1、石油矿场机械,王希尧,2,第二章 钻机的驱动和传动系统,第一节 概述 现代石油钻机具有绞车、转盘、钻井泵三大工作机组，为适应石油钻井工艺过程的要求，各工作机组具有不同的负载特点和运动特性。驱动设备：提供所需要的动力和运动。也称为动力机组 传动系统：将动力机与各工作机联起来，并将动力和运动传递分配给各工作机组,3,第一节 机械驱动钻机,机械驱动钻机指的是以柴油机为动力，通过液力变矩器、链条、齿轮、三角胶带等不同组合的传动形式所驱动的钻机。依所采用的主传动副类型，机械驱动钻机可分为： 万向轴锥齿轮并车传动钻机（齿轮钻机） 三角胶带并车传动的钻机（胶带钻机） 链条并车传动的钻机（链条钻机）,4,齿轮
2、并车传动的钻机,采用万向轴、齿轮作为主传动副，柴油机变矩器驱动，每台驱动机组带一个螺旋锥齿轮箱组成一个联动机组，采用大功率万向轴并车传动，并用万向轴传动泵。 优点：齿轮传动允许线速度高，体积小，结构紧凑；万向轴结构简单、紧凑，维护保养方便，互换性好。 不足：大功率传动螺旋伞齿轮制造比较困难，质量不易保证，成本高，且现场不能更换、维修。 这种钻机现已不再生产 。,5,皮带并车传动的钻机,皮带并车传动的钻机，指的是采用三角胶带作为钻机的主传动副，用皮带将多台动力机组并车，去统一驱动各工作机组及辅助设备，并用皮带传动泵。 优点：传动柔和、并车容易、制造简单、维护保养方便。 不足：常规三角胶带用于大功
3、率传动时，根数多，结构不紧凑，寿命短。 我国矿场此类钻机有70年代中期投产的大庆I-130，80年代投产的ZJ45J及1988年生产的窄型联组胶带并车的ZJ32J-2。,6,链条传动的钻机,采用链条作为主传动副；24台柴油机变矩器（或偶合器）驱动机组，用多排小节距套筒滚子链条并车，统一驱动各工作机，一般仍用皮带传动泵。 高质量的多排小节矩链条并车时，传递功率大于三角胶带，结构紧凑，寿命长，适用于各级井深钻机。 我国自70年代中期开始重视研制石油工业用套筒滚子链条,7,第二节 电驱动钻机,电驱动用于钻机最早开始于20世纪50年代中期，随后逐步完善、成熟。 与机械驱动相比，电驱动具有调速特性好、经
4、济性能高、可靠性强、故障率低、操作更安全、方便、灵活、易于实现自动控制等一系列的优越性：特别是全数字控制系统的出现，使得电驱动控制系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便：电驱动可以通过可编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。,8,第二节 电驱动钻机,电驱动，依其发展历程可分为：(1) ACAC驱动 柴油机带交流发电机发出交流电，经电力并车后，向交流电动机供电，经机械传动去驱动绞车、转盘和钻井泵。 (2) DCDC驱动 柴油机带直流发电机发出直流电，向直流电动机供电，用直流电动机驱动绞车、转盘和钻井泵。(3) ACSCRDC驱动
5、柴油机交流发电机组发出交流电，经电力并车后，再经可控硅整流，再向直流电动机供电，驱动绞车、转盘与钻井泵。(4) ACVFAC驱动 柴油机带交流发电机发出交流电，经电力并车后，再经变频器成为频率可调的交流电，再向交流电动机供电，驱动交流电动机去带动绞车、转盘和钻井泵。这是正在发展中的第四代电驱动型式。顶部驱动型式的技术发展，经历了AC-SCR-DC电驱动和AC变频电驱动2个技术发展阶段。,9,丛式井钻机就是用于钻丛式井的钻井设备，为适应丛式钻井，丛式钻机必须： 配备钻台移动系统和适于整体移位的坚固钻台底座，使钻机能在井场内沿纵、横方向作整体移动，到达丛式井位。 采用AC-SCR-DC电驱动，动力
