陳 燦，趙曉龍，于繼林，邢有為

（1.渤海裝備鉆采裝備銷(xiāo)售公司，天津 300280；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)油田礦區(qū)電網(wǎng)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，油田石油鉆機(jī)、修井機(jī)使用公共電網(wǎng)作為主要?jiǎng)恿υ闯蔀榭赡?，?qū)動(dòng)方式的改變將徹底解決以往靠柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或柴油發(fā)電機(jī)間接驅(qū)動(dòng)的油耗高、噪音大、排放污染不達(dá)標(biāo)等弊端。以一套XJ650修井機(jī)的實(shí)際改造實(shí)施試驗(yàn)為例，改造后取得了良好的節(jié)能減排效果。

1 系統(tǒng)主要改造方案

改造內(nèi)容包括動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、電驅(qū)控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)四大系統(tǒng)和輔助設(shè)備的改造。

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)。以CAT C9 發(fā)動(dòng)機(jī)為主行走動(dòng)力，通過(guò)并車(chē)分動(dòng)箱實(shí)現(xiàn)動(dòng)力切換。行駛狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)并車(chē)分動(dòng)箱動(dòng)力輸出口，由傳動(dòng)軸分配給底盤(pán)前后車(chē)橋，實(shí)現(xiàn)載車(chē)行駛。

（2）變頻電機(jī)。由電機(jī)、并車(chē)分動(dòng)箱、角傳動(dòng)箱、主滾筒、剎車(chē)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)裝置、井架和液壓、氣壓系統(tǒng)等組成。作業(yè)狀態(tài)時(shí)，變頻電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)并車(chē)分動(dòng)箱傳給車(chē)上作業(yè)部分，分動(dòng)箱動(dòng)力輸出口經(jīng)傳動(dòng)軸傳至角傳動(dòng)箱，經(jīng)鏈條傳至滾筒實(shí)現(xiàn)修井時(shí)起下鉆作業(yè)。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

并車(chē)分動(dòng)箱配套有專(zhuān)用部件，采用直齒圓柱齒輪組成的閉式傳動(dòng)，主要由輸入軸、二級(jí)軸、三級(jí)軸、四級(jí)軸、五級(jí)軸、輸出軸、換檔機(jī)構(gòu)及左右箱體等組成，是電動(dòng)修井機(jī)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)及分配、改變動(dòng)力傳動(dòng)方向的重要部件。改造后的電動(dòng)修井機(jī)是在分動(dòng)箱上增加電機(jī)扭矩輸入端，即實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸入端和電機(jī)動(dòng)力輸入端并存；在并車(chē)分動(dòng)箱上設(shè)計(jì)兩個(gè)動(dòng)力輸入端，利用并車(chē)分動(dòng)箱的手動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)并車(chē)分動(dòng)箱的動(dòng)力功能切換。行走時(shí)，使用發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；作業(yè)時(shí)，可以使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，也可以使用電機(jī)提供動(dòng)力。在施工井場(chǎng)具備用電條件時(shí)，使用電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成施工作業(yè)；在施工井場(chǎng)不具備用電條件時(shí)，使用發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成施工作業(yè)。

1.3 電驅(qū)控制系統(tǒng)

包括主控制柜、蓄電池組、直流整流充電器、能量回饋單元4 個(gè)主要的電驅(qū)控制部件。

（1）主控制柜。使用額定電壓380 V、頻率50 Hz 交流電源，配置漏電保護(hù)，零地分開(kāi)，配置過(guò)載保護(hù)，在負(fù)荷達(dá)到設(shè)定負(fù)荷的極限值時(shí)，接收到過(guò)載信號(hào)，自動(dòng)斷電。

（2）蓄電池組。40 只6-GFM-150Ah 電池串聯(lián)作為1 組，單只電池額定電壓為12 V，串聯(lián)額定電壓480 V，膠體電池單只容量為150 A·h，滿(mǎn)充電電壓520 V，工作電壓440～520 V。該電池組低內(nèi)阻，自放電率低，性能穩(wěn)定，有效充電量多，循環(huán)耐久能力強(qiáng)，在環(huán)境溫差變化大的使用條件下性能優(yōu)越?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，如果井場(chǎng)用電負(fù)荷不足，電池組內(nèi)儲(chǔ)存的化學(xué)能將轉(zhuǎn)化為電能，整形、整流后提供給電機(jī)使用，滿(mǎn)足主電機(jī)工作的正常用電要求。

