（机械工程专业论文）俄罗斯zj30db超低温钻机盘式刹车的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 俄罗斯z j 3 0 d b 超低温钻机盘式刹车的研究 机械工程 焦清朝( 签名) 屈文涛( 签名) 高加索( 签名) 摘要 盘式刹车系统是指由工作制动、紧急制动和驻车制动等子系统组成的复合制动系统， 可全面地满足深井、定向井安全作业和提高效益的要求。我公司从2 0 0 2 年开始研制生产 盘式刹车，产品已经形成系列，广泛用于各种规格钻机上，但对于俄罗斯超低温环境条 件下，能否使用盘式刹车，一直处于探讨的阶段。俄罗斯用户对z j 3 0 d b 钻机上所配置的 盘式刹车与我们常规的盘式刹车有所不同，分别是：a 通常为了平衡绞车受力情况，盘 式刹车的钳头对称均匀地布置在绞车滚筒两边，而在本台钻机上根据传动的具体情况钳 头都布置在绞车滚筒一侧：b 通常盘式刹车用在环境温度在- 2 0 一4 0 范围内，而俄罗 斯的最低温度在一4 5 一6 0 ；c 其它问题，如操作习惯等。在众多问题中，低温是一 个最关键的问题。 本文通过以下几个方面的研究：1 ) 盘式刹车选型，刹车钳、刹车盘、钳架等机械部分 以及配套液压系统的技术攻关；2 ) 为提高盘式刹车系统可靠性进行了杠杆结构、开式钳、 闭式钳并存形式及设置独立的应急制动系统的研究；3 ) 各关键件的设计和选型；4 ) 主要 零部件的工艺性研究；5 ) 刹车钳臂可靠性计算；6 ) 低温盘式刹车的调试和保养技术研究； 7 ) 超低温非金属材料的选用；8 ) 低温材料的选用及其性能的研究；9 ) 为满足低温环境下 工作的要求，而采取的其它措施。通过以上技术难题的攻关，重点解决了普通盘式刹车 在一4 5 温度条件下工作，以及在一6 0 温度条件下储存的难题。 该项目的研究成功将打破我公司出口俄罗斯钻机都是带刹的局面，对提高我公司产 品在俄罗斯市场的技术水平和产品质量有积极的促进作用，特别是对提高我公司产品在 俄罗斯市场的竞争能力有很大的帮助。 关键词：石油钻机钻机绞车盘式刹车俄罗斯超低温环境低温钻机 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：t h es t u d yf o rd i s cb r a k eo fz j 3 0 d bw i n t e r i z a t i o nd r i l l i n gr i gi nr u s s i a s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：j i a oq i n g c h a o ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：q uw e n t a o ( s i g n a t u r e ) g a oj i a s u o ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t d i s cb r a k es y s t e mm e a n sac o m p o u n db r a k es y s t e mt h a tc o n s i s t so fw o r k i n gb r a k e ， e m e r g e n c yb r a k ea n dp a r k i n gb r a k ee t c d i s cb r a k es y s t e mc a nf u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n to f s a f e t yo p e r a t i o na n de f f i c i e n c yi m p r o v e m e n ti nt h ed e e pw e l l & d i r e c t i o n a lw e l ld r i l l i n g o u r c o m p a n ys t a r t e dt or e s e a r c ha n dp r o d u c ed i s cb r a k ef r o m2 0 0 2 ，t h es e r i e sp r o d u c td e v e l o p e d b yo u rc o m p a n yh a sb e e nw i d e l yu s e di na l lk i n dd r i l l i n gr i g h o w e v e r , t h ef e a s i b i l i t yo f w h e t h e