ZJ50JDB 鉆機升級改造與應用

方永春

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依 834009）

0 引言

ZJ50JDB 復合鉆機是為適應井控要求，將原ZJ50 機械鉆機底座由7.5 m 提升到9 m，為簡化動力傳遞將轉盤單獨由600 kW 交流變頻電機驅動，并車系統和絞車、泥漿泵驅動與ZJ50機械鉆機相同，均采用3 臺PZ12V190 柴油機為動力，通過皮帶或鏈條并車后驅動1500 HP 低位絞車和1300 HP 泥漿泵，這種方式傳動系統結構復雜、傳動效率低，由于采用柴油機為動力，燃油效率低，損耗大，噪聲高，作業成本高，且無法滿足現代鉆井工藝所需要的“大排量、高泵壓、大扭矩、大鉆壓、高轉速”提速、提效等強化參數要求，針對ZJ50JDB 鉆機的問題，結合交流變頻驅動的成熟技術和公司服務油區工業電網相對發達的特點，對ZJ50JDB 鉆機升級改造，以滿足鉆井工藝要求，實現提速、提效目標。

1 ZJ50JDB 鉆機改造方案分析

1.1 ZJ50JDB 鉆機改造原因

ZJ50JDB 鉆機的傳動方式和配置方案主要存在以下問題：①搬安拆卸、安裝工作量大，效率低，維護運行成本高；②無法滿足特殊工藝井強化鉆井參數對配置的設備及動力的要求；③由于使用柴油機，產生的廢機油、排放的尾氣、產生的噪聲污染井場及周邊環境，無法適應環保新要求。

1.2 ZJ50JDB 鉆機改造原則

①機械部分改造盡可能利用原有設備，控制改造成本；②電驅動電源以用工業網電為主，如沒有工業網電，采用動力發電外包，采用成熟的交流變頻技術，提高傳動效率，改善設備性能；③進行模塊化改造，利于拆裝搬安作業。

1.3 ZJ50JDB 鉆機總體改造方案

ZJ50JDB 鉆機總體改造方案是將原柴油機動力經聯動機并車后統一驅動絞車、泥漿泵的模式，改造成由600 V、50 Hz 外接電源（工業網電、或發電機供電）提供，經VFD 房變頻后輸出頻率可控的交流電分別驅動絞車、轉盤、泥漿泵的交流變頻電機，實現根據鉆井工藝需要靈活調整交流變頻電機參數對鉆井工藝參數要求的分組驅動方式。

1.4 ZJ50JDB 具體方案

1.4.1 ZJ50JDB 鉆機絞車傳動改造方案

利用原鉆機絞車，絞車內部傳動不改變，配1 臺1000 kW交流變頻電機，通過交流變頻電機與原鉆機偶合減速箱連接經外置鏈箱驅動絞車。改造方案如圖1 所示。

1.4.2 ZJ50 機械鉆機泥漿泵改造方案

為滿足鉆井工藝高泵壓、大排量對泥漿泵的要求，增大泥漿泵的功率，將原鉆機所配備的1300 HP 的泥漿泵更換為1600 HP 泥漿泵，取消原并車箱和柴油機，將1600 HP 泥漿泵采用直接由雙600 kW 的交流變頻電機直接驅動直驅泵組方案。方案如圖2 所示。

1.4.3 ZJ50 機械鉆機其余部件改造方案

（1）后臺改造。保留1#機組位置，重新制作底座，用于鏈條箱和絞車電機的安裝。1#機組底座改造成配重水箱，滿足井架起升要求。去掉原2#、3#機動力組后臺及并車箱后臺。

（2）司鉆控制系統改造。對原司鉆房操作系統進行升級，實現司鉆對絞車、轉盤和泥漿泵的集中控制操作。新增電控系統房1 套，電控系統采用600 V、50 Hz 供電，通過房內的進線柜（含斷路器）引入系統，同時房內提供1 臺1600 kV·A 600/400 V 變壓器，為系統和原鉆機電控房提供400 V 輔助配電系統；600 V 電源用于轉盤、泥漿泵和絞車傳動箱交流變頻電機的驅動。系統采用SIEMENS G150 系列全數字矢量控制交流變頻調速裝置，包括絞車變頻控制系統、轉盤、泥漿泵變頻控制系統和PLC 系統。由3 套變頻單元控制5 臺交流變頻電動機（絞車用1 臺1000 kW，2 套泥漿泵各用2 臺600 kW 交流變頻電動機），拖動性能滿足絞車、泥漿泵的工作要求。變頻控制系統采用SIEMENS S7-1500 PLC的PROFIBUS-DP 通信控制加BYPASS 的旁路控制方案，確保控制的可靠性和冗余性。系統配備3 相400 V、50 Hz、2000 A 電源接口給原鉆機電控系統進行供電。

2 現場試驗使用情況

由于克拉瑪依鉆井公司于2017年底使用ZJ50JDB 鉆機在吉木薩爾致密油JHW037 從事鉆井施工作業，該井設計井深4066.17 m，水平段長1201.64 m，在大位移水平井鉆井施工過程中，井眼清潔是難點，要求循環系統在滿足鉆井工藝要求的泵壓的前提下，泥漿排量應滿足水平段鉆具環空泥漿流速，保證攜砂能力，由于原配套鉆機所使用泥漿泵為F1300；驅動方式由柴油機經皮帶傳動并車驅動，在水平段1000 m 左右，由于較高的泵壓和要求的排量造成該鉆機循環系統超負荷運行，驅動皮帶拉長、打滑，柴油機高溫運行，造成該井遇阻頻繁劃眼，完成該井的鉆井周期75.23 d。2018年初對該鉆機進行升級改造后上鉆JHW035 井，由于2 臺使用600 kW 交流變頻電機驅動1600 HP 泥漿泵，泵壓和排量均滿足鉆井工藝要求，杜絕了提、下遇阻、遇卡等復雜，鉆井周期52 d，鉆井周期大幅縮短。目前克拉瑪依鉆井公司已采用該方案改造ZJ50JDB 鉆機5 臺，通過近2 a 的現場的鉆井實踐表明，將ZJ50JDB 鉆機升級改造為ZJ50DB 交流變頻電驅動鉆機后，能充分適應大位移水平井等特殊工藝井強化參數的要求，實現鉆井大提速目標。同時使用升級的ZJ50DB 鉆機經濟效益顯著，50596 隊改造前在JHW037 井每鉆機臺月消耗柴油112 t。改造后使用工業電網，每臺月累計耗電472 803 度，兩者對比，僅節約油電差價每臺月5 萬元左右，同時可節約使用聯動機、柴油機消耗的潤滑油、防凍液、三濾等維護費用、修理費用及人工等間接費用每年20 多萬元，實現年節約成本80 萬元左右。

3 結束語

升級改造后的ZJ50DB 鉆機維護簡便，拆卸方便、安裝工作量和搬家車次減少，杜絕了柴油機及傳動系統跑、冒、滴、漏現象，減少了環境污染。運轉平穩，振動小、噪聲低，凈化鉆井現場工作環境，順應節能減排的發展要求，同時鉆機性能極大提升，適應現代鉆井“高泵壓、大排量、高轉速、大鉆壓、大扭矩”強化鉆井參數的激進式鉆井工藝要求。滿足井下旋轉導向、螺桿、及扭力沖擊等各種定向、提速工具承鉆各種特殊工藝井、復雜井的鉆井工藝需要，提速、提效成果顯著。

圖1 1000 kW 交流變頻電機驅動JC50B 絞車原理

圖2 F1600 交流變頻直驅泥漿泵驅動原理