（3）直流整流充電器。包括整流電源和逆變電源，完成修井機(jī)工作狀態(tài)時(shí)的直流和交流電源的交互轉(zhuǎn)換和電能存儲(chǔ)。

（4）能量回饋單元。系統(tǒng)由電網(wǎng)供電設(shè)備、變頻器、儲(chǔ)能單元（電池組）、負(fù)載及連接電纜等構(gòu)成。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源容量不足、修井機(jī)難以滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，補(bǔ)充部分電能，同時(shí)減少電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)電流對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)的沖擊，增強(qiáng)電動(dòng)施工時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。

1.4 液壓控制系統(tǒng)

雙液路液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)包括行駛液壓系統(tǒng)和作業(yè)液壓系統(tǒng)，即發(fā)動(dòng)機(jī)自帶液壓系統(tǒng)和電動(dòng)液壓系統(tǒng)，兩套液路互相連通但互不干涉，供液穩(wěn)定可靠。通過(guò)電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓泵向液壓系統(tǒng)供油，液壓油箱至主液壓部分分為兩路液壓管路，主管路和控制元件采用同1 套，實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)力修井機(jī)在行走和施工作業(yè)時(shí)用不同動(dòng)力，使用同1 套主液路向液壓系統(tǒng)提供壓力油。

1.5 氣路控制系統(tǒng)

保留原車(chē)的BW550 空壓機(jī)，增加GX5 電動(dòng)螺桿空壓機(jī)進(jìn)入原車(chē)儲(chǔ)氣瓶，共用1 個(gè)儲(chǔ)氣瓶，使用相同氣路，原車(chē)氣路系統(tǒng)未作改動(dòng)，氣壓系統(tǒng)由車(chē)載空壓機(jī)、電動(dòng)空壓機(jī)、干燥器、濾清器、自動(dòng)排水器、防凍器及各類(lèi)控制閥件組成，壓縮空氣經(jīng)多級(jí)凈化處理后供給修井機(jī)氣壓系統(tǒng)。修井機(jī)行駛時(shí)使用車(chē)載空壓機(jī)，車(chē)上作業(yè)時(shí)使用電動(dòng)空壓機(jī)提供氣源。電動(dòng)空壓機(jī)氣路直接接入原車(chē)載氣路主管路，兩套設(shè)備都能提供氣源，不互相影響設(shè)備工作，行駛時(shí)使用車(chē)載空氣壓縮機(jī)，作業(yè)時(shí)使用電動(dòng)空氣壓縮機(jī)。

2 改造方案技術(shù)特點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

電驅(qū)修井機(jī)采用雙動(dòng)力配置，井下施工作業(yè)和底盤(pán)驅(qū)動(dòng)行走均可使用柴油機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在油田電網(wǎng)滿(mǎn)足施工的情況下，井下施工作業(yè)優(yōu)先采用電機(jī)動(dòng)力作業(yè)。如圖1 所示，作業(yè)主動(dòng)力為工業(yè)電網(wǎng)200 kW 變頻電機(jī)，作業(yè)部分動(dòng)力由電機(jī)、并車(chē)分動(dòng)箱、角傳動(dòng)箱、主滾筒、剎車(chē)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)裝置、井架和液壓、氣壓系統(tǒng)等組成。

圖1 修井機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)油改電平面布局

作業(yè)狀態(tài)時(shí)，變頻電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)并車(chē)分動(dòng)箱傳給車(chē)上作業(yè)部分，分動(dòng)箱動(dòng)力輸出口經(jīng)傳動(dòng)軸傳至角傳動(dòng)箱，經(jīng)鏈條傳至滾筒實(shí)現(xiàn)修井時(shí)起下鉆作業(yè)。車(chē)上作業(yè)部分動(dòng)力也可由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)并車(chē)分動(dòng)箱動(dòng)力輸出口經(jīng)傳動(dòng)軸傳至角傳動(dòng)箱，經(jīng)鏈條傳至滾筒實(shí)現(xiàn)修井時(shí)起下鉆作業(yè)。車(chē)上動(dòng)力和底盤(pán)動(dòng)力靠設(shè)置在并車(chē)分動(dòng)箱上的操作手柄來(lái)控制，保證車(chē)上作業(yè)和底盤(pán)行駛不同時(shí)使用，故行駛和作業(yè)均安全可靠。整機(jī)作業(yè)部分的操縱集中在液壓控制臺(tái)和司鉆控制臺(tái)上，集中控制。

