□ 田 龍 □ 周東亮

1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司 河北任丘 062552 2.河北省井控與井口設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新中心 河北任丘 062552

1 開發(fā)背景

鉆井泵屬于往復(fù)機(jī)械,其功能對鉆井作業(yè)的速度、質(zhì)量和成本有較大影響,是工程鉆探中的重要機(jī)械設(shè)備。連續(xù)油管作業(yè)中,要求泥漿泵提供流量為12 L/s,壓力高于40 MPa的流體,設(shè)備的質(zhì)量、外形尺寸、環(huán)保排放、自動化控制有嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)泥漿泵占地面積大,噪聲高,環(huán)保排放不達(dá)標(biāo),傳動效率低,不能滿足連續(xù)油管作業(yè)對泥漿泵組的要求。

榮盛公司針對以上情況,開發(fā)了RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組,最高工作壓力達(dá)到52 MPa,采用交流變頻直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動泥漿泵,傳動方式簡單、可靠,安裝、操作及維護(hù)方便,易于控制與監(jiān)測。

2 電控設(shè)計

電控系統(tǒng)原理如圖1所示。電控系統(tǒng)基于電磁兼容性制造規(guī)范進(jìn)行設(shè)計和布線,配置一臺600 V交流柴油發(fā)電機(jī)組,并配置300 kVA、600 V/400 V環(huán)氧樹脂干式變壓器,提供 400 V、50 Hz輔助電機(jī)動力電源和生活區(qū)供電。主電機(jī)采用交流變頻裝置驅(qū)動。控制系統(tǒng)采用數(shù)字通信方式,以高性能可編程序控制器為核心,利用實(shí)時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線將泥漿泵變頻柜、觸摸式操作屏組成數(shù)字化控制網(wǎng)絡(luò),由可編程序控制器進(jìn)行邏輯處理及故障診斷,并集中顯示。

電控系統(tǒng)可以在環(huán)境溫度-35 ℃～50 ℃、相對濕度不高于90%的野外惡劣環(huán)境條件下可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。電控系統(tǒng)的控制特性、操作邏輯和各種保護(hù)功能滿足鉆井泵組的工作要求和鉆井工藝的要求,采取可靠的防爆、防振、防潮、防火措施,符合安全性要求。

3 結(jié)構(gòu)

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由泥漿泵、變頻電機(jī)、電機(jī)支架、灌注管匯等組成。泥漿泵直接動力來源的變頻電機(jī)為臥式雙軸承結(jié)構(gòu)三相異步電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)子及其支架依靠球籠聯(lián)軸器連接在泥漿泵的齒輪軸上,實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接向齒輪軸傳遞轉(zhuǎn)矩。電機(jī)定子通過連接盤固定在泥漿泵底座上。風(fēng)冷電機(jī)通過導(dǎo)風(fēng)筒將冷卻氣流引入主電機(jī)內(nèi),對變頻電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

▲圖1 電控系統(tǒng)原理

▲圖2 RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組結(jié)構(gòu)

4 工作原理

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組主電源來自柴油發(fā)電機(jī),電流經(jīng)過轉(zhuǎn)換路徑提供給變頻電機(jī)。變頻電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與泥漿泵的額定輸入轉(zhuǎn)速相等,變頻電機(jī)特性曲線的恒扭矩段覆蓋泥漿泵的各個工作沖次。通過交流變頻控制單元調(diào)節(jié)變頻電機(jī)電流的輸入頻率,進(jìn)而調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以達(dá)到鉆井工藝需要的泵沖次。

泵組工作時,變頻電機(jī)帶動泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn),泥漿泵不斷重復(fù)吸入、排出泥漿,為井下鉆具提供能量。在這一過程中,泥漿泵將泥漿罐中具有一定重力、黏度的鉆井液以一定的壓力和流量輸向井底。泥漿泵傳動軸處和排出管匯上安裝有泵沖次計數(shù)器與壓力傳感器,實(shí)時監(jiān)測泥漿泵沖次和排出液壓力。

5 技術(shù)參數(shù)

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,質(zhì)量輕。主泵配置灌注增壓輔助泵,改善泵組的吸入性能。主泵缸套活塞配置冷卻噴淋泵,延長易損件壽命。配置電動強(qiáng)制潤滑油站,延長軸承和導(dǎo)板十字頭的壽命。

電機(jī)型號為YAP630-12,采用32PL型電動噴淋泵、1.5 kW潤滑油泵、30 kW灌注砂泵。泵組尺寸為5 500 mm×2 500 mm×2 830 mm,質(zhì)量為21 500 kg。

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組不僅可以滿足連續(xù)油管作業(yè)中的高壓作業(yè)要求,而且能夠滿足常規(guī)鉆和修井作業(yè)要求。

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組曲軸采用組裝式結(jié)構(gòu),材料為優(yōu)質(zhì)鍛造合金鋼,具有質(zhì)量輕、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。曲軸達(dá)到全平衡要求,使泵組運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。液力端為L型式,維修方便,承壓高。配置飛濺潤滑裝置,可以在不使用電動強(qiáng)制潤滑裝置的情況下正常工作。也可以安裝電動強(qiáng)制潤滑裝置,兩個系統(tǒng)同時工作,互不影響。

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組技術(shù)參數(shù)

6 技術(shù)特點(diǎn)比較

傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動泥漿泵采用電機(jī)后置式、側(cè)置式或頂置式布局。采用電機(jī)后置式和側(cè)置式布局的泵組,占地面積大,傳動環(huán)節(jié)多,質(zhì)量重。采用電機(jī)頂置式的泵組,需要配置專用鏈條箱、齒輪減速箱或帶輪,泵組減重效果有限。

與電機(jī)后置式和電機(jī)頂置式鉆井泵組相比,RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組的優(yōu)勢是泵組外形尺寸小,質(zhì)量減輕約15%。電機(jī)直接將動力傳遞給泥漿泵,消除中間傳動損耗,沒有帶傳動或鏈傳動所存在的徑向張緊力的影響。

7 現(xiàn)場應(yīng)用

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組如圖3所示,于2019年11月分別進(jìn)行了最大排量試驗、最大泵壓試驗和滿功率耐久性測試。聯(lián)動試驗時,使用100 mm缸套,負(fù)載壓力為41.4 MPa,泵組運(yùn)行平穩(wěn),泥漿泵液力端密封可靠。主機(jī)軸承溫升測試、導(dǎo)板間隙檢測、噪聲和振動監(jiān)測結(jié)果均符合要求,交流變頻控制單元變頻控制邏輯同樣滿足要求。

8 結(jié)束語

RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組額定壓力高,尺寸小,質(zhì)量輕,機(jī)組獨(dú)立安裝、運(yùn)移方便,適用于對設(shè)備占地面積、運(yùn)移性要求高的場所,包括連續(xù)油管作業(yè)場所、海洋平臺等。泵組配置的智能控制系統(tǒng)使用與維護(hù)方便,可靠性與穩(wěn)定性高,噪聲低,節(jié)能環(huán)保。這一輕型高壓鉆井泵組可以為用戶贏得更多的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

▲圖3 RS-QF800HL輕型高壓鉆井泵組