雞石油機械有限責任公司原有的技術和經驗，在鉆井自動化、遠程控制和快速安裝移運等方面進行了大量的探索和創新［1－2］，使鉆機整體技術達到了較高的水平。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

ZJ20DBX型斜井鉆機液壓系統主要有以下部件組成：

YZ－2000型組合液壓站 1套

氣控閥總成 1套

操控箱 1套

排管架操作閥總成 1套

液壓隨車吊 1臺

鉆臺液壓小絞車 1臺

加壓小絞車 2臺

液壓動力鉗 1臺

1.2 技術參數

液控機械手驅動泵（1號泵）

最大工作壓力 21MPa

最大排量 207L／min

液壓大鉗及臺面機具驅動泵（2號泵）

最大工作壓力 21MPa

最大排量 120L／min

輔助泵（3號泵）

最大工作壓力 28MPa

最大排量 47L／min

操作箱多路閥控制壓力 16MPa

氣控閥箱總成控制壓力 21MPa

液壓站有效容積 2 000L

液壓站總功率 146kW

1.3 工作原理

圖1為ZJ20DBX型斜井鉆機液壓原理圖。

圖1 液壓原理圖

液壓系統為開式回路［3］。液壓站采用頂置油箱結構，配風冷散熱裝置和電動加油濾油裝置。液控機械手驅動泵（1號泵）通過電磁比例閥在司鉆房內實現對機械手主臂、副臂及卡爪的驅動和控制；液壓大鉗及臺面機具驅動泵（2號泵）通過不同的閥組實現對液壓大鉗、鉆具加壓裝置、卡瓦支承盤扶正器、死繩絞盤器、井架起升系統、底座輔助起升系統、井架伸縮缸、液壓貓頭缸、排管架調平系統等多種設備的驅動與控制；輔助泵（3號泵）主要為小絞車和液壓吊卡提供動力；備用泵向其他執行元件提供動力。液壓站通過電比例閥調節泵的排量，可以控制鉆具加壓、液壓大鉗、井架起升、井架伸縮等各設備的工作速度。通過調節遠程溢流閥，可以調節加壓機構的下拉力和液壓大鉗等工作的扭矩。同時液壓站還為機械手專門配置了調壓溢流閥，用來調節液控機械手卡爪對不同鉆桿的夾持力。

2 關鍵技術

1） 液壓站采用多泵供油，相互獨立又相互備用，增加系統可靠性［3］。液壓泵采用就地啟停和遠程負比例流量控制。鉆臺液壓設備采用遠程電氣控制和本地手動控制方式，工作壓力遠程可調。

2） 機械手采用電液比例及PLC系統控制，可快速方便地控制鉆具中心與頂驅中心對齊結合，機械手起放作業過程編程控制，實現安全互鎖。

3） 井架、底座采用多級油缸連續起升。井架起升油缸用于井架起升，起升底座時無需更換油缸支點，直接利用井架起升油缸繼續伸出，再利用底座輔助油缸共同帶動底座上升，實現了井架底座的連續起升，如圖2。

4） 因為井架伸縮行程較長，在伸縮油缸的設計中，考慮到井架上段的行程和井架上段伸出過程中油缸的穩定性以及井架具體結構的限制，采用2只雙側出桿的液壓柱塞缸。使油缸柱塞桿單側行程減半，降低了油缸失穩的傾向，同時又可以使油缸尺寸變小，增大了井架內部的凈空間，如圖3。另外，為了避免在伸縮過程由于其他原因造成卡阻等導致油缸失穩或壓壞，在相應部位配置了過載閥，使油缸免受損壞。

5） 獨特的鉆具加壓裝置。由安裝在底座下面的液壓絞車通過鋼絲繩對頂驅施加下拉力，達到對鉆具加壓的目的。

6） 液壓大鉗的技術改進。將常規鉆桿鉗和套管鉗集成為一體，其液壓系統采用遠程電氣控制和就地手動控制2種方式，實現對常規鉆桿和套管的作業，不需更換大鉗，工作方便。

圖2 井架和底座起升油缸

圖3 井架伸縮油缸

3 試驗

按照《ZJ20DBX型斜井鉆機液壓系統試驗大綱》的要求，寶雞石油機械有限責任公司聯合有關單位對鉆機單元部件和整機進行了近2個月的試驗和檢驗。結果表明該鉆機達到了設計要求，滿足了油田鉆井的需要。

4 存在問題與改進

1） 采用遠程電氣比例控制，存在動作滯后和比例不準確的現象，應采用更高質量的閥控組件。

2） 采用節流調速，系統產生的熱量較大，應保證散熱措施有效。

3） 采用電氣液傳動控制方式，管線種類太多，不便檢修。應將各類管線分類、合理布置與安裝，并做好標記。

4） 液壓站采用多個壓力和流量回路組合，控制復雜，液壓管線多，對運行和管理帶來不便，應建立統一的液壓回路。

5 結論

1） ZJ20DBX型斜井鉆機的成功開發，把液壓系統的設計及在鉆機驅動與控制中的應用提高到了新的水平，也為今后同類產品的設計做出了積極的探索。

2） 鉆機所采用的電、液綜合應用模式對現有液壓或常規鉆機鉆具處理系統的更新改造提供了有益的參考。

3） 對斜井鉆機這種載荷變化大、流量變化大、任務多的液壓控制系統，建議選取相同規格的負荷傳感泵供液模式并采用電控模式的負荷敏感壓力補償系統。這樣可以有效降低系統的復雜性，提高鉆機操控性能，便于維護管理。

［1］ 王學義，黃悅華，賴笑輝.海洋鉆井用旋轉支撐轉盤液壓傳動設計［J］.石油礦場機械，2011，40（5）：53－56.

［2］ 石美玉，楊國家，李富平，等.海洋鉆機鉆桿自動排放系統控制方案設計［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：41－44.

［3］ 雷天覺.新編液壓工程手冊［K］.北京：北京理工大學出版社，1998.

Design of Hydraulic System for ZJ20DBX Inclined Well Drilling Rig

WANG Xue－yi1，TAHG You－sheng2，ZHANG Yong－ze1，SUN Juan1，MAO Yu－zhuo1，QIAO Xiao－feng1
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.Chuanqing Drilling Engineering Company Limited International Ltd.，Chengdu610051，China）

The Hydraulic system as an important part on ZJ20DBX.The open circuit is adopted in order to drive and control the Mechanical Arm，Pull Down unit，Hydraulic Winches，Tong Assembly，Slip Back－up and Centralizer，Deadline Winch，Hydraulic Crane，Mast Lifting Unit，Mast Extending and Retracting Cylinders，Drill Floor Lifting device，Cathead Cylinders and Pipe Rack Leveling Cylinders，etc.So the automatic level will be improved effectively.

inclined well drilling rig；hydraulic system；control；test；improve

1001－3482（2012）11－0035－04

TE922

A

2012－05－28

王學義（1964－），男，陜西寶雞人，工程師，主要從事石油機械設計與研究，E－mail：wxy343＠163.com。