6、设备与工作机仅用电缆连接。 当钻台及其上设备（绞车、转盘、井架等）在井场作纵、横向移动时，钻机的动力控制系统、泵组、固控系统设备可固定不动。,ZJ45D丛式井钻机,10,ZJ45D：是我国研制的第一台成套电驱动丛式井钻机。,11,ZJ45D电驱动丛式井钻机的特点： 采用AC-SCR-DC驱动，钻井绞车具有近似恒功率无极调速提升特性，转盘和钻井泵可实现恒转矩无极调速。 配备钻台移动系统，可使钻台沿纵向或横向移动20m。 配备两用水龙头，可实现气动旋扣。 绞车配备电磁涡流刹车，采用开槽滚筒，并增加了捞砂滚筒。,12,1绞车对驱动传动的要求若大钩提升速度能随载荷的变化而相应地改变， 即沿图中曲线I工
7、作，这是最理想的情况，功率利用最充分。QVC是理想功率曲线。若大钩提升速度V能随立根数的每一次减少而相应增加，即沿曲线2工作，则功率利用虽不是最理想的，也已很充分。 但在机械变速有限档的情况下，这是不可能做到的。曲线3是分级变速时的曲线 阴影三角面积是未被利用的功率，可见功率利用不充分。,第三节 工作机的负载特点及驱动方案,13,按绞车工作特点，对动力机组的要求是： (1)能无级变速，以充分利用功率，速度调节范围(2)具有短期过载能力，以克服启动动载、振动冲击和轻度卡钻。(3)绞车工作时起停交替，要求动力传动系统有良好的启动性能和灵敏可靠的控制离合装置。综上，绞车驱动需要的是具有恒功率调节、能
8、无级变速并具有良好启动性能的柔性驱动。,1、绞车对驱动传动的要求,14,2、转盘对驱动传动的要求,在钻井过程中，为适应不同的岩层，转盘的转速需要较大范围的调节。在处理井下事故时，还要求微调转速，并且能够倒转。当偶然卡钻时，具有过载保护能力。 为满足钻井工艺的上述需要，转盘对驱动传动的要求是： 转速调节范围R=510。 能倒转、能微调转速以处理事故。 有限制扭矩装置，防止过载扭断钻杆。转盘配备的功率是一定的，具有恒功率调节、能无级变速的柔性驱动、能充分利用功率。但钻井工艺有时要求恒转矩调节。,15,3、泥浆泵对驱动传动的要求,钻井泵一般都在额定冲次附近工作，负载的波动幅度也不大，因此对驱动系统的
9、要求比绞车、转盘都简单。 正常工作时，在不会造成井壁冲蚀的前提下，为了提高钻进速度，要充分利用所配泵的功率。 在理想情况下，泵的排量与泵压的关系曲线为一双曲线。 在实际操作中，为使泵不至于超载，通常采用换缸套的办法。该办法对泵的功率利用率较低。钻井工作对钻井泵的主要要求： 动力机具有一定的柔性，速度调节范围R=1.31.5，以充分利用功率； 允许短期过载，以克服可能出现的蹩泵。,16,二、钻机的典型驱动方案,钻机典型驱动方案有三： 单独驱动方案 统一驱动方案 分组驱动方案,17,1. 单独驱动方案,转盘、绞车、钻井泵三大工作机组，各由不同的动力机一对一或二对一地进行驱动； 电驱动钻机大都采用下
10、图所示的单独驱动方案；,18,1. 单独驱动方案,特点： 1）传动系统简单、效率高； 2）三大工作机之间无机械形式的联系，便于钻机在井场进行平面布置； 3）但装机功率利用率低，动力机不能互济。,19,2.统一驱动方案：,转盘、绞车、钻井泵三工作机由24台动力机并车统一驱动； 左图，三台柴油机由胶带并车统一驱动； 右图，三台柴油机变矩器由链条并车统一驱动,20,2.统一驱动方案,特点： 1）装机功率利用率高； 2）各动力机可以互济； 3）驱动系统复杂，传动效率低，安装找正困难。,21,3.分组驱动方案,分组驱动：将三个工作机分成两组，绞车、转盘为一组，钻井泵为另一组（或者绞车、钻井泵为为一组，转