rd i s cb r a k ec a nb e a p p l i e di nu l t r a 1 0 wt e m p e r a t u r ei nr u s s i ai s s t i l lu n d e r i n v e s t i g a t i o n r u s s i a nc u s t o m e r sr e q u i r e m e n to nt h ed i s cb r a k ee q u i p p e di nz j 3 0 d bd r i l l i n g r i gi sd i f f e r e n tf r o mo u rc o n v e n t i o n a ld i s cb r a k ea n dd i f f e r e n c ei sl i s t e da sf o l l o w i n g ：a u s u a l l y , t h ed i s cb r a k e sn i p p e r sa r es y m m e t r i c a l l ya r r a n g e di nb o t hs i d eo fd wd r u m ，b u tt h e d i s cb r a k e sn i p p e rf o rd r i l l i n gr i ga s k e db yt h er u s s i a nc l i e n t si sr e q u e s t e dt ob ea r r a n g ei n o n es i d eo fd wd r u ma c c o r d i n gt oa c t u a ld r i v ec o n d i t i o n ；b u s u a l l y , t h ed i s cb r a k e sw o r k i n g a m b i e n tt e m p e r a t u r ei s 一2 0 一4 0 ，b u ti nr u s s i a ，t h em i n t e m p e r a t u r ei s 4 5 一6 0 ：c o t h e r q u e s t i o n s ，s u c ha so p e r a t i o nh a b i ta n ds oo n l o wt e m p e r a t u r ei sak e yp r o b l e ma m o n g t h e s eq u e s t i o n s t 1 1 i st h e s i sf o c u so nt h eb e l o wa s p e c t s ： 1 ) t e c h n o l o g i c a lb r e a k t h r o u g ho fm e c h a n i c a l s y s t e ms u c ha sd i s cb r a k et y p e ，b r a k ep l i e r s ，b r a k ed i s c ，c a l i p e rb r a c k e ta n ds oo na n dt h e r e l a t i v eh y d r a u l i cs y s t e m ；2 ) r e s e a r c ho nt h ec o e x i s t e n c ea n dt h ei n d e p e n d e n te m e r g e n c y b r a k es y s t e mo fl e v e r a g e ，o p e nt y p ep l i e r s ，c l o s e dt y p ep l i e r s ；3 ) d e s i g na n dt y p ef i x t u r eo f e a c hk e yc o m p o n e n t ；4 ) m a n u f a c t u r i n gc r a f t s s t u d yo fe a c hk e yc o m p o n e n t ；5 ) r e l i a b i l i t y a c c o u n t i n g o fb r a k ep l i e r s ；6 ) d e b u g g i n ga n dt e c h n i c a lm a i n t e n a n c er e s e a r c ho fl o w t e m p e r a t u r ed i s cb r a k e ；7 ) a d o p t i o no fu l t r a - l o wt e m p e r a t u r en o