變頻直驅技術在鉆井裝備領域的應用研究

張增年，陳剛，馮旭驊，羅巍，張洪，沈凡兒

（1.中國石油集團 川慶鉆探工程有限公司，成都 610056；2.西安寶美電氣工業有限公司，西安 710065；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，成都 610057）

0 引言

近年來，隨著國家加大非常規能源的開發力度，鉆井技術向水平段長、精準導向、極限鉆井方向發展，提出了鉆井周期短、成本壓力大、專業技能要求高等新要求。開發具有傳動型式簡單、運行維護成本低、鉆井作業效率高、現場人員技能要求低、設備可靠性高的變頻直驅設備成為技術發展方向。

1 變頻直驅技術在鉆井裝備領域現狀

1.1 直驅頂驅技術現狀

頂驅裝置自1982年問世以來，經過30多年不斷改進和開發，已在海洋和陸地多種鉆井裝備上得到了推廣和應用[1-4]。直驅頂驅是由電動機直接驅動頂驅主軸鉆進，實現無減速箱裝置和齒輪潤滑及冷卻過濾系統，整體結構簡單，模塊化程度高，具有尺寸小、質量輕、傳動效率高、可靠性高、維修方便、過載能力強、適應范圍寬等優點[5]。

2009年3月，遼河天意完成國內首臺DQ-30LHTY-Z直驅頂驅的樣機裝配和各項調試試驗工作。繼天意直驅頂驅后，四川宏華成功研制生產了DQ150-750系列直驅頂驅（如圖1），從2014年第一臺在俄羅斯投入使用以來，已生產直驅頂驅200多臺。2016年，寶石機械生產的DQ30DBZ直驅頂驅開始在大慶油田現場使用（如圖2）。

圖1 宏華直驅頂驅

圖2 寶石直驅頂驅

直驅頂驅具有整體結構簡單、模塊化程度高、尺寸小、質量輕、傳動效率高、可靠性高的優點[5]。

1.2 直驅絞車技術現狀

交流變頻絞車是國外20世紀90年代所發展起來的一種先進的電驅動絞車。20世紀90年代后期，國內交流變頻絞車借石油鉆采裝備的更新之潮，取得了較快的發展。相比于直流電動絞車，交流變頻絞車具有體積小、質量輕、故障少、維護方便、寬頻無級調速等優點，尤其能夠以極低的速度恒轉矩輸出，易實現自動送鉆，對提高鉆井時效、優化鉆井工藝、處理井下事故等十分有利[6]，使之成為當今最受青睞的絞車。為進一步簡化絞車結構、提高傳動效率、方便移運，直驅絞車被廣泛采用。

2011年，1500 m直驅絞車在大慶鉆探開始使用，已累計應用20臺，該絞車取消了原絞車的齒輪傳動箱，采用1臺320 kW交流變頻異步電動機直接驅動絞車滾筒，傳動效率比常規絞車提高10%左右[7]。

寶石機械西安寶美研制的5000 m、7000 m、9000 m直驅絞車2019年陸續開始在油田進行鉆井作業，四川宏華研制的5000 m直驅絞車2018年3月開始現場作業，如圖3、圖4所示。

圖3 寶石JC70DBZ直驅絞車

圖4 宏華JC50DBZ直驅絞車

直驅絞車整體性能穩定，集成化程度高，結構簡單，維護保養簡單，滿足油田鉆井作業各種工況的要求。

1.3 直驅泥漿泵技術現狀

目前，鉆機的電動泵組采用電動機+皮帶或鏈條傳動方式為主，存在以下問題：泵組質量大、體積大，不利于搬運；傳動鏈長，傳動效率較低；功率損耗大，傳動環節有易損件，維護成本高及電動機規格多，備件管理困難。國內主要鉆井設備制造商開展了泥漿泵直驅技術的研究，目前市場產品成功應用的有：四川宏華自主研發了單電動機直驅的HH-1600直驅泥漿泵（如圖5）；2015年3月，WF-2000HL直驅泥漿泵開始在川慶鉆探威204-H9-1/2/3平臺井位進行作業，該直驅泵采用2臺850 kW直驅電動機，左右布置，截止目前已可靠運行近5 a時間；寶石機械西安寶美研制的系列直驅泥漿泵電動機已配套泵組近300臺（如圖6），從2017年6月開始陸續在現場使用，應用情況良好。

圖5 宏華直驅泥漿泵

圖6 寶石直驅泥漿泵

直驅泥漿泵技術先進，結構簡單，維護保養少，滿足油田鉆井作業各種工況的要求。

1.4 直驅轉盤技術現狀

轉盤直驅技術結構簡單，應用較廣泛，國內各個配套廠家均有研制，由于目前應用頂驅作業較多，直驅轉盤作業應用較少。近年來，西安寶美研制了5000～9000 m鉆機配套的ZP375/ZP375Z直驅轉盤，均采用1臺600 kW交流變頻異步電動機通過萬向軸直接驅動，標準化程度高，應用可靠。

圖7 寶石直驅轉盤

2 變頻直驅技術特點

2.1 優化鉆井工藝

2.1.1 提升起下鉆效率

直驅絞車根據鉤載、鉤速動態調節加減速時間，實現6～10 s智能調整。達到絞車控制高效穩定、快速、安全的控制效果。提高了絞車起下鉆作業效率，提升了鉆井效率。

2.1.2 提高鉆井安全性

直驅絞車集成盤剎系統，液壓站及控制系統與絞車一體設計，縮短剎車氣路和液路管線長度，剎車響應時間短，提高系統安全性。根據現場實測，直驅絞車駐車制動和緊急制動時間比常規絞車縮短0.1 s，防碰（電控）制動時間比常規絞車縮短近1 s。測試數據如表1所示。