11、盘为另一组），每组由动力机(柴油机或电动机)分别驱动，也称为二分组驱动。 特 点： (1)兼有统一驱动利用率高和单独驱动传动简单、安装方便的优点；(2)能满足现代深井、超深井钻机采用79m高钻台的需要。可将转盘和辅助绞车(猫头轴)在高钻台上，而主绞车不上高钻台；(3)能满足丛式井钻机对工作机平面布置的要求。转盘、绞车在钻台上并可随钻台一起作纵横方向的移动，而钻井泵组不必移动因此转盘、绞车同钻井泵组不能有任何机械传动方面的联系，必须进行两分组驱动。,22,三、驱动设备的特性指标,各类动力机有一些共同的技术经济指标，可用来评价它们的动力性和经济性：1.适应性系数KMmax发动机稳定工作状态时发出的
12、最大扭矩 Me 发动机额定（标定）功率时的扭矩； K值大小表明： 动力机适应外载变化（增加）的能力。 K值大，表明动力机过载能力大。,23,三、驱动设备的特性指标,2.速度范围Rnmax动力机最高稳定工作转速； nmin 动力机最低稳定工作转速。 R越大，表明动力机速度调节范围越宽。通常所说的柔性，即指K值大、R值大， 即动力机随外载增加（或减少）而能自动增矩减速（或减矩增速）的范围宽。,24,三、驱动设备的特性指标,3.燃料（能源）的经济性 指的是提供同样功率时所消耗的燃料费用。 柴油机、燃气轮机，以耗油率来表征； 电动机，则以耗电量、功率因素来表征。4.发动机比质量 即每单位功率（KW）的
13、质量：G 发动机（包括必备的附件）的质量，kg； Ne额定功率，kw。5.使用经济性 除已特殊指明的燃料经济性之外，使用经济性尚包括： 对工作地区的适应性、启动性能、控制操作的灵敏程度、工作的可靠性、安全性、持久性及维护保养难易性等。,25,四、钻机驱动类型,按照采用的动力设备的不同，钻机分为机械驱动和电驱动两大类。 机械驱动以柴油机为动力机；电驱动以直流或交流电动机为动力机。 1机械驱动机械驱动，依驱动机组驱动特性的不同可进一步分为以下两种： (1)柴油机直接驱动 以柴油机为动力，24台柴油机，通过胶带实现并车，将各柴油机动力集中起来，然后经齿轮、链条、万向轴、胶带等机械元件的多种形式的组合
14、，实现减速增矩、换向、倒车，从而带动绞车、转盘和钻井泵。驱动特性就是柴油机本身的特性，工作机只能实现有级调速。 (2)柴油机+液力装置驱动 柴油机输出轴直接连液力变矩器(或偶合器)，经链条并车，将各柴油机动力集中起来，然后再经链条、齿轮、万向轴、胶带等机械传动元件的多种形式的组合，实现减速、换向、倒车，从而带动绞车、转盘和钻井泵。驱动特性是柴油机液力变矩器联合输出特性，能自动变速变矩，属柔性驱动。,26,2.电驱动,电驱动，依其发展历程可分为：(1) ACAC驱动 柴油机带交流发电机发出交流电，经电力并车后，向交流电动机供电，经机械传动去驱动绞车、转盘和钻井泵。 (2) DCDC驱动 柴油机带
15、直流发电机发出直流电，向直流电动机供电，用直流电动机驱动绞车、转盘和钻井泵。 (3) ACSCRDC驱动 SCR: Silicon Controlled Rectifier 可控硅整流器 柴油机交流发电机组发出交流电，经电力并车后，再经可控硅整流，再向直流电动机供电，驱动绞车、转盘与钻井泵。 (4) ACVFAC驱动 柴油机带交流发电机发出交流电，经电力并车后，再经变频器成为频率可调的交流电，再向交流电动机供电，驱动交流电动机去带动绞车、转盘和钻井泵。这是正在发展中的第四代电驱动型式。,27,3几种典型驱动设备的外特性,所谓动力机的外特性，指的是扭矩M随转速n而变化的规律 即：M f(n)，常
16、用曲线描述，称为外特性曲线。,28,第四节 钻机的驱动类型及驱动特性,1.柴油机驱动特点 柴油机广泛用作钻井设备动力。其主要特点是： (1) 不受地区限制，具有自持能力。无论寒带、热带、高原、山地、平原、沙漠、沼泽、海洋，自带燃料都可工作，这对勘探和开发新油田是非常重要的。 (2) 产品系列化后，不同级别钻机，可采用所谓“积木式”，即增加相同类型机组数目的办法，以增加总装机功率，从而减少柴油机品种。 (3) 在性能上，转速可平稳调节，能防止工作机过载，避免出设备事故。装上全制式调速器，油门手柄处于不同位置时，即可得到不同的稳定工作转速。当外载增加超过max时，柴油机便越过外特性上稳定工作点而灭
