1、石油钻机 主讲人 沈泽俊,中国石油勘探开发研究院,提纲,石油钻机的型式与参数 石油钻机的组成 电驱动钻机的优越性 电驱动钻机的常见问题 交流变频电驱动钻机 对钻机的设备检查及要求,一、石油钻机型式与基本参数,钻机的型式,钻机型号的表示方法ZJ/ - ,改型序号：用阿拉伯数字表示，原型不写,运移方式：块装式表示符号省略Z自行式钻机T拖挂式钻机,钻机特征：L链条并车钻机 DJ交流电动钻机JV带并车钻机 DZ直流电动钻机C齿轮传动钻机 DB交流变频钻机Y液压钻机,钻机级别：分子表示用114mm钻杆标定，以100m为单位计的名义钻深范围上限；分母表示以1kN为单位计的最大钩载,钻机代号,示例：ZJ50
2、/3150DZ-2 表示为5000m块装直流电驱动钻机第二次改型。,石油钻机型式与基本参数,二、石油钻机的组成,钻机的组成：根据钻井工艺中钻井、洗井、起下钻具各工序的需要，一套钻机必须配备下列各系统和设备 动力设备：柴油机或交、直电 传动系统：包括减速、并车、倒转、变速等机构。在机械传动的基础上，同时还要有液力传动，气、电磁离合器等。 提升系统：绞车、辅助绞车、盘式刹车、辅助刹车、自动送钻；游动系统（游车、大钩、天车、井架等）；提升工具（吊环、吊卡、卡瓦、大钳等） 旋转系统：转盘、水龙头、顶驱装置；钻柱、钻头及井下动力钻具 循环系统：钻井泵、地面管汇、泥浆池、泥浆净化设备、调配泥浆设备。 控制
3、系统：机械、液动或电控装置，控制操作台、观测记录仪等 底座：包括钻台底座、机房底座、泥浆泵等等 辅助设备：空气压缩设备，钻鼠洞设备，井口防喷设备，辅助发电设备，辅助起重设备，活动房屋，保温设备等。,兰石 ZJ70/4500LD钻机平面布置,钻机分为五个区：1. 钻台区2. 机房动力区3. 泥浆泵区4. 油罐区5. 泥浆循环及水灌区,动力与传动系统,三、电驱动钻机,1、柴油发电机组及控制系统 柴油机采用电子调速器，用于频率稳定和有功功率分配均衡； 发电机励磁调压系统，用于电压稳定和无功功率分配均衡； 并网操作系统，用于显示电压、频率并实现欠频、过载和逆功率保护。 2、直流电动机控制系统转速控制
4、、扭矩控制,3、辅助交流电机控制和配电系统 功能：辅助系统供电与照明 大电机设计为远程和就近两种控制； 小电机就地控制。 配电系统由600伏降压为380伏。 4、电磁涡流刹车控制系统 通过控制励磁电流控制制动力矩大小； 并备有断水、断电、水温高等报警及保护功能。,5、司钻控制台和脚踏开关,指配开关：根据工况要求，将直流控制柜进行组合分别驱动绞车、钻井泵和转盘。 泵、转盘、绞车开关：转盘有正反转。 给定开关：控制转速和关断。 指示灯：显示发电机、电动机、风机的运行状态。 转盘扭矩旋钮 转盘电流表及发动机负荷百分表（后者指示负荷率最大的一台） 紧急按钮 脚踏开关,机械钻机与电驱动钻机的比较,1、有
5、效功率比较 1.1 柴油机的功率问题柴油机的功率标定石油钻机的工作特点钻机在一口井的工作周期内纯钻进工作时间比起下钻时间长的多纯钻进工况可以看作超过24小时的持续工况起下钻工况可看为间歇工况,机械钻机与电驱动钻机的比较,电驱动钻机柴油机标定功率比机械驱动高11%1.2 电驱动比机械驱动钻机传动效率高机械驱动钻机效率从柴油机到绞车输入轴 75%电驱动钻机 87%,2、燃料消耗节约18-20%辅助发电与主动力互济 3、维护保养费用柴油机寿命可延长80% 电气保养成本仅为机械驱动钻机传动部分的1/3 4、安全性比较柴油机可安装在离钻台50M左右地方；比如美国有一个洲规定柴油机要运离井口17M以上，机
