電驅動測調聯動測試絞車設計及選型計算

李志宏 馬陸杰 張軍帥 王蕾

摘 要：本文根據油田水井測試實際工況的需求，設計開發了一款新型的變頻電驅動測調聯動測井絞車。通過對測調聯動絞車結構參數、動力性能、重要件性能的系統性設計及計算，確定了絞車的主要設計參數，校核了絞車的運行及承載能力，校核結果顯示，設計結果完全滿足設計要求。為進行類似絞車設計提供了相關的設計計算參考。

關鍵詞：測調聯動 變頻電驅動 測試絞車 動力性能

中圖分類號：TE93 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（a）-0084-04

Abstract： One logging winch driving by electric has been designed and calculated according to the actual working conditions in this paper. Through systematic designing and calculating of the structural parameters， dynamic performance and important parts performance of the winch， the main design parameters of the winch has been determined； The operation and bearing capacity of the has been checked also. The results of the check show that the design results fully meet the design requirements. It provides a reference for similar winch design.

Key Words： Testing and adjusting； VVVF drive； Logging winch； Dynamic performance

據調研，國內油田為增加原油產量，在油田測試作業中廣泛采用了油井注水增壓工藝，該類工藝需要油井試井車和測井車兩車配合、聯動作業才能達到施工要求[1]。油田為降低采購成本，同時，滿足“聯動作業”的井場需求，要求試井車能夠一車兩用，使井下測試與井下注水調配一次性完成。因此，具有測調聯動功能的試井車裝備在油田測試領域具有廣泛市場需求以及研究改進的價值。

同時，在國家大力提倡節能環保概念的背景下，試井絞車作為測調聯動試井車中的驅動機構仍采用傳統液壓動力驅動形式實現鋼絲的起下動作。液壓試井車存在著系統復雜、管線接頭滲漏、故障排除困難，廢舊油液污染環境等問題[2]。

本文將根據油田實際工況需求，設計開發一款新型環保的電驅動測調聯動測試絞車。通過對測調聯動絞車結構參數、動力性能、重要件性能的系統性設計及計算，確定絞車主要結構設計參數，校核絞車運行及承載能力等。

1 電驅動聯動絞車結構設計計算

本文設計的電驅動測調聯動試井絞車立用油田井場電力來驅動試井絞車，電纜滾筒和鋼絲滾筒同軸布置，兩滾筒獨立工作[3]。

根據油田工況需求，確定聯動絞車設計的主要技術指標，如滾筒同軸布置：兩滾筒可獨立工作，具有動力切換裝置；滾筒容繩量：電纜滾筒φ3.2mm×6000m，鋼絲滾筒φ2.4mm×6000m；絞車提升能力：最大提升能力10kN；井下儀器重量約300kg；絞車上提及下放速度范圍：低速低于250m/h，高速8000m/h等。為滿足以上設計要求，本文將對絞車布置形式、滾筒結構、動力校核等進行設計選型及計算分析。

1.1 絞車布置形式

根據對以往測試聯動絞車的研究發現，聯動試井絞車的滾筒與動力機構（馬達及減速箱）布置及傳動形式可以分為兩類[4]：（1）動力機構與絞車滾筒并聯連接，如圖1所示；（2）動力機構與絞車滾筒直連連接，如圖2所示。

并聯式與直連式布置及傳動形式相比，具有結構緊湊、布置合理、檢修方便等優點；相比之下，直連式布置方式占據的橫向空間較大，絞車的液壓馬達、減速機及滾筒串聯連接，檢修及更換配件非常困難[5]。因此，本次設計的電驅動測試絞車選擇并聯式的布置及傳動方式，根據以往并聯式聯動絞車布置經驗，可得到電驅動測試絞車的結構簡圖，見圖3。

1.2 結構及動力參數計算

1.2.1 系統功率計算

根據油田用戶對測調聯動絞車技術參數的要求，絞車在提升及下放鋼絲或電纜的工況中具有兩種重要的工況要求。工況1，滾筒底徑出繩：最小出繩速度250m/h，最大拉力10kN；工況2，滾筒大徑出繩：出繩速度8000m/h，拉力0.3kN。

（1）

其中，P為計算功率，F為載荷拉力，V拉力瞬時速度。將上述工況1、工況2的主要參數帶入式⑴，計算得到工況1所需功率P1=5.5kW，工況2所需功率P2=6.6kW。

根據系統所需功率，可初選電機功率為7.5kW，額定轉速1500r/min，額定扭矩約45N·M。本系統選用變頻器進行電機調速，所選電機的調速范圍滿足需滿足在5Hz到100Hz變頻調速的要求，其中5～50Hz調速為恒扭矩調速，50～100Hz時為橫功率調速。

1.2.2 絞車底徑計算

滾筒底徑直徑D0，由鋼絲或電纜自身的最小纏繞直徑dmin決定，其中，滾筒底徑必須滿足D0≥鋼絲或電纜自身的最小纏繞直徑dmin，即，D0≥dmin。

其中，本次設計電纜直徑d01=3.2mm，其最小纏繞直徑d01min=340mm；本次設計鋼絲直徑d02=2.4mm，其最小纏繞直徑d02min=294mm；所以，本次設計的電纜滾筒的底徑D0電≥340mm，鋼絲滾筒的底徑D0鋼≥294mm[6]。為節約成本，使鋼絲滾筒與電纜滾筒同時加工備料，確定電纜及鋼絲滾筒的最小纏繞直徑D0=346mm≥d01min>d02min，滿足電纜使用要求。