17、火，不致造成传动机构或工作机因过载而损坏。 (4) 结构紧凑，体积小，重量轻，便于搬迁移运，适于野外流动作业。 (5) 扭矩曲线较平坦，适应性系数小(1.051.15)，过载能力有限；转速调节范围窄(1.31.8)；噪音大，影响工人健康；与电驱动比较，驱动传动效率低，燃料成本高等。,29,2.柴油机驱动特性 (一般了解),柴油机驱动特性就是柴油机自身的特性， 包括外特性、负荷特性和调速特性。1外特性当喷油量为最大时，性能参数Ne、Me 、ge、GT随n变化的规律性，即外特性。外特性是正确选择及合理使用发动机的基础。（参考Z12V190B柴油机外特性）(1)曲线定量地指明了不同转速下的Ne、Me
18、和ge的值。(2)曲线指明了最大功率Nmax、最大扭矩Mmax、最大功率时扭矩Me、最小耗油量gemin及相应的经济转速，可确定适应性系数和合理的工作转速范围。,30,2.柴油机驱动特性,2负荷特性定转速下油耗ge随功率Ne而变化的规律，称负荷特性。（参见Z12V190B型柴油机负荷特性曲线）依据负荷特性，可确定动力机在定转速下工作时的经济负荷，即耗油率最小时柴油机的功率范围。方法：由坐标原点引射线与ge曲线相切，切点所对应之功率即最经济的功率，因为该点Ne与ge比值最大。,31,2.柴油机驱动特性,3调速特性油门手柄固定，油泵齿条由调速 器自动控制时，Ne、Me与转速n的关 系，称调速特性，
19、如图所示。由调速特性知，装有全制式调速 器的柴油机，负荷可以在很大范围内 变化，而转速则可维持5的变化。 调节油门手柄位置，可得到一系列形 状类似的调速线。在选择匹配和操作使用柴油机时，联合 工作点都应在调速线上。若外载 超过e点，发动机将在超负荷工况 下运行，动力性和经济性指标都会 变坏，这是不利的。,32,2.柴油机驱动特性,4通用特性右图是Z12V190B柴油机 的通用特性曲线，最内层的 等油耗率曲线表明发动机最 经济的工作范围。,33,3.钻机柴油机的典型工况和功率标定,1典型工况 柴油机驱动钻机的三大工作机组时，典型工况有二：(1) 起升作业驱动绞车，功率在范围内周期地变化(柴油机配
20、以变矩器时，采用远控油门装置，负荷变化幅度稍小些)。每提升一根立根受载时间不长，工作是断续的即间歇受载。 (2) 钻进时驱动钻井泵，或同时驱动泵与转盘 ，接近或达到满功率运行，速度不变或变化很小。持续工作，每次可达10h以上。,34,3.钻机柴油机的典型工况和功率标定,2标定功率 功率标定的原则是根据柴油机的用途、特点，考虑其动力性、经济性及使用寿命的平衡。钻机用柴油机应根据其钻井过程中工况的特点来标定其功率及相应的使用转速。 (1) 起升功率Nd与转速nd 指用于起升时驱动绞车的功率和转速。 Nd取国标规定的12h功率，使用转速nd可取该机的额定转速。 (2)钻进功率Ndr与转速ndr 指用
21、于钻进时驱动泵和转盘的功率和转速。由于驱动泵和转盘进行作业时，柴油机在接近或达到满负荷工况持续运行， Ndr和转速ndr都应定得稍低些，可取相当于国标规定持续功率。 ndr取该机的经济转速。,35,国产Z190系列柴油机,国产钻机主要采用济南柴油机厂生产的Z190系列柴油机，该类机型已有近万台服务于石油钻探市场。,36,如下： 型号示例：PZl2V190BD表示配套机、增压、12缸、V型排列、缸径190、改造顺序号B、电驱动钻机用、标定转速为1500rmin、标定12小时功率。,PZl90系列柴油机型号编制的含义,37,4.钻机传动系统的功能,机械驱动钻机的传动方案依据钻机的用途、钻井深度、所