n m e t a lm a t e r i a l ；8 ) a d o p t i o n a n dp e r f o r m a n c er e s e a r c ho fl o wt e m p e r a t u r em a t e r i a l ；9 ) a d o p to t h e rm e a s u r e st om e e tt h e w o r k i n gr e q u i r e m e n tu n d e rl o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t b ym e a n so ft e c h n o l o g i c a l b r e a k t h r o u g ha b o v e ，t h ed i 衔c u l tp r o b l e mo fo r d i n a r yd i s cb r a k ew o r k i n gu n d e r 一4 5 a n d s t o r e du n d e r 6 0 i ss o l v e d t h es u c c e s sr e s e a r c ho nt h i sp r o j e c tw i l lb r e a kt h es i t u a t i o nt h a ta l lt h ed r i l l i n gr i g sw e e x p o r t e dt or u s s i aa r eb a n db r a k e ，b e s i d e s ；t h er e s e a r c hi m p r o v e st e c h n i c a lm e r i ta n dp r o d u c t q u a l i t yo fo u rp r o d u c ti nr u s s i am a r k e t ，e s p e c i a l l yi n c r e a s i n go u rp r o d u c t sc o m p e t i t i o n c a p a b i l i t yi nr u s s i am a r k e t k e y w o r d s ：p e t r o l e u md r i l l i n gr i gd r a ww o r k sd i s cb r a k ed wr u s s i a nu l t r a 1 0 w t e m p e r a t u r e c o l dw e a t h e r d r i l l i n gr i g a r t i c l et y p e ：a p p l i c a t i o na n d s t u d y 主要符号表 主要符号表 最大钩载l ( n z 有效绳数 1 1 游游动系统效率 q 游下放时游动系统载荷，约为起升时q 游的7 0 k n d ，滚筒第二层缠绳直径m m r l 绞绞车滚筒效率，取o 9 7 t - 一计算制动力矩，n m u 摩擦因数，取0 4 r 摩擦块中心到制动盘旋转中心的距离，m v i l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：鳓日期：趁竺2 ：! 兰竺j 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：理竺皇：2 呈少 日期： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 石油钻机概述 在石油及天然气勘探开发的各项施工中，钻井是一个重要环节。诸如寻找和证实含 油气构造、获得工业油流、探明已证实的含油气构造的面积和储量、取得有关油田的地 质资料和开发数据、最终的油气开采等等，无一不是通过钻井来完成的。 目前，中国经济全球化的趋势同益明显，利用国内外两种资源参与国内外两个市场， 全方位实施走出去和低成本战略，已成为今后油公司和石油工程技术服务公司的基本战 略。据统计，国外钻井费用约占勘探费用的5 0 - 8 0 ，占油f f l 开发成本的3 0 ( 海上) 到8 0 ( 陆上) ；我国钻井费用约占石油工业总投资的4 0 。因此，钻井技术装备的发展 为降低油气生产成本提供了巨大潜力。钻井成本包括两个方面：一是直接钻井成本；二 是辅助成本( 运输成本和停工成本等) ，因此要求钻机高度集装化，有良好的操作性能、 安装移运性能和环境适应性，以求最大限度地降低钻井辅助成本，提高钻机对作业环境 的适应能力。 国外石油钻机按移运方式分为两种：移动式钻机和橇装模块式钻机。