1.2.3 傳動速比計算

由技術參數要求可知，滾筒小徑排繩時需提供最大拉力Fmax=10kN，此時滾筒端所產生的扭矩T0為：

= 1730（N·M）

由于測試井工況需要在5～50Hz之間調速需要電機可以保持恒扭矩狀態，所以此時電機端產生的扭矩等于電機的額定扭矩N額定=45N·M，進而，初算傳動比I總。

=1730÷45=38.5

滾筒小徑D0，且變頻控制器輸出控制頻率為最低5Hz時，滾筒轉速及絞車出繩速度具有最小值Vmin。

=1500×5/50/38.5≈254（m/h）

Pmin=5Hz（電機變頻最小頻率）

為滿足設計要求，將最小出繩速度比降低至250m/h以下，將電機與滾筒之間的中間速比調整至40，這時有：

=1500×5/50/40=244.5（m/h）<250（m/h）

滿足絞車出繩速度的低速要求。

1.2.4 滾筒大徑及擋板開檔計算

根據設計參數要求，滾筒大徑D、滾筒容量（最大6000m）、滾筒開檔B以及絞車最大出繩速度Vmax之間有如下關系，

（2）

（3）

其中，A=6000m，為滾筒容繩量；n為滾筒鐵絲或電纜纏繞層數；CO=0.85，為纏繞常數；B為滾筒開檔；DO=346mm，為滾筒底徑；D為滾筒大徑；do=2.4mm或3.2mm，為鋼絲或電纜直徑。

根據式（3）可得到，排繩容量6000時擋板大徑與寬度關系曲線，如圖4所示，擋板大徑與擋板寬度成反比例曲線關系；擋板寬度與出繩速度之間的關系曲線，如圖5所示，擋板寬度與出繩速度呈現正比例曲線關系。

由關系曲線圖4及圖5綜合計算后，可確定滾筒擋板大徑D=640m，對應的電纜滾筒開檔為B1=307mm，B2=173mm，鋼絲滾筒開檔為，此時，當變頻電機轉速N電=2850r/min（變頻器輸出約95Hz），V繩具在滾筒擋板最大直徑D處具有最大出繩速度，考慮機械傳動效率 =0.9，計算得到最大出繩速度。

=8161m/h ⑷

1.2.5 減速比分配

由系統總速比I總=I減速機i鏈=40，選取減速機I減速機=16，計算得到鏈輪速比：i鏈=2.5。這時將鏈輪齒數進行合理分配：大鏈輪：Z1=63齒，小鏈輪：Z2=25齒；實際鏈輪速比i鏈= 2.52，計算得到實際總速比I總=40.32；總傳動效率=0.9。此時，在滾筒擋板大徑D=640mm處，具有絞車出繩的最大速度V繩=8096m/h≥8000m/h，滿足設計要求。

1.3 設計參數整理與校核計算

1.3.1 絞車校核

由以上計算結果，得到絞車滾筒最終的幾何參數（見表1）。

根據公司之前絞車滾筒的設計經驗，在同聯動測試車滾筒幾何參數、滾筒材料、加工工藝等要求一致的情況下，公司所生產的兩款同類型絞車滾筒，其設計載荷拉力為15kN，該絞車按行業標準進行載荷實驗時滿足設計需求，未出現由于強度原因引起的絞車故障。類比本次設計，聯動測井車所設計的鋼絲滾筒及電纜滾筒強度完全滿足10kN的載荷拉力。

1.3.2 系統外購件或標準件選型

其中主要包括變頻電機及變頻器、減速機、絞車滾筒軸承座、傳動鏈輪等校核。

由表2、表3、表4可知，測調聯動測試絞車設計中所選的變頻電機、變頻器、減速機、絞車滾筒軸承座、傳動鏈及鏈輪等關鍵部件的性能參數及載荷強度均能滿足設計要求。

2 結語

本文將根據油田實際工況需求，設計開發了一款應用變頻電驅動測調聯動測試絞車。對測調聯動絞車結構布置形式、動力性能、重要件性能進行了設計計算，并校核驗證了電驅動測調聯動絞車運行及承載能力，本次設計完全滿足設計需求，測試絞車載荷性能安全可靠。本次設計也為進行類似絞車系統的開發設計提供了相應的參考。

參考文獻

[1] 劉永勝.注水井分層智能聯動調配系統[J].石油儀器，2007（1）.

[2] 李瑞斌.液壓驅動作業絞車設計及其工作性能研究[D].大慶石油學院，2008.

[3] 樊祥娟.雙滾筒測調聯動測試車起升系統與控制系統設計[D].大慶石油學院，2009.

[4] 王亞娟.多井聯動排采設備鋼絲繩力學性能分析[D]. 西安石油大學，2015.

[5] 韓強.注水井測調一體化的研制與推廣應用[D].中國石油大學（華東），2013.

[6] 山特維克.測試井電纜及鋼絲使用手冊[Z].山特維克公司，2014.