趙 瓏,張?zhí)炫R,牛璽輝,張全斌,張龍洋

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司,甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

我國石油資源勘探開采作業(yè)正向著深井、超深井方向發(fā)展,對鉆井泵的大功率、高穩(wěn)定性和工作性能提出了更加嚴(yán)格的要求,因此現(xiàn)有的三缸鉆井泵已無法滿足鉆采作業(yè)大功率、高壓力的需求[1-4]。目前,市場上的鉆井泵主要以三缸鉆井泵為主,主要類型有3NB系列、F系列和P系列泵,功率大多為500～2 200 hp分布,其壓力波動(dòng)大、容積效率低、慣性大、動(dòng)平衡性能較差[5-8]。而現(xiàn)今石油資源勘探開采要滿足鉆井泵強(qiáng)動(dòng)力、長壽命和高可靠性以及單機(jī)功率更大的要求,因此傳統(tǒng)的三缸鉆井泵遇到了發(fā)展的瓶頸,主要體現(xiàn)在三缸鉆井泵單機(jī)功率的增加必然會(huì)導(dǎo)致整機(jī)重量和設(shè)備外形尺寸的增大。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制出了采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的QDP-2200五缸鉆井泵,四川宏華石油設(shè)備有限公司研制出了采用雙電機(jī)頂置、雙軸驅(qū)動(dòng)的HH-2400五缸鉆井泵組,上述兩種鉆井泵可滿足不同環(huán)境和不同鉆井工藝的作業(yè)要求[9]。與傳統(tǒng)的鉆井泵組相比,新研制的產(chǎn)品的市場競爭力有明顯的提高,但其不足之處在于十字頭處依舊采用傳統(tǒng)鉆井泵的摩擦結(jié)構(gòu),導(dǎo)致導(dǎo)板使用壽命無法提高,削弱整體的優(yōu)勢。在鉆井泵的控制方面,仍需與鉆機(jī)總體集成,受OEM(Original Equipment Manufacturer)廠總體控制要求牽制,無法匹配流量、壓力,從而無法做到智能控制,因此對用戶的操作要求較高。同時(shí),沒有建立相關(guān)數(shù)據(jù)平臺(tái),無法對鉆井泵全生命周期做到實(shí)時(shí)維護(hù)。

基于以上技術(shù)開發(fā)需求,蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司研究設(shè)計(jì)了LS-2600五缸鉆井泵。筆者重點(diǎn)對變頻電機(jī)、減速箱、曲軸等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)研究,配備動(dòng)力端潤滑系統(tǒng)和在線監(jiān)測系統(tǒng),為整個(gè)裝置提供良好的潤滑效果和全生命周期監(jiān)測。通過樣機(jī)試制、廠內(nèi)型式試驗(yàn)及現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該五缸鉆井泵技術(shù)方案的合理、使用性能可靠。該鉆井泵具有功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、性能可靠、智能控制等優(yōu)點(diǎn),采用變頻一體異步電機(jī)為整個(gè)裝置提供動(dòng)力,大大提高了單機(jī)功率;采用新型的減速箱結(jié)構(gòu)及曲軸結(jié)構(gòu),縮減了整機(jī)重量及外形尺寸;代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油燃料及傳動(dòng)形式,實(shí)現(xiàn)了綠色、智能鉆井的要求。

1 總體結(jié)構(gòu)布置

LS-2600五缸鉆井泵采用橇裝的結(jié)構(gòu),底座為主要的承載部件,變頻一體異步電機(jī)、減速箱、動(dòng)力端總成、液力端總成、動(dòng)力端潤滑系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)及在線監(jiān)測系統(tǒng)等均布置在底座上,液力端總成由5組可以互換的液缸組成,總體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。變頻一體異步電機(jī)連接減速箱,減速箱連接動(dòng)力端總成,動(dòng)力端總成連接液力端總成,實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。

圖1 五缸鉆井泵結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

2.1 新型電機(jī)

