何軍軍

（大慶油田大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

目前ZJ25DJ 型鉆機在大慶油田鉆井施工和油田開發(fā)中仍占有很大的比例，尤其是在鉆井一公司，ZJ25DJ 型鉆機還占據著石油勘探和生產的主導地位。原ZJ25DJ 型鉆機只有一個主動力源，在石油生產和勘探開發(fā)過程中逐漸暴露出一些問題。

1 原傳動方式存在的問題

ZJ25DJ 型鉆機變速箱加裝應急裝置改造項目很有必要。因為ZJ25DJ 型鉆機在設計時存在著一些固有缺陷（例如無應急動力）。這樣如果總電機發(fā)生損壞時沒有備用動力，這在鉆井施工中容易造成嚴重的工程事故。如果加裝了應急動力，當主電機發(fā)生損壞時可以隨時切換成應急動力，這種情況就可以避免在沒有應急動力的情況下，任何時候都只能啟動主電機（尤其是起放井架、劃眼、活動鉆具、處理事故等臨時性動作），這樣會造成能源的浪費。如果安裝了應急動力，切換成應急動力可以大幅度節(jié)省能源。

當主發(fā)電機發(fā)生損壞時，使用備用發(fā)電機同樣可以活動鉆具，避免卡鉆等井下事故的發(fā)生。在沒有應急動力的情況下，起放井架作業(yè)只能依靠主電機。這樣起放井架的速度較快，起放井架時不平穩(wěn)，會對井架造成一定程度的損壞，有極大的安全隱患。如果加裝了應急動力和減速裝置，可以在起放井架時做到穩(wěn)起穩(wěn)放，有效降低人員操作安全風險。

2 加裝應急動力裝置的必要性

鉆井一公司現(xiàn)有ZJ25DJ 型鉆機15 套，該型鉆機因其設計上存在缺陷（主要是無應急動力裝置），這種情況下當主電機或主發(fā)電機發(fā)生故障時會導致嚴重的鉆井工程事故（主要是鉆井施工要求連續(xù)的動力輸出），這會造成嚴重的經濟損失，甚至還會對鉆井操作人員帶來一定的安全風險。本著“以人為本、安全第一”的原則，鉆井一公司裝備資產科要求解決ZJ25DJ 型鉆機無應急動力裝置的問題。因此，決定立項解決。

3 加裝應急動力裝置方案設計

3.1 裝置結構

原ZJ25DJ 型鉆機傳動方式是交流異步電機（280 kW）通過氣胎離合器向四檔變速箱輸入旋轉扭矩，分別給轉盤和絞車滾筒傳送動力。原ZJ25DJ 型鉆機變速箱結構如圖1 所示。

圖1 ZJ25DJ 型鉆機變速箱結構

結合并參考ZJ30DJ 型鉆機的設計結構，為ZJ25DJ 型鉆機加裝應急動力，結構如圖2 所示。

圖2 加裝應急動力后的結構

上圖中在變速箱中間軸右側底座上安裝了一套交流異步電機和擺線針輪減速器的總成，通過雙排鏈條（T=44.45）將備用的應急動力傳遞給變速箱中間軸（變速箱的中間軸需經過加長改造，可供安裝鏈輪副）。

3.2 動力設計

原變速箱最大負荷時為在主電機額定功率下，變速箱掛一檔時的輸出動力，此時中間軸扭矩為：N1=9550×P/r=12 980 N·m，根據需要的扭矩選擇合適的鏈條減速比和適宜的擺線減速器。

根據經濟性和可靠性選擇電機、擺線減速器；根據結構設計的要求設計適宜的鏈條結構。

選擇擺線針輪減速器型號為BWD7-17-37，輸入轉速960 r/min；應急電機型號為YX3-250M-6，功率37 kW，轉速960 r/min，額定電壓380 V；一級鏈輪牙數(shù)Z=17，節(jié)距T=44.45 mm；二級鏈輪牙數(shù)Z=31，節(jié)距T=44.45 mm。