表1 直驅絞車與常規絞車剎車響應時間

2.1.3 提高復雜井作業能力

直驅絞車采用主電動機自動送鉆，送鉆速度快，可在一開作業或較好地質層時通過自動送鉆進行作業，提高作業井深質量。在恒鉆壓和恒鉆速兩種模式上，增加恒泵壓和恒轉矩兩種送鉆模式，并通過“一主三從”控制技術實現復合送鉆。直驅泵無皮帶傳動，在鉆井過程中泵沖波動更小，泵沖波動＜0.1 min-1，排量和鉆壓更穩定，更適應于螺桿鉆進或水平定向鉆進作業。直驅頂驅無齒輪減速箱，無傳動環節，頂驅轉矩檢測和速度給定更快速。

2.2 提升鉆井裝備技術水平

1）提高產品輕量化技術水平。直驅絞車取消了傳統絞車的齒輪減速箱、自動送鉆系統及機油潤滑系統，對絞車底座、絞車護罩、盤剎液壓站和電動機均進行了輕量化設計。直驅泵組取消了常規電動泵組的皮帶傳動系統或鏈條傳動系統，并對電動機進行了輕量化設計，與常規泵組尺寸、質量對比如表2所示。

表2 7000 m直驅絞車與常規絞車尺寸、質量

直驅泵組取消了常規電動泵組的皮帶傳動系統或鏈條傳動系統，電動機直接安裝在泥漿泵殼體上，長度尺寸比常規泵組縮短2 m，質量減輕5～7 t。

2）提高設備集成化水平。直驅絞車的盤剎系統、控制系統、檢測系統、絞車相關部件及功能都集成在絞車上，模塊化程度更高。直驅頂驅的重心位于主軸中心上，不偏重，避免了偏心造成的應力集中影響，有效延長接頭的使用壽命，同時兼具旋轉定位、軟轉矩等新型控制系統，提高鉆井時效。

3）提高鉆機整體設計水平。直驅絞車尺寸小、質量輕，可放置在鉆臺面，方便鉆機整體布局。直驅頂驅外形尺寸小，對井架開襠尺寸要求低，方便進行井架設計。直驅泥漿泵組長度尺寸縮短近2 m，鉆機整體布局時可縮短井場占地面積。

2.3 節約鉆井成本

1）降低作業成本。直驅絞車傳動效率提高6.3%，直驅泵傳動效率提高5.2%，直驅頂驅傳動效率提高6%，直驅轉盤傳動效率提高4%。直驅絞車采用智能速度環算法控制，縮短提升下放時間12.3%。2）節約搬遷成本。直驅絞車和直驅泥漿泵單體設備質量輕，模塊化程度高，搬家時減少現場拆裝工作、設備運輸車次、吊車占用時間。3）節約維護成本。直驅絞車、轉盤、頂驅取消了齒輪和鏈條潤滑，直驅泥漿泵取消了傳動皮帶。4）減少資金占用。常規鉆機需要儲備的電動機種類超過15種，直驅設備標準化程度高，直驅鉆機僅需要儲備8種電動機。每年減少資金占用500多萬元。

2.4 方便設備管理

1）提高設備管理水平。通過設備信息化管理系統對采集的信息進行數據分析，及時做出故障分析、預警、診斷，方便現場人員進行維護和故障排除，實現實時監控，提高設備管理水平。2）降低維護工作量。直驅絞車、直驅轉盤和直驅頂驅傳動鏈簡單，無機油潤滑系統，直驅泵無皮帶傳動，維護保養點少，現場維護工作量小。3）易損件少，備件管理方便。直驅設備傳動結構簡單，易損件數量比常規減少30%以上，且產品標準化后，易損件共享，備件管理方便。

2.5 節能環保

1）減少碳排放。直驅設備平均提高傳動效率6%以上，降低作業能耗，減少碳排放。2）降低設備噪聲。直驅設備噪聲低，據作業現場實際測量，直驅絞車較常規絞車降低5～10 dB(A)，直驅泵較常規泵降低3～5 dB(A)。3）減少潤滑油污染。直驅設備無齒輪/鏈條減速箱，減少了機油潤滑系統，無油污污染。

3 結論

直驅技術是一種設計理念先進、設備性能完善、質量穩定、可靠性高的新型鉆井裝備技術。其簡化了設備結構型式，提高了鉆井效率，優化了鉆井工藝，降低了鉆井成本，維護保養方便，便于設備管理，更加環保。直驅鉆井裝備的研究和應用，對現有機械化鉆井設備的更新換代起到積極的推動作用，為新鉆井裝備的信息化和智能化奠定了良好的基礎，是石油鉆井裝備的發展方向。本文針對直驅技術的未來發展提出以下建議：1）進一步降低直驅電動機噪聲。頂驅直驅電動機噪聲較高，進一步優化直驅電動機的冷卻風道，優化吸風口和出風口結構，降低直驅電動機噪聲。2）進一步降低直驅設備成本。直驅設備的結構簡單，易形成系列化和標準化，通過標準化實現批量生產，從而降低直驅裝備的制造成本。3）開拓海洋和國際市場。直驅鉆井裝備尺寸小、質量輕，特別適用于海洋平臺鉆機。國外直驅鉆井裝備發展較緩慢，仍停留在常規鉆井裝備技術上。將直驅鉆井裝備應用于海洋和國際市場，將提高中國鉆井裝備在國際高端市場的競爭力。