22、采用的驱动类型及主传动元件的不同而异。但是，任何一种钻机其传动系统的基本组成和所承担的任务却具有共性，都主要是由并车、倒车、减速增矩、变速变矩及转换方向等几部分所构成，将一台或几台驱动机组的动力及运动单独地或统一地传递给各工作机，以满足钻井工作的需要。 1并车作用：将多台动力机的动力集中起来，以便统一分配。现代机械驱动钻机都采用两台以上驱动机组，因此存在并车问题。广泛采用的并车方式是： 1）柴油机直接驱动，胶带并车传动，如ZJ45J、ZJ32J2； 2）柴油机液力驱动，链条并车传动，如F320、ZJ45、ZJ601。,38,4.钻机传动系统的功能,2倒车转盘需要倒车，绞车一般不需要倒车。倒车方
23、案，花样繁多，但究其实质，不外以下几种：(1) 齿正车、链倒车(齿轮传动正车、链传动倒车) 大庆130钻机就是齿正车、链倒车，但1号机组本身不能倒车。有的钻机，齿正车传动副和链倒车传动副安置在同一传动箱的两根平行轴上。(2) 链正车、齿倒车 链条钻机必须采用齿传动倒车，如F320-3DH钻机等，倒车齿轮副即置于链条变速箱中，可不必另设倒车箱。(3)双锥齿轮正倒车 这种方案适用于转盘单独倒车，需一个单独的正倒车箱，齿轮钻机常采用该方案。如ZJl303钻机。锥齿轮倒车，短万向轴水平传转盘，可使钻台面宽敞；缺点是增加了一付角传动。,39,4.钻机传动系统的功能,3减速与变速钻机动力机转速高，而工作机
24、转速低，从动力机到工作机一般要经过35次减速。另外，绞车和转盘要求调速范围为510。为充分利用功率，一般应设46个机械挡，柴油机变矩器驱动时，也应设34个机械挡。动力机至钻井泵无需变速，除泵本身已有一次减速外，在传动系统中再设12次减速即可。 4转换方向链条钻机，发动机与绞车滚筒轴及泵轴采用轴线平行布置方案无转向问题；而至转盘则有两种情况：转盘水平轴平行发动机轴线者，链条传转盘，无转向问题。转盘水平轴垂直发动机轴线者，短万向轴传动转盘，用角传动转向。 5带辅助调速的传动方案如图所示，在传动系统中增加了一个辅助调速的偶合器。通过调节其充液量可以微调转盘转速而不必单独降低柴油机转速，以保证3台动力
25、机组的正常并车，充分发挥它们的功率，为泵提供动力。当绞车需要较大功率时，仍可接通总离合器直接驱动。,40,二、柴油机液力驱动,1、液力传动基本原理如图，柴油机输出轴带动离心泵叶轮旋转，离心泵从液箱吸液，沿排液口高速排出，高速流动的液体冲击涡轮叶片，使其旋转，将能量经涡轮轴输出。,在该系统中，柴油机输出轴与涡轮轴没有机械连接，而是通过液体将它们联系起来，实现了动力的传递。这种依靠液体的动能实现动力传递的方式称作液力传动。,41,2、柴油机耦合器驱动,液力偶合器只传递力矩，而不改变力矩的大小,42,液力偶合器,43,柴油机耦合器驱动,44,液力变矩器(Torque Converters)的构造,3
26、、柴油机变矩器驱动,45,液力变矩器结构,主要由可旋转的泵轮B和涡轮T， 以及固定不动的导轮D三个组件组成。,46,液力变矩器中液体同时绕工作轮轴线作旋转运动和沿循环圆的轴面循环旋转运动，轴面循环按先经泵轮，后经涡轮和导轮，最后又回到泵轮的顺序，进行反复循环。,液力变矩器,47,液力变矩器,48,柴油机变矩器驱动优势,(1)随外载变化能自动无级地变速变矩。驱动绞车时，可明显提高钻机起升工效。 (2)使柴油机始终维持在经济合理的工况下运行，即使外载增大导致涡轮轴处于制动状态时，柴油机也不会被蹩灭。 (3)K值大，使机组适应外载变化的能力大大增强，例如，在高效区范围内K2（柴油机本身K：1.01.
