費(fèi)健杰

(中海油田服務(wù)有限公司，河北 三河 065201)

深海鉆井時，鉆機(jī)系統(tǒng)將會受波浪等作用帶動井下鉆具上下運(yùn)動，因而無法控制鉆壓，不但影響鉆進(jìn)效率，嚴(yán)重時會損壞鉆具[1]。升沉補(bǔ)償裝裝置可克服上述升沉運(yùn)動的影響，調(diào)整深海井底鉆壓。目前升沉補(bǔ)償裝置主要有鉆桿補(bǔ)償裝置、天車補(bǔ)償裝置、游車補(bǔ)償裝置以及絞車補(bǔ)償裝置幾種形式[2-7]。其中，鉆桿補(bǔ)償裝置因鉆壓調(diào)節(jié)困難已經(jīng)很少使用；天車補(bǔ)償裝置在甲板上設(shè)備少，主要機(jī)構(gòu)都在天車臺和井架上，因此對井架的強(qiáng)度要求較高；游車補(bǔ)償裝置不需高強(qiáng)度井架，但其大部分設(shè)備都位于甲板上，占用面積較大。劉清友等人依托國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，完成了新型游車補(bǔ)償裝置的原理樣機(jī)的研制[8-9]，在成本和性能上有一定優(yōu)勢；絞車補(bǔ)償裝置可克服上述諸多弊端，將絞車的提升功能與升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的功能集成為一體。目前，補(bǔ)償絞車技術(shù)主要為美國NOV公司所壟斷，該公司已經(jīng)生產(chǎn)了多個級別的補(bǔ)償絞車, 國內(nèi)HYSY982海洋平臺也配套了NOV公司的補(bǔ)償絞車。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也在開展相關(guān)樣機(jī)的研制工作。

1 總體方案設(shè)計(jì)

JC30DBT型補(bǔ)償絞車是根據(jù)相關(guān)石油鉆井規(guī)范和鉆采設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。該補(bǔ)償絞車是一種交流變頻控制的單軸齒輪傳動絞車，它主要由交流變頻電動機(jī)、減速箱、液壓盤剎、滾筒軸、自動送鉆裝置、空氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等單元部件組成。絞車動力由2臺功率800 kW、轉(zhuǎn)速0～2 800 r/min交流變頻電機(jī)驅(qū)動。絞車為兩擋無級變速，有專門的氣動換擋機(jī)構(gòu)。絞車主剎車為液壓盤式剎車，配單邊剎車。絞車取消了傳統(tǒng)的輔助剎車機(jī)構(gòu)，而使用主電機(jī)能耗制動作為輔助剎車。絞車傳動采用齒輪、鏈輪傳動形式，齒輪、鏈輪及軸承潤滑采用強(qiáng)制潤滑方式。絞車配置的自動送鉆裝置由1臺22 kW的交流變頻電機(jī)提供動力，經(jīng)1臺立式齒輪減速機(jī)減速后驅(qū)動滾筒實(shí)現(xiàn)自動送鉆功能。絞車的所有控制(電、氣、液)均集中在司鉆控制房內(nèi)[10-12]。

該絞車的補(bǔ)償原理是由絞車傳動軸編碼器、升沉加速度傳感器及拉力傳感器分別將游車相對位置、船體升沉運(yùn)動數(shù)據(jù)與鉤載信息及時發(fā)送到可編程控制器中。經(jīng)過控制器處理后的輸出信號控制絞車電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)主動補(bǔ)償?shù)墓δ?。該絞車的控制系統(tǒng)可實(shí)時檢測船體由于波浪引起的升沉運(yùn)動，從而控制絞車做出相應(yīng)的動作，對鉆柱進(jìn)行補(bǔ)償，保證鉆井時鉆柱相對于井底的位置不變。

2 傳動原理

如圖1所示，絞車由2臺800 kW的交流變頻電動機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器將動力分別輸入至兩擋齒輪減速箱輸入軸，經(jīng)二級齒輪和一組鏈輪減速后傳給滾筒軸。在每個擋位下，絞車的整個變速過程完全由主電機(jī)交流變頻控制系統(tǒng)操作實(shí)現(xiàn)。絞車自動送鉆由1臺22 kW的交流變頻電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)大傳動比立式減速機(jī)和推盤離合器后，將動力傳入減速箱另一輸入軸端，再經(jīng)齒輪箱和鏈輪鏈條減速后帶動滾筒軸完成自動送鉆過程。絞車兩擋齒輪減速箱的換擋機(jī)構(gòu)包含換擋和鎖擋2個部分，絞車換擋由司鉆在司鉆控制房內(nèi)通過氣控電磁閥進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。

1-減速機(jī)；2-交流變頻電機(jī)Ⅰ；3-交流變頻電機(jī)Ⅱ；4-送鉆電機(jī)；5-滾筒圖1 絞車傳動原理

3 絞車主要技術(shù)參數(shù)

額定功率

550 kW

最大快繩拉力

210 kN

鋼絲繩直徑

?29 mm

擋數(shù)

2正2倒(無級調(diào)速)