2.2 設(shè)備改造后應(yīng)用特點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)電機(jī)直傳功能。主電機(jī)直接帶動(dòng)分動(dòng)箱、滾筒作業(yè)，減少了傳動(dòng)鏈，提高了傳動(dòng)效率。由電控?zé)o級(jí)調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，滿(mǎn)足修井作業(yè)大鉤提升的速度要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍可實(shí)現(xiàn)1∶80 的調(diào)速比，柴油機(jī)一般只有1∶8 的調(diào)速比。經(jīng)過(guò)測(cè)試，電機(jī)輸出扭矩能滿(mǎn)足作業(yè)最大提升載荷的要求，啟動(dòng)扭矩可達(dá)3000 N·m，額定扭矩1460 N·m，大于柴油機(jī)的1200 N·m。

（2）電源補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用。電源補(bǔ)償系統(tǒng)是“修井機(jī)電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”的一部分，可在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源容量不足以帶動(dòng)修井機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，補(bǔ)充部分電能，滿(mǎn)足修井機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，最大補(bǔ)償能力50 kV·A。在非補(bǔ)償輸出工況下，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源一直對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)中的蓄電池充電；在補(bǔ)償輸出工況下，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源與電源補(bǔ)償系統(tǒng)同時(shí)為修井機(jī)主電機(jī)提供電能，減少了電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)電流對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源的沖擊。

（3）游車(chē)速度實(shí)時(shí)控制。游車(chē)提升速度根據(jù)推動(dòng)控制手柄的多少來(lái)決定其提升速度的大小，即控制手柄推動(dòng)得多則游車(chē)提升速度快，反之則慢，并能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)功能。電驅(qū)同柴油驅(qū)修井機(jī)油門(mén)控制方式一樣，便于司鉆更快地熟練掌握電驅(qū)修井機(jī)操作方法，同時(shí)能減少對(duì)新設(shè)備的誤操作率，提高安全系數(shù)。

（4）各系統(tǒng)獨(dú)立工作，整機(jī)運(yùn)行可靠性提高。電動(dòng)修井機(jī)主電機(jī)、氣路系統(tǒng)、液路系統(tǒng)將原來(lái)依靠柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的運(yùn)行方式，改為各自獨(dú)立的動(dòng)力源，達(dá)到減少依賴(lài)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的目的，提高了電動(dòng)修井機(jī)輔助系統(tǒng)的可靠性。

（5）滾筒離合和電機(jī)加速開(kāi)關(guān)一體化操作。滾筒離合器控制和電子加速器開(kāi)關(guān)合二為一的控制裝置，實(shí)現(xiàn)利用電子行程開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制電機(jī)的加減速和正反運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)利用壓縮空氣控制滾筒推盤(pán)離合器的正常掛合和斷開(kāi)。取代手動(dòng)電子油門(mén)加速器開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)化操作步驟，縮短響應(yīng)時(shí)間，提高控制精度，保證了施工作業(yè)的安全可靠。

（6）雙保險(xiǎn)剎車(chē)功能的應(yīng)用。在司鉆臺(tái)上，經(jīng)過(guò)改進(jìn)氣路，把緊急剎車(chē)操作閥、防碰天車(chē)操作閥和一體化操作閥氣路接通。作業(yè)時(shí)，如果一體化操作閥出現(xiàn)故障發(fā)生飛車(chē)，需要緊急停車(chē)，此時(shí)可以立刻合上防碰天車(chē)操作閥或緊急剎車(chē)操作閥，打通滾筒剎車(chē)氣路，剎車(chē)氣缸工作，推動(dòng)曲拐剎車(chē)。同時(shí)關(guān)閉滾筒離合器，使離合器推盤(pán)脫開(kāi)，使電機(jī)空轉(zhuǎn)，而滾筒不轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn)剎車(chē)功能，保證作業(yè)安全。

3 結(jié)論

改造后經(jīng)過(guò)3 個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：①修井機(jī)的使用性、操控性明顯增強(qiáng)，各種性能均優(yōu)于原設(shè)備，節(jié)能效果明顯，可達(dá)40%；②現(xiàn)場(chǎng)噪聲明顯降低，施工條件大大改善；③電控?zé)o級(jí)調(diào)速實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足修井作業(yè)大鉤提升速度要求；④修井機(jī)網(wǎng)電供電總體互換性強(qiáng)，可滿(mǎn)足高壓電網(wǎng)正常供電、臨時(shí)停電和無(wú)電等各種工況，高壓房具備雙電源互鎖功能，提高了用電安全性。