6、械钻机作不到；噪音小；安全连锁非常易于实现。HSE,5、运移性与安装比较 搬一台6千米钻机可节省一天时间。 5、钻机工作性能比较电驱动钻机对转速、扭矩控制方便，范围宽，更适宜工艺需要。 6、制造成本比较国外电驱动钻机的成本仅比机械钻机高3-5%，国内要高80-100%。小结 电驱动钻机在工作性能、运移性、安全性、操作性、维修性、可靠性等比机械钻机优越性。,1、控制方式的模拟控制与数字控制 模拟控制：以模拟电路及连续控制进行自动调节； 数字控制：采用全数字控制模块和数字调速系统。 后者的特点是：功能完善、可靠性高、调整方便、故障诊断充分 、维护保养简单。,四、电驱动钻机的有关问题,全数字控制的优
7、点,高的可靠性 采用数字器件，故障较少 系统由较少的器件构成（比模拟系统减少60%） 采用网络通讯，最大限度地减少了连线与节电（柜间接线比模拟系统减少90%） 性能及其可靠和稳定，具有较好的温度特性 具有准确的发电机负荷分配特性，大大延长发电机的使用寿命 用软件来完成以前许多用硬件实现的功能，产品升级仅需对软件升级,易于安装及快速启动 自调谐功能，自动对PID等参数进行整定，使用户能在最短的时间完成安装调试； 网络化结构仅需最少的控制连线，缩短钻机的安装时间； 紧凑的结构设计，使SCR房具有合理的构成，便于运输。,易于维修 具有强大的，广泛的诊断功能（包括各个层面的诊断功能）； 对维修人员的知
8、识及技能要求远低于一般系统的要求 减少故障发生次数及故障解决时间； 带锁扣的插拔式电路板，使得用户能快速方便地更换 合理的硬件结构，使维护人员可以在几分钟之内更换任何器件 无调节旋钮，更换电路板不需作任何调整 系统设备间的互换性，减少了系统因故障引起的停车时间,2、驱动方式上的“一对一”和“一对二”,在六十年代电子元器件尚不过关，其可靠性不如电器元器件，且价格偏高，故采用换能器切换可提高系统的可靠性，且价格相对较低 进入八十年代以后，电子元器件的可靠性超过电器元器件，如果继续采用切换回路，系统就显得复杂，可靠性反而降低。 “一对一”不但适用于串激电机，也适用于并激电机，更适用于交流变频传动 可
9、见“一对一”方式是今后的发展趋势。,3、串励和并励直流电机,串励直流电机 输出转矩随负载电流平方成正比变化，绞车起钻效率高； 控制线路简单，特别适合“一对二”控制方式； 制造简单，成本较低； 缺点是：当实现反向运行时，需在主回路用同等电流容量的接触器切换，接触器价格高，安装尺寸大。,他励直流电机 在额定转速下，通过调节电枢电压，可获得十分满意的恒转矩调速性能； 在额定转速下，通过调节励磁，可获得恒功率性能。 缺点是电动机的换向器和炭刷故障率较高,想情况下他励电机调速公式：,推荐文章：直流电动钻机经济运行探讨，2000年石油机械第10期,1、异步电机变频调速基本原理n电机速度f 电流的频率p旋转
10、磁场的级对数s转差率从上述公式可看出，电机调速有多种，但通过调节电源频率f来改变电机转速最方便。 2、变频器把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作变频器,五、交流变频电驱动钻机,V/f 控制异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率以下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。 矢量控制为了使笼型异步电机快速响应运转（像由晶闸管供电的直流电机那样），控制变频器输出电流的大小、频率及相
11、位，用以维持电机内部的磁通为所规定的值，产生所需的转矩，这就叫作矢量控制。或者说根据异步电动机的动态数学模型，对电机的转矩电流分量和励磁电流分量分别进行控制。 或：通过将一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，以两相做过渡，进行等效变化，获得两互相独立的磁场进行控制，以到达类似直流电机控制的方式，使交流电机获得较好的机械特性和动态性能。,变频调速的优越性 调速范围宽 调速平滑性好 在工作特性上：静态和动态特性都可与直流调速系统媲美 经济性方面：变频调速装置较直流贵；但由于交流电机的可靠耐用，故障率低，具有较大的优势。,交流变频钻机,电控系统：变频控制 电机：交流异步电机（变频专用电