研究設(shè)計(jì)了一款具有恒功率、恒扭矩特性的新型變頻一體異步電機(jī),該電機(jī)在簡化整個(gè)裝置傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)可達(dá)到節(jié)能減排的目的[10-11],變頻一體異步電機(jī)如圖2所示。該電機(jī)輸出功率大,布置方便,可減少排放,降低噪音污染和使用能耗。相比柴油機(jī),該電機(jī)噪聲降低20%～30%,單位作業(yè)能耗降低50%～60%,實(shí)現(xiàn)綠色鉆井要求,其作為五缸鉆井泵的動(dòng)力源,可為整個(gè)裝置提供動(dòng)力輸出,有效提高了鉆井效率。

圖2 變頻一體異步電機(jī)

2.2 新型減速箱

研究設(shè)計(jì)了新型的減速箱結(jié)構(gòu),取消傳統(tǒng)的皮帶傳送、鏈傳動(dòng)及二級平行級傳動(dòng)方式[12-14],減速箱如圖3所示。

該減速箱采用平行齒輪加行星齒輪結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)兩級減速的功能,具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率大、轉(zhuǎn)速高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),其安裝于變頻一體異步電機(jī)與五缸鉆井泵動(dòng)力端之間,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。該減速箱用齒輪傳動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng),綜合能效提高約7%～10%。

2.3 新型曲軸

研究設(shè)計(jì)了新型的五曲拐六支撐曲軸結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且慣性小[15-16],曲軸圖如圖4所示。該曲軸采用鍛件一體式結(jié)構(gòu),在提高曲軸承載強(qiáng)度及剛度、減小曲軸重量的同時(shí),還提高了動(dòng)力端的可靠性及經(jīng)濟(jì)性;該曲軸改變了曲軸動(dòng)力的輸入型式并增加了曲拐數(shù)量,實(shí)現(xiàn)了鉆井泵單機(jī)排量的提高;該曲軸內(nèi)部設(shè)置有潤滑的直通油道,加工簡潔方便,可保證潤滑油的及時(shí)供應(yīng),也滿足曲軸與連桿之間軸瓦、曲軸與軸承之間的潤滑要求。

圖4 曲軸

3 關(guān)鍵系統(tǒng)分析

3.1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括變頻一體異步電機(jī)、傳動(dòng)軸、減速箱、動(dòng)力端總成及液力端總成。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示。電機(jī)的動(dòng)力通過傳動(dòng)軸傳遞至減速箱,減速箱帶動(dòng)曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),曲軸帶動(dòng)十字頭、活塞桿及活塞做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。

圖5 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

3.2 動(dòng)力端潤滑系統(tǒng)

文中對變頻電機(jī)、減速箱、曲軸等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)研究,所配備的動(dòng)力端潤滑系統(tǒng)和在線監(jiān)測系統(tǒng)可為整個(gè)裝置提供良好的潤滑效果并實(shí)現(xiàn)全生命周期監(jiān)測。通過樣機(jī)試制、廠內(nèi)型式試驗(yàn)及現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),所設(shè)計(jì)技術(shù)方案合理、可靠。

潤滑系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng)的飛濺潤滑的方式,并采用壓力強(qiáng)制潤滑的方式[1,17],其潤滑系統(tǒng)如圖6所示。潤滑油通過油泵增壓后,對五缸鉆井泵動(dòng)力端各旋轉(zhuǎn)部件及滑動(dòng)部位進(jìn)行強(qiáng)制潤滑,保證各潤滑部位油量充沛。各潤滑部位得到充分的潤滑后,各零部件的使用壽命、可靠性得到了提高。散熱器采用風(fēng)冷的形式,當(dāng)潤滑油溫度達(dá)到設(shè)定的溫度值時(shí),散熱器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng),對潤滑油進(jìn)行冷卻降溫。該潤滑系統(tǒng)配備有安全閥,當(dāng)潤滑油壓力達(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí),安全閥會(huì)對其進(jìn)行泄壓,實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)功能。整個(gè)動(dòng)力端潤滑系統(tǒng)可對潤滑油的溫度和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)調(diào)節(jié)。潤滑油經(jīng)五缸鉆井泵流回油箱,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部循環(huán),其不受外部環(huán)境的影響,可達(dá)到環(huán)保的要求。

圖6 動(dòng)力端潤滑系統(tǒng)

3.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)

