石油鉆井獨立機泵組剎車裝置研究與應用

毛建偉，楊保良，鄭 雄

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川遂寧 629000）

0 引言

在石油天然氣鉆井作業中，柴油機泥漿泵是重要的鉆井動力裝備，為井下鉆頭提供源源不斷的鉆井液。其中獨立機泵組因為結構簡單、安裝方便、動力強勁等優勢，在石油天然氣鉆井作業中應用十分廣泛。石油鉆井現場普遍采用175 系列柴油機組通過YOTZJ875液力偶合器帶動泥漿泵運轉。在獨立機泵組運行時，由柴油機組提供動力，通過偶合器帶動泥漿泵把鉆井液加壓后泵入井筒。因為YOTZJ875 液力偶合器充油閥從開始動作到完全切斷柴油機動力輸出，泥漿泵停止運轉，需要經過一定的延遲時間，導致因井下復雜情況需要立即關井時，泥漿泵繼續向井筒內部泵入泥漿，究其原因是由于偶合器充油閥從開始動作到完全切斷動力輸出需要很長的時間，這會對井下和人身安全造成較大威脅。

1 停泵延時原因

石油鉆井現場配套的獨立機泵組，普遍采用175 系列柴油機通過YOTZJ875 液力偶合器帶動泥漿泵運轉（圖1）。其中柴油機負責提供動力，液力偶合器將柴油機組的機械能柔性傳遞給泥漿泵，泥漿泵將機械能轉換為鉆井液的動能泵入井筒。

圖1 獨立機泵組布局

液力偶合器是以液力傳動油為介質，柔性傳遞功率的一種液力傳動裝置，它安裝在柴油機組與泥漿泵之間，主要由泵輪、渦輪、轉動外殼、輸入軸、輸出軸、充油閥、大小傳動齒輪、主油泵、輔助油泵等組成。液力偶合器通過充油閥來調節工作油腔的油量變化，以實現偶合器的調速功能。由于偶合器工作油腔的油量變化需要一定的時間才能完成（20～60 s），所以在充油閥接到停泵指令時泥漿泵需要約1 min 時間才能完全停止。

2 解決方案

為了解決上述問題，縮短停泵時間，給出以下3 種方案。

2.1 增加剎車裝置

經過現場調研，建議通過在偶合器輸出端加裝通風型氣胎式離合器改造而成的剎車裝置來進行剎車。柴油機組輸出扭矩為：

式中 Ttq——柴油機輸出扭矩，N·m

Pe——柴油機有效功率，kW

N——柴油機輸出轉速，r/min

可以得出Ttq=8700～13 000 N·m

YOTZJ875 液力偶合器齒輪減速比2.52，可以得出液力耦合器輸出扭矩T=21 924～32 760 N·m。

通過查詢通風型氣胎式離合器參數，決定采用LT600/250型通風型氣胎式離合器，該離合器極限扭矩32 200～46 710 N·m，滿足實際需求。

增加剎車裝置后的布局如圖2 所示。

圖2 增設剎車后的布局

實際改造中，需要將氣胎式離合器鋼轂套在偶合器輸出軸上，離合器殼體（含氣囊、摩擦片等）通過支架固定在偶合器底座上。當三位四通氣控閥置于左位“合泵”位時，控制氣路接通偶合器充油閥，此時離合器氣囊處于放氣狀態，摩擦片和鋼轂分離，偶合器正常運轉，柴油機動力傳輸至泥漿泵，泥漿泵運轉；當三位四通氣控閥置于中位“停泵”位時，偶合器充油閥斷氣，逐步切斷柴油機動力，泥漿泵慢速停泵；當三位四通氣控閥置于右位“剎車”位時，控制氣路打開繼氣器，主氣路對離合器氣囊進行快速充氣，短時間內使離合器摩擦片抱緊鋼轂，達到剎車并快速停泵的目的，具體結構如圖3 所示。

圖3 剎車結構原理

優點：①結構簡單，只需在偶合器輸出端加裝離合器；②費用較低。

缺點：①司鉆給出停泵指令后，充填在偶合器工作腔內的工作液體逐漸排出，這個過程中動力機組仍會持續輸出動力，此時進行剎車操作，離合器需承受旋轉慣性和柴油機持續輸出動力的雙重沖擊，易造成離合器嚴重損壞，這與轉盤慣剎只消耗慣性力有本質的區別；②市面的標件離合器不足以承受上述雙重沖擊，需要定制LT600/250 離合器外殼和鋼轂（標件與偶合器連接不匹配）；③偶合器輸出端結構變化，會對偶合器輸出軸軸承壽命產生一定的影響。