變速箱輸出轉速、扭矩對應如圖3 所示。

圖3 轉速扭矩對應

從上圖可以看出改造后的變速箱較原先增加了矩形線框區(qū)域的動力，輸出的轉速和扭矩接近原先變速箱一擋時的扭矩，但是能夠提供的轉速原先一擋的轉速小很多，只有31 r/min。結合一檔的使用工況（主要用于活動鉆具，起放井架等低速作業(yè)），這就為鉆井施工中動力的連續(xù)性提供了保證，可以避免因無備用應急動力導致的無法活動鉆具提供了連續(xù)的動力，可以滿足鉆井施工的要求。

3.3 可靠性論證

應鉆井一公司要求為在用的15 臺ZJ25DJ 型鉆機變速箱加裝應急動力裝置。在改造之初應對項目方案的可靠性進行分析論證。安裝應急動力裝置對變速箱中間軸的受力發(fā)生了改變，應進行力學分析確保其能夠承受。

下面將論述可靠性論證的過程和改造時的安全防護措施并對應急動力裝置適用的鉆井工況進行約束和規(guī)定，使之更好的服務于鉆井施工。

3.3.1 鉆機變速箱加裝應急動力裝置的方案設計

參考寶雞石油機械有限責任公司ZJ30/1700DJ 型鉆機的應急動力裝置，機構如圖2 所示。

3.3.2 使用應急動力裝置時鉆機可提升的最大鉤載計算

擺線針輪減速器型號為BWD7-17-37，輸入轉速960 r/min；應急電機型號為YX3-250M-6，功率37 kW，轉速960 r/min，額定電壓380 V；一級鏈輪牙數(shù)Z1=17，節(jié)距T=44.45 mm；二級鏈輪牙數(shù)Z2=31；節(jié)距T=44.45 mm。

當使用應急動力裝置驅動時，擺線減速器的輸出扭矩為：N1=9550×P/r1，P=37，r=960/17=56.47 r/min，可知N1=6257 N·m。通過鏈傳動（減速比n2=Z2/Z1=1.824）至變速箱中間軸，變速箱中間軸扭矩：N2=9550×P/r2，r2=r1/n2=30.960 r/min，可知N2=11 413 N·m。中間軸扭矩通過錐齒輪（減速比n3=41/29=1.414）傳遞至變速箱滾筒輸出軸，變速箱滾筒輸出軸扭矩：N3=9550×P/r3，r3=r2/n3=21.895 r/min，可知N3=16 138 N·m。變速箱滾筒輸出軸通過鏈傳動（n4=56/23=2.435）至滾筒軸，滾筒軸輸出扭矩：N4=9550×P/r4，r4=r3/n4=8.992 r/min，可知滾筒軸扭矩N4=39 296 N·m。最大塊繩拉力為F0，滾筒半徑為R，F(xiàn)0=N4/R，R=0.25 m，F(xiàn)0=157 184 N=157 kN。各處傳動環(huán)節(jié)功率損耗約15%，則傳動效β=85%，F(xiàn)1=F0×β=133 kN。鉆機采用5×6 繩系，有效繩數(shù)為10 根，所以最大可提升載荷Q=1330 kN，約合133 t。

根據大慶地區(qū)ZJ25DJ 型鉆機一般鉆井深度L 大約2000 m，當使用5"（127 mm）鉆具時，鉆具重量Q柱=q柱×L，q柱為空氣中含80～100 m 7" 鉆鋌時平均鉆柱重量，q柱=36 kg/m，Q柱=q柱×L=72 000 kg=72 t。

其他附件重量Q1（游鉤YG170：4.59 t，水龍頭XSL170：1.7 t，吊卡+提環(huán)：0.5 t，鋼絲繩（11/4"，11 根×35 m=385 m，每百米354 kg 重量1.36 t）。