在線監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖7所示。該系統(tǒng)在五缸鉆井泵上設(shè)置有用于測量監(jiān)測點(diǎn)的溫度和壓力的多個(gè)溫度和壓力傳感器,通過數(shù)據(jù)傳遞,采集到的數(shù)據(jù)匯集到PC端,操作者可觀察并記錄數(shù)據(jù),從而對設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視,也可對五缸鉆井泵進(jìn)行指令控制。其在線監(jiān)測云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對泥漿泵運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。該在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅能對鉆井泵運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測,而且能及時(shí)預(yù)警可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況,具有超溫保護(hù)和超壓保護(hù)功能;可對設(shè)備進(jìn)行緊急制動(dòng),防止對設(shè)備造成過度傷害;可對五缸鉆井泵的全生命周期進(jìn)行監(jiān)測與維護(hù),提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性、自動(dòng)化程度和可觀測性。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

4.1 廠內(nèi)試驗(yàn)

2022年6～7月,依據(jù)GB/T 32338-2015《石油天然氣工業(yè)鉆井和修井設(shè)備鉆井泵》標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)大綱對LS-2600五缸鉆井泵進(jìn)行廠內(nèi)性能測試。試驗(yàn)裝置包括遠(yuǎn)程控制柜、氣控閥組、清水循壞水箱等。測試內(nèi)容包括控制系統(tǒng)、電氣儀表系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確可靠性及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性,潤滑系統(tǒng)各元件運(yùn)轉(zhuǎn)情況、系統(tǒng)壓力調(diào)試,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的可靠性,變頻一體異步電機(jī)、減速箱、動(dòng)力端總成等關(guān)鍵零部件的性能測試。設(shè)備在80%最大壓力下(42 MPa)累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間100 h;在最大壓力下(51.7 MPa)累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間50 h;在最大流量下(86.4 L/s)累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間50 h;試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。試驗(yàn)表明,LS-2600五缸鉆井泵的性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)輸入要求,整機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好,各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)輸入要求,滿足鉆井工藝對設(shè)備的使用要求。

表1 可靠性運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 工業(yè)性試驗(yàn)

2023年2～4月、5～6月,LS-2600五缸鉆井泵在山東省東營市墾利區(qū)勝利濟(jì)陽頁巖油國家示范區(qū)完成豐頁1-6HF井、豐頁1-2-211HF井工業(yè)性試驗(yàn),分別累計(jì)運(yùn)行570 h、522 h,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2、3所列。

表2 工業(yè)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)(豐頁1-6HF)

表3 工業(yè)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)(豐頁1-2-211HF)

豐頁1-6HF井完鉆井深7 025,水平段最長3 055,創(chuàng)出中國石油化工集團(tuán)公司非常規(guī)頁巖油水平井井深最深、水平段最長兩項(xiàng)新紀(jì)錄。

在現(xiàn)場作業(yè)過程中,LS-2600五缸泥漿泵壓力高、排量大、輸出功率高,設(shè)備性能穩(wěn)定,運(yùn)轉(zhuǎn)正常,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,滿足現(xiàn)場施工工藝要求。單臺(tái)LS-2600五缸鉆井泵就能滿足三開作業(yè)要求,單日最高累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間22 h。

5 結(jié) 語

為滿足超深井、復(fù)雜井開采的需要,設(shè)計(jì)了LS-2600五缸鉆井泵,該鉆井泵整體機(jī)構(gòu)布局合理,控制技術(shù)可靠且操作模式滿足工藝需求,大幅度提升了鉆井泵的單機(jī)功率,有效降低了施工作業(yè)現(xiàn)場人員的數(shù)量及工作量,提高了設(shè)備的智能化程度。試驗(yàn)過程中,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠,整體設(shè)計(jì)滿足安全和環(huán)保的要求。設(shè)備的研制成功,是對我國鉆井設(shè)備的有力補(bǔ)充,該設(shè)備更適合排量大、壓力高的鉆井作業(yè),適用于高壓噴射鉆井、大位移水平井、深井、超深井、海洋平臺(tái)鉆井等作業(yè),對鉆井提速提效、節(jié)能減排、井下壓力安全控制等效果顯著。LS-2600五缸鉆井泵在勝利濟(jì)陽頁巖油國家示范區(qū)得到順利應(yīng)用,裝備性能得到了很好的檢驗(yàn),為我國深層、超深層、低滲、特低滲等油氣資源的開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的裝備保障。