27、15)；在重载时可高达3.54，使钻机解除事故，负载启动能力强，操作平稳。 (4)调速范围R增大，在高效工作区内，RnT2/nT12.0，在重载，轻载区仍可以工作，只是效率较低。为了提高效率，一般只需4个机械挡，这既简化了传动，又方便了操作。 (5)传动平稳柔和，吸收冲击振动，延长了机械设备寿命。 (6)柴油机液力变矩器并车较皮带并车传动效率提高3，减少了并车损失。,49,柴油机变矩器驱动弊端,柴油机变矩器驱动主要不足之处是效率偏低，变矩器最高效率一般为8590，且随涡轮轴转速变化其效率还要降低。纯钻进驱动泵时工效明显低于机械传动。此外变矩器结构比较复杂，还需要一套补偿和散热冷却系统。,50,
28、51,三、电驱动钻机工作特性,1、电动机的机械特性,电机转速n与转矩M之 间的关系，称电动机的特性,硬度系数a=转矩变化百分数/转速变化百分数,电动机的转速随转矩 变化的程度称为机械特性.,a,a4010,a10,52,2、直流电动机机械特性与人为特性,并励、它励电动机具有硬特性,53,2、直流电动机机械特性与人为特性,串励电动机具有软特性,54,2、直流电动机机械特性与人为特性,2、直流电机人为特性（调速方法）,降低电驱电压调速法,减弱磁通调速法,它励电机电驱串电阻调速-人为特性,电驱串电阻调速法,55,2、直流电动机机械特性与人为特性,2、直流电机人为特性（调速方法）,电驱串电阻调速法,降
29、低电驱电压调速法,减弱磁通调速法,56,3、交流电动机机械特性与人为特性,1、交流电机机械特性,交流电动机机械特性是硬特性，不能满足钻机工作机对调速的要求。,57,3、交流电动机机械特性与人为特性,2、交流电机变频调速机械特性,通过人为变频调速的机械特性，能够满足钻机工作机对调速的要求。,58,4、AC-SCR-DC可控硅直流电机,1、SCR电驱动,59,4、AC-SCR-DC可控硅直流电机,2、SCR电驱动优势,（1）、有人为软特性 调速范围宽，R=2.55；超载能力强，K=1.62.5；无极调速,（2）、简化机械传动系统，提高了效率（86）,（3）、发电机组运行在最佳工况，节省燃料，延长了
30、大修周期,（4）、并联驱动，动力可互济，分配灵活,（5）、便于钻机布置，维修费大大降低，自动化高，更安全,60,4、AC-SCR-DC可控硅直流电机,3、ZJ60D钻机的SCR驱动系统,61,4、AC-SCR-DC可控硅直流电机,ZJ60D钻机的直流电机GR752R机械特性,62,4、AC-SCR-DC可控硅直流电机,穿10跟绳,穿12跟绳,63,四、加速发展AC变频电驱动钻机,1、交流变频电驱动基本工作原理： 通过改变频率来调速,2、交流变频驱动的优势：,（1）能无极变速，可横功率调速，低速性能好,（2）有转矩、转速限定功能，有过载、过热、过硫保护性能,（3）短时超载能力强1.5-2，可带载启动，可实现对电网能量反馈,（4）交流电机效率高达96%，维护费用低，安全性好,（5）易于实现自动化控制,