鉆進時最大鉤載QMAX=Q柱+Q1=72+4.59+1.7+0.5+1.36=80.15 t，載荷儲備系數(shù)a=Q/QMAX=1.66。

下套管時：Q套=q套×L，q套為空氣中5" 套管平均重量，q套=35.864 kg/m（API 5C2 套管最小工作性能），Q套=q柱×L=71 728 kg=71.728 t。

其他附件重量Q1′（游鉤YG170：4.59 t，吊卡+提環(huán)：0.5 t，鋼絲繩（11/4"，11 根×35 m，每百米354 kg，重量1.36 t）。

下套管時QMAX′=Q套+Q1′=78.278 t，載荷儲備系數(shù)a′=1.699。

所以，應急動力裝置在鉆進和下套管時具備可靠的安全系數(shù)。

以上論述不含處理卡鉆等工程事故的特殊工況，故不建議在該類情況下使用應急動力裝置。

3.3.3 使用應急動力裝置時變速箱中間軸的強度校核

針對中間軸進行彎扭合成強度校核：鏈輪作用在軸上的拉力為FQ，F(xiàn)Q=1.05×f1×F。因為應急電機轉速很慢、工況比較平穩(wěn)，取工況系數(shù)f1=1.0；P=37 kW；Z1=31；n1=30.96 r/min。

齒輪作用在軸上的徑相力Fr，F(xiàn)r由扭矩提供，N2=Fr×Rc=11 413 N·m

Rc為錐齒輪節(jié)圓半徑，0.15 m，可得Fr=76 086 N。

根據圖4 可以得出，中間軸左端軸承位是危險面，直徑140 mm。中間軸材料為35CrMo，許用應力［σ］=207 MPa，所以完全滿足需要。

圖4 中間軸彎扭合成

4 應急動力裝置適用的鉆井工況

應急動力裝置適用于主電機發(fā)生損壞時作為應急動力使用，也適用于主發(fā)電機損壞或未就位時作為應急動力使用，可以提升、活動鉆具，不建議在處理卡鉆等特殊工程事故時使用。

5 安全防護措施

可能發(fā)生的安全防護措施主要是鏈條傳動，針對該處的安全隱患制做了安全護罩，防止鏈條損壞時造成安全事故。鉆井施工人員應遵照實際情況，在恰當?shù)墓r下使用。

6 實際現(xiàn)場使用效果驗證

2016 年10 月完成加裝應急裝置一臺，在鉆井一公司30509鉆井隊進行試用。截止2019 年10 月20 日，該鉆機已服役3 年，累計完成進尺24 萬米，完成鉆井120 余口。已經歷各種適用工況，未出現(xiàn)故障（圖5）。

圖5 使用現(xiàn)場

在鉆井一公司的實際試用情況，也能證明ZJ25 鉆機應急動力裝置項目能夠滿足使用安全性能。

7 改造后系統(tǒng)的主要特點和適用范圍

可以在主電機故障或主發(fā)電機未就位的情況下，使用輔助發(fā)電機帶動應急電機進行井架起升、下放作業(yè)。在主電機發(fā)生故障情況下，系統(tǒng)實現(xiàn)了絞車和轉盤的部分應急啟動，可以進行循環(huán)起、放鉆具，轉盤劃眼等操作，避免鉆井工程事故的發(fā)生。系統(tǒng)在應急動力啟動時緩速，平穩(wěn)，相比較使用主動力進行起、放井架而言，對由于自重造成的彎曲載荷對井架的沖擊要小得多?？梢杂行Ы档推鸱啪軙r井架的沖擊、晃動對其帶來的損傷，從而保護井架和地面操作人員不受傷害。改造后對原系統(tǒng)變化不大，操作人員易于適應。系統(tǒng)能夠滿足運輸要求，在搬運過程中僅使用常規(guī)車輛即可，適用于ZJ25DJ 石油鉆井用絞車變速箱的動力傳遞布置。