其中橇装模块 式钻机是指将钻井装置按模块功能、便捷安装的要求，分装在每个底座上，在搬家移动 时快速分拆，分块运输，到井位后通过一定的安装，实现钻井装置的功能。从石油钻机 发展初期至今，橇装模块钻机一直是石油钻机的最基本型式，得到最广泛的应用。虽然 它在移运性上稍逊于移运式钻机( 如自走式钻机) ，但橇装模块钻机布置灵活，钻井能力 涵盖范围大，环境适应能力强，井架稳定性好，性价比相对较好。尤其是性能优异的交 流变频驱动方式进入钻机行业之后，由于自走式钻机必须配置用于行车的柴油机，所以 橇装模块钻机更显出其经济和技术优势。而且，随着技术进步，使橇装模块钻机的拆装、 运输更加方便，效率更高。 目前，美国钻机技术水平代表着国际上石油钻机的最高水平，其中以 n a t i o n a l - o i l w e l l 公司和v a r c o 公司为代表，其主要特点是： ( 1 ) 钻机趋向大型化、结构型式多样化。如v a r c o 公司的a d s3 0 q 绞车功率可达 4 4 7 7 k w ，预计钻井深度可达1 5 0 0 0 m ，泥浆泵的水马力达2 3 5 0k w ，车装式、拖挂式、橇 装模块式种类齐全。 ( 2 )电气传动技术的进步使得传动更加简单，特别是广泛使用了交流变频驱动技术。 比如已开发出w i r t h 和v a r c oa d s 齿轮传动单轴绞车，还可以使用主电机能耗制动取代 辅助刹车。 ( 3 ) 新型的一体化旋升式井架和底座、多节自升式井架的起放更安全，使钻机在钻 井过程中更稳定，占用井场面积更小。 ( 4 ) 盘式刹车、顶部驱动钻井装置、立根自动排放机构、铁钻工装置的使用，使钻 西安石油大学硕士学位论文 井智能化、自动化成为现实，使科学钻井成为可能。 ( 5 ) 钻机移运性能不断提高，快速搬迁能力成为钻机的关键竞争力。 ( 6 ) 注重以人为本，更加适应h s e 要求。 近年来国内钻机在满足常规钻井工艺要求方面，与国外的先进水平差距正在缩小， 车装钻机、5 0 0 0 m 、7 0 0 0 m 和电驱动钻机( s c r v f d ) 技术成熟而且保持与国际先进水平 同步，个别性能甚至优于国外先进水平，比如车装钻机的移运性能。国内钻机与国外钻 机的主要差距表现在以下几个方面： 钻机不能很好地满足特殊的钻井工艺要求，比如大位移钻井、超深复杂钻井。 设计理念：国外是从三维实体到二维，国内则仍是从二维到三维实体。国外钻机的 设计理念是以不用人或少用人为目标，国内钻机的设计仍需要考虑充分就业( 除海上) 。 国外已经达到精确设计，国内为了安全而一味提高安全系数。 国外对钻机的关键配套件如电机、液气元件，充分考虑钻机的运转工况，包括适应 一些特殊工艺，而国内大多为通用件，因而在一些关键技术指标上存在不足。 国内对h s e 的关注已经有很大进步，但仍然不够。 橇装模块钻机的主要特点如下： ( 1 ) 驱动型式。常采用高速柴油机加液力机械传动箱，使用的高速柴油机多为卡特彼 勒3 4 0 0 、3 5 0 0 系列柴油机，它们的外形尺寸小，3 4 0 0 系列不超过1 9 3 6 m m x 11 4 3 m m x 1 3 6 9 m m ，重量轻，油耗低于2 2 7 9 ( k w h ) ，排放好，性能可靠，寿命在2 4 0 0 0 h 以上，功 率范围大，从1 9 9 - 7 4 6 k w ( 2 1 0 0 r m i n ) 。 柴油机电子喷射控制技术的应用使发动机功率又上升一个档次，而且油耗更低，排 放更好。卡特彼勒3 4 0 0 系列高速柴油机经技术改造，可实现中速柴油机的性能，但重量 和价格仅为同样功率中速柴油机的一半，这就为钻井泵组提供了更好的选择。 阿里森传动箱的三元件变矩器提供了平稳无冲击的操作，变速箱为液压换挡，气动 控制，操作简便可靠，外形尺寸小，比如，净输入功率为1 6 7 8 k w 的$ 9 8 0 0 传动箱，外形 尺寸为1 8 3 6 m m 9 1 4 m m x9 9 3 m m ，重量仅为1 6 7 8 k g 。阿里森传动箱功率范围大，从3 3 2 k w 到1 6 7 8 k w ，可靠性高，使用寿命在2 5 0 0 h 以上。 近年来迅速发展的交流变频驱动则更具优势，它有以下特点： 绞车、转盘可实现无级调速。由于电机本身有很宽的调速范围，不再需要绞车和转 盘的内变速系统或多档外变速系统，一般来说，使用两档变速箱即可满足要求。随着变 频控制技术的进步，可以完全取消档位。所以，交流变频驱动使绞车结构简化，质量减 轻，体积缩小，为钻井作业提供了优越的施工条件。 交流变频电机动力特性好，短时过载能力达额定值两倍以上，提高了钻机提升能 力和处理事故的能力。 