2.2 增加離合器與傳動箱

通過在偶合器和泥漿泵帶泵萬向軸之間增加LT800/250 型通風型氣胎式離合器和傳動箱（傳動比1:3）來及時斷開動力輸入進行剎車，增設離合器及傳動箱后的布局結構如圖4 所示。

圖4 增設離合器及傳動箱后的布局結構

將氣胎式離合器鋼轂套在偶合器輸出軸上，離合器殼體（含氣囊、摩擦片等）固定在傳動箱輸入軸上，工作時氣囊處于充氣狀態，摩擦片和鋼轂貼合，可順利將偶合器傳出的動力輸入到泥漿泵，當井下復雜情況需要停泵時，及時將柴油機調至怠速，然后對偶合器充油閥、LT800/250 離合器（加裝）氣囊進行放氣，短時間內使離合器摩擦片與鋼轂分離，達到分離動力從而停泵的目的。

優點：是通過分離動力的方式進行停泵，安全性比方案一高。

缺點：①為了與偶合器輸出軸匹配，需定制鋼轂并采購標件殼體（含氣囊、摩擦片等）；②若需大規模改造，需采購離合器與傳動箱，成本比方案一高；③因增加了離合器（長×寬×高=1100 mm×550 mm×1300 mm）和傳動箱（長×寬×高=1850 mm×580 mm×1200 mm，軸間距1000 mm），現有的獨立機泵組底座需加長1.5 m，加寬0.5 m，在不移動泥漿泵的情況下，動力機組及偶合器整體需向后場方向移動1.5 m，向井場左側移動1 m，根據現場測量，井場左側存在可移動的臨時堆場（圖5），對改造現場井場布局有要求。

圖5 改造前后布局對比

費用及周期：該方案需要進行定制傳動箱和離合器、改造原柴油機底座、改造氣路、現場安裝調試等工作，預計改造費用25萬元，預計前期備料及改造周期6 個月。

2.3 停柴油機

在不增加、不改造其他設備的情況下通過停柴油機來停泵，即通過停止動力輸入的方式來代替以前的偶合器緩慢分離動力的方式。司鉆遠程對柴油機進行降速至怠速操作（轉速降至怠速需要15 s 左右）的同時，進行偶合器充油閥放氣操作，并同時向柴油司機發出停車指令，由于若在司鉆房內遠程操控柴油機停車，司鉆不能在停車時判斷柴油機實時狀態（水溫、油溫情況），同時柴油機在高速、高溫、高負荷的狀態下，緊急停車會造成柴油機設備本身的損害，設備廠家不建議在司鉆房內遠程控制緊急停車，一般在緊急情況下，由柴油司機在本地對單機泵組中的柴油機進行停車（需要10 s 左右），可縮短停泵時間至25 s 左右（未現場測試）。

優點：不需要對在用單機泵組進行改造，節約時間和資金。

缺點：需要有柴油機工在獨立機泵組附近值守；對柴油機設備本身會造成一定損害，廠家建議僅在井控或其他緊急情況下進行該操作。

3 現場應用

綜合3 個改造方案，通過方案優缺點對比，從經濟性、現場適應性及現場改造、試驗效果評價，建議采用第一種改造方案，對后續在用獨立機泵組進行改造。該方案已在現場試驗，試驗情況見表1，試驗結果：停泵時間滿足要求。

表1 剎車試驗工況統計

通過費用測算，改造材料、制作、安裝、調研及調試總費用約為83 500 元；若對公司剩余17 支在用獨立機泵組進行改造，需要前期現場測繪，定制一批LT600/250 氣胎式離合器外殼和鋼轂（標件與偶合器連接不匹配），同時采購常規LT600/250 氣胎式離合器其他相關配件，整個備料及加工制作周期預計2.5～3 個月（可根據井隊生產安排的實際情況，加工制作與現場改造工作同步進行）。

現場改造后，組織現場機房操作人員、司鉆、大班、設備管理負責人等進行獨立機泵組改造后的操作、安全風險等相關培訓，并做好培訓記錄。

公司相關部門負責修訂《獨立機泵組使用管理規定》《獨立機泵組安全操作規程》，特別對獨立機泵組的安裝、操作、使用及緊急情況下的應急處置等內容進行修訂，并要求配置獨立機泵組的鉆井隊，定期進行應急停泵演練并做好相關的書面記錄。對計劃改造井隊、改造前進行設備變更申請審批，嚴格執行設備變更管理，設備變更的相關管理職責、管理要求、風險防控以及審核審批程序，按照《設備變更管理規范》要求落實執行。

4 結束語

剎車裝置結構簡單，便于加工制造。只需要通過三位四通氣控閥操作，便可實現泥漿泵的啟、停、剎車，使用方便。利用離合器，氣控閥等氣動設備，安全可靠。生產成本低，具有較好的經濟性和應用前景。