12、机）,四川宏华数控交流变频钻机,交流变频器常见故障,变频调速器的常见故障分析和预防措施 外部的电磁感应干扰 安装环境 电源异常 雷击、感应雷电 变频器自身故障,钻机的发展方向,自动化、数字化、智能化、信息化 交流变频驱动 2000米以下钻机：轻便性、运移性 3000米以下钻机：机械驱动、车装钻机、撬装钻机 4000米钻机：机械驱动为主，适当发展电驱动钻机，同时要注重拆卸、安装方便，运输单元少，可靠性高，价格适中。 4500米钻机：机械、电驱动 5000米以上钻机：电驱动钻机,六、 钻机检查项目及要求,钻机是完成钻井任务的最重要的装备。因此，开钻前必须严格按照“/5954开钻前验收项目及要求 ”
13、对钻机进行检查验收。,钻井设备、仪器、电气检查与验收,系统配套检查 承包方的所有设备、工具、材料的规格、型号、数量等应与合同一致。 设备配件储备应满足作业需要。 各类证书检查 设备的近期检测报告、关键零部件探伤报告、最近一期大修记录、设备运行记录、仪表标定记录、设备保险证明等齐全、有效。 静态检验 检查外观有无零部件缺失、腐蚀、磨损、裂纹及弯曲变形等。 按安装技术要求及说明书，对各安装项目进行安装精度的检验。 对生产安全有影响的设备进行实际测量。 必要时对关键零部件进行无损检测。,运转检验 压力测试高压测试：用于检测钻井泵、高压钻井液管线、压井节流管汇和立管、水龙头、方钻杆上下旋塞、防喷器及内
14、防喷器等； 低压测试：用于气动控制系统设备、钻井液处理系统管汇、闸阀和接头等。按额定工作压力的70%100%试压，稳压10min，压降不超过2%为合格。 功能试验绞车制动系统能迅速、有效地进行制动与解除，防碰天车及保险阀工作灵活、可靠，离合器快速离合。控制系统、安全监测、报警系统等反应灵敏、准确。,对动力、水、电、高低压等设备(如钻井液循环系统、动力和传动系统、固控系统、应急报警和保护系统等)进行运转试验，对一些独立设备进行单独运转试验，要求这类设备工作状态良好，密封有效、紧固件无松动。检验绞车系统、游动系统、转盘或顶部驱动系统及井口辅助工具。着重检验离合器、猫头、防碰天车装置、冷却水系统及司
15、钻控制盘，排绳器、辅助刹车、钻井仪表、绞车、转盘(或顶部驱动)的运转性能及电机情况。开灌注泵或混合泵进行低压循环，着重检查固控、灌注、混配、补给系统运转情况，并按照流程由近至远对低压管线、闸门进行密封试验。,试运转,电气系统检查，包括各种直流电机、配电盘、变频机、应急发电机启动和绝缘性能、接地电阻、防爆性能等。检查主压风机系统的自动起动和停机压力、压缩空气湿度。应急发电机起动试验和功率试验：起动时间要达到说明书要求，在带负荷下运转半小时，输出功率符合要求循环系统试运转压力按钻井设计最大工作压力的1.2倍1.5倍进行。试运转检验时间：连续运转不少于90min，各部分工作正常，所有管线不刺、不漏，
16、油、气、水路畅通。,试运转,检验结果,井场设备检验应作好记录，并按表111检验项目逐项检验后填写检验报告。 发现不符合合同规定、达不到技术要求和存在不安全因素的设备、钻具、工具和材料等，向承包方书面提出修理、补充、更换、整改要求和完成时间。,表1 钻机检查项目及要求,续表1 钻机检查项目及要求,续表1 钻机检查项目及要求,续表1 钻机检查项目及要求,续表 1 钻机检查项目及要求,续表1 钻机检查项目及要求,续表1 钻机检查项目及要求,续表1 钻机检查项目及要求,续表 1 钻机检查项目及要求,续表 1 钻机检查项目及要求,续表 1 钻机检查项目及要求,续表1 钻机检查项目及要求,表2 万向轴连接安装精度要求,表3 带传动和链传动安装精度要求,表4 单根三角胶带张紧度测量力要求,钻机标准,思考题,钻机的最主要技术参数有哪些？ 钻机的组成有哪几部分？开钻前重点检查的部分有哪些？,