采用计算机自动控制技术，对起下钻工况和钻进工况实时监控和记录，采用计算 机远程通信技术，可对钻机进行远程数据传输，并可进行远程故障检测，快速解决钻机 2 第一章绪论 使用过程中出现的控制系统问题。钻井泵排量、冲数、转盘转数、扭矩等参数能与自动 化及仪表系统紧密结合，可实现全数字显示，实现钻机的自动化、智能化和对外界变化 的自适应控制。可以很方便地实现主电机或应急电机自动送钻。 交流变频电传动钻机体积小，单机容量大，具有转盘扭矩限制功能，可防止钻具 扭断。 交流变频电传动钻机具有能耗制动功能，可起到主刹车的作用，使机械式刹车只 作为停车制动和紧急制动用。 交流变频驱动使用的是三相异步电机，相对直流电机驱动方式而言，前者无碳刷 换向器，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理，具有安全保护功能。负载功率因 数高，能耗低，传动效率高。 ( 2 ) 橇装模块钻机的绞车及传动方式。旧式橇装钻机常采用内变速多轴式绞车，体积 和重量都大。采用高速柴油机加液力机械传动箱后可简化绞车结构，因液力机械传动箱 本身有6 个正档1 个倒档，并能可靠地远距离控制，绞车不再需要内变速结构。如 z j 3 0 1 7 0 0 橇装钻机绞车( 单轴，带捞砂滚筒) 重量不超过9 吨，仅为z j 3 2 l 钻机绞车 重量的1 4 。 功率大于5 0 0 k w 的绞车，为提高可靠性和提高低负荷工况下的经济性，其动力系统 一般不采用单机而采用双机并车。并车有三种形式： 第一种是链条并车，如w il s o n 、k r e m c o 的钻机。链传动对尺寸的要求不严格，重 量轻，可实现大的中心距。缺点是噪音比较大，且国内套筒滚子链高速工作寿命比较短， 在2 0 0 0r m i n 情况下不超过1 5 0 0 h 。链传动的功率也比较有限。 第二种是圆柱齿轮并车，c o o p e r 钻机多采用这种方式。它对传动尺寸要求严格， 但噪声较小，传递功率大。 第三种是万向轴加螺旋锥齿轮并车，i r i 钻机多采用这种方式。它对传动尺寸要求 不严格，噪音小，传递功率重量比大。 为减轻绞车的重量，橇装模块钻机的辅助刹车较少采用电磁涡流式，一般选用气控 水冷盘式刹车。气控水冷盘式刹车的优点是不仅可作辅助刹车，也可作主刹车；制动扭 矩与气缸压力成正比，可人工精确控制，配置自动送钻系统可实现自动送钻；盘刹直接 装在滚筒轴上，制动功率重量比大：使用内循环水冷却和无公害摩擦片，有利于环境保 护和员工健康。 交流变频电传动更为优越，由于其输出外特性为恒功率( 低速部分为恒扭矩) ，且变 速范围宽，能以能耗制动做主刹车用，因而可以使用结构最简单的绞车。绞车外的传动 系统也可以大大简化，从近年的发展来看，趋向于使用高速重载齿轮传动代替链传动。 ( 3 ) 橇装模块钻机的转盘传动系统。机械驱动钻机中，转盘与绞车常采用统一驱动形 式，共用一台主机，或几台主机并车后驱动绞车、转盘和泥浆泵。对转盘的传动为链条 加螺旋锥齿轮角箱，可实现正倒转。配置刹车机构，可安全释放钻杆变形能引起的反转 西安石油大学硕士学位论文 扭矩。交流变频驱动钻机中，转盘可以采取上述统一驱动方式，也可单电机驱动。 ( 4 ) 项部驱动钻井装置。有液压、直流和交流变频三种驱动方式，各有特点，但交流 变频驱动更具良好的发展前景。 ( 5 ) 提升系统。游车大钩采用游动滑车与大钩一体化结构，可比两体式长度短1 8 ， 增加了井架的有效高度，安全性更好。2 2 5 0 k n 的游车大钩滑轮直径为9 1 5m m ，绳槽直径 为3 2 m m ，重量仅为4 7 3 t ，外形尺寸只有3 4 5 0 m m 9 7 0 m m 8 5 0 m m 。在使用顶部驱动钻井 装置时采用分体式游车大钩较好。 ( 6 ) 井架。由于对运移尺寸的限制较宽松，橇装模块钻机井架的结构形式比较多。可 以是前开口、双节套装式井架，机械起升与伸缩，井架材料采用角钢或矩形钢管，承载 机构采用承载蹄或承载销，采用四点或两点式支撑。也可以是直立式、前开口、分段低 位组装、整体提升的井架，或一体化的新型旋升式井架和底座，以及直立多段举升式井 架，以满足不同用户的需求。南阳石油机械厂近年开发成功的五节套装式自升式井架， 占地面积很小，拆装方便快捷，移运性好，在各油田尤其是老油田和土地资源宝贵的油 田受到广泛欢迎。 ( 7 ) 底座( 含钻台) 。橇装模块钻机的模块化底座大致分为两种形式：箱叠式和自升 式。箱叠式底座中，各种功能块( 主机和绞车橇、钻台橇、立根座橇、基础座等) 做成 箱叠式结构，可以分拆运输，使用时通过各种拉杆、v 型座等联结在一起。钻台高度应 满足安装压力级别为3 5 m p a 的单闸板、双闸板和环形防喷器的需要。自升式底座在作业 时升起，移运时缩回。有时两种结构型式结合使用。 ( 8 ) 机泵组。