滾筒轉(zhuǎn)速

0～451 r/min

鉤速

0～1.5 m/s

開槽滾筒尺寸(直徑×長度)

?560 mm×1 008.2 mm

剎車盤尺寸(外徑×厚度)

?1 520 mm×76 mm

4 提升及補(bǔ)償能力分析

4.1 提升能力

補(bǔ)償絞車是在常規(guī)絞車的基礎(chǔ)上增加了波浪升沉補(bǔ)償功能，主要靠電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，船體的升沉運(yùn)動近似為正弦曲線，周期10 s，振幅1.35 m。根據(jù)波浪補(bǔ)償運(yùn)動特性，要使補(bǔ)償絞車達(dá)到補(bǔ)償效果，鉆頭及與鉆頭相連的鉆桿相對于井底是靜止的，與鉆桿相連的游車相對于井底也是靜止的，此時絞車根據(jù)波浪運(yùn)動特性進(jìn)行提升和下放。需要在1/4周期，即≤2.5 s時間內(nèi)，保證補(bǔ)償絞車提升最大鉆柱時，游鉤運(yùn)動的速度要大于波浪引起的鉆柱升沉速度。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-速度特性參數(shù)，利用相關(guān)公式，分別計(jì)算4×5繩系下絞車在低速擋id=11.56和高速擋ig=5.66時大鉤鉤載、鉤速、快繩拉力，得到2種傳動比下的提升曲線，如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償絞車提升曲線(8繩系)

由圖2補(bǔ)償絞車提升曲線可以看出，傳動比ig=5.66時，絞車提升最大鉆柱時鉤速可以達(dá)到0.88 m/s，提升空吊卡時鉤速可以達(dá)到2 m/s；傳動比id=11.56時，提升最大鉤載鉤速可以達(dá)到0.54 m/s，完全滿足鉆井提升要求。

4.2 補(bǔ)償能力

假設(shè)船體的運(yùn)動曲線是按照周期為10 s、最大位移(振幅)為1.35 m的正弦周期運(yùn)動。在前1/2周期(0～5 s)內(nèi)，船體處于上升階段，在補(bǔ)償工況下此時絞車進(jìn)行下放鉆柱動作；在后1/2周期(5～10 s)內(nèi)，船體處于下降階段，在補(bǔ)償工況下此時絞車進(jìn)行上提鉆柱動作[13-15]。圖3為在船體升沉運(yùn)動的后1/4周期內(nèi)船體升沉和絞車提升鉆柱的鉤速曲線。

圖3 補(bǔ)償絞車提升速度曲線

5 試驗(yàn)分析

JC-30DBT型絞車在試驗(yàn)井場安裝上頂驅(qū)，絞車電機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500 r/min，鉤速1.24 m/s時進(jìn)行緊急剎車，經(jīng)多次測量，絞車架頂部最大晃動量4～5 mm，容易出現(xiàn)鋼絲繩從滑輪外緣的環(huán)形槽內(nèi)脫出，不僅影響絞車補(bǔ)償功能的正常實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重時還可能引起安全事故。經(jīng)過現(xiàn)場分析及初步判斷，造成晃動的原因是盤剎裝置鉗架與絞車架組合后整體剛性不足造成的。為此，進(jìn)行了有限元分析，如圖4～5所示。

圖4 應(yīng)力分布云圖

圖5 位移分布云圖

鉗架(材料Q355B)厚度80 mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鉗架上，為142.42 MPa，小于屈服強(qiáng)度355 MPa，應(yīng)力滿足要求；鉗架的最大位移為3.88 mm，大于3 mm(1 800/600)[16-17]，位移變形大于標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)場測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相符。

通過綜合分析，加固剎車鉗架不容易實(shí)現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)情況與絞車架有限元分析，將絞車架左右立柱在原來的基礎(chǔ)上加強(qiáng)1倍。絞車架加強(qiáng)后的有限元分析結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 加強(qiáng)后應(yīng)力分布云圖

鉗架厚度80 mm時最大應(yīng)力出現(xiàn)在鉗架上，為111.6 MPa，應(yīng)力滿足要求；鉗架的最大位移為2.78 mm，小于3 mm(1800/600)[16-17]，滿足要求。

6 結(jié)論

1) 在深海鉆井時鉆機(jī)系統(tǒng)受到波浪等作用，無法精確控制鉆壓，影響生產(chǎn)效率或損壞鉆具。

2) 設(shè)計(jì)了JC-30DBT型補(bǔ)償絞車，該絞車由2臺800 kW的交流變頻電動機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器將動力輸入減速箱作為主傳動；由另1臺22 kW的交流變頻電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)過大傳動比的減速機(jī)和推盤離合器，帶動滾筒完成自動送鉆。

3) 對補(bǔ)償絞車提升及補(bǔ)償能力進(jìn)行了分析。

4) 對現(xiàn)場試驗(yàn)出現(xiàn)的盤剎裝置鉗架與絞車架晃動現(xiàn)象進(jìn)行了分析，通過有限元分析，找出了晃動產(chǎn)生的原因，提出了加固措施。