橇装模块钻机的钻井泵组可采用单机单泵配置，预留并泵管汇，采用卡 特彼勒3 4 0 0 或3 5 0 0 发动机，再通过p t o 离合器来分别驱动各泥浆泵。浅井钻探时不需 要换缸套，利用柴油机的调速范围改变泵组排量以适应钻井工艺要求。在深井钻探需要 大排量时可另配缸套。z j 4 0 钻机更多地是并机双泵配置。 ( 9 ) 固控系统。固控系统要尽可能简化，要求泥浆工在泥浆罐踏板上能完成所有操作， 节约操作时间。泥浆净化系统要选用多级震动筛以减少净化设施，一般要配除泥器、除 沙器。泥浆立管为双立管h 型连接，以满足正反循环的需要。 0 0 井控系统。井控系统的配置包括一个四通、一个双闸板，一个环形防喷器加泥浆 出浆管。压井管汇和节流管汇同时配备。压力等级选在3 5 m p a 以下，防喷控制蓄能器安 装在综合房内，用气管排连接。 o d 电气系统。以柴油机为动力的橇装模块钻机，其电气系统配置一个功率适度的发 电机组，满足井场照明和固控系统动力的要求。交流变频驱动钻机的电气系统还必须考 虑与主传动电动机的功率相匹配。 q 乃供油、供水( 气) 系统。整套钻机的柴油机由一个油罐集中供油，各柴油机旁不 设油箱，以减少各橇的外形尺寸和重量。由水( 气) 罐通过泵向各处供水供气。管路全 部采用快速连接，以方便拆卸。 4 第一章绪论 其他方面。充分考虑在井架上安装顶部驱动钻井装置，以提高钻机性能。钻井仪 表应满足钻井工艺的要求，实现计算机采集处理一体化，远程信息传输与控制。配备必 要的钻杆盒，提高钻机搬家效率，减少运输车辆。 g b t 2 3 5 0 5 2 0 0 9 石油钻机和修井机中钻机型号表示方法：见图1 - 1 。 z j口口 口一口 橇装式表示符号省略 z 自行走钻机 卜拖挂式钻机 l 一链条并车钻机 卜转盘直流电机驱动 j 一皮带并车钻机d b _ - 转盘交流变频专机驱动 c 齿轮并车钻机 卜液压钻机 d j 交流工频电动钻机 卜直流电动钻机( a c - s c r - d c ) 分子表示用1 1 4 m m 钻杆标定，以l o o m 为单位计的名义 最大钻井深度。分母表示以k n 为单位的钻机最大钩载 z j 钻机 图1 - 1 钻机型号的表示方法 示例1 ：名义钻深5 0 0 0 m 、直流电驱动橇装钻机型号表示为：z j 5 0 3 1 5 0 d 。 示例2 ：名义钻深7 0 0 0 m 、链条并车钻机、转盘交流变频电机驱动钻机型号表示为： z j 7 0 l d b 。 石油钻机按名义最大钻井深度和最大钩载分为1 0 个级别，各级别为z j l o 6 0 0 、 z j l 5 9 0 0 ，z j 2 0 1 3 5 0 ，z j 3 0 1 8 0 0 ，z j 4 0 2 2 5 0 ，z j 5 0 3 1 5 0 ，z j 7 0 4 5 0 0 ，z j 9 0 6 7 5 0 ， z j l 2 0 9 0 0 0 、z j l 5 0 1 1 2 5 0 ，国标中各级别钻机的主要基本参数在此不提了，仅列出南阳 二机石油装备( 集团) 有限公司生产的部分橇装模块钻机主要技术性能参数，见表卜l 。 本文研究的是z j 3 0 d b 钻机。 两安石油大学硕士学位论文 表1 - 1 橇装模块钻机主要技术性能参数 产品型号 z j l 0 d bz j 2 0 kz j 3 0 kz j 3 0 d bz j 4 0 k 钻井井深4 1 2 i n 钻杆 5 0 0 1 0 0 012 0 0 2 0 0 0l6 0 0 3 0 0 01 6 0 0 3 0 0 02 5 0 0 4 0 0 0 m 5 i n 钻杆 5 0 0 8 0 011 0 0 1 8 0 015 0 0 2 5 0 015 0 0 2 5 0 02 0 0 0 3 2 0 0 最大钩载k n6 7 51 5 8 01 7 0 01 7 0 02 2 5 0 大钩速度m so 1 10 2 1 50 2 1 5 0 1 1 o 1 5 1 3 6 井架高度m 2 93 l3 34 14 2 钻台面高度m2 74 55 854 5 交流变频c a t 3 4 0 8 c交流变频调速 动力机型号 c a t 3 4 1 2g z l 2 v 1 9 0 p z l 3 调速电机 d i t a 电机 动力机功率k w 2 3 04 8 52 3 9 65 0 03 8 1 0 传动型式 电动+ 机械液力+ 机械液力+ 机械 电动+ 机械 液力+ 机械 四档箱 传动箱型号 c l b 6 0 6 l 2 s 5 6 0 0 b y 8 0 0 j z k 1 9 0 游动系统 4 54 55 6 4 55 65 6 j c 2 8 1 1 或 绞车 j c l 2j c 2 l dj c 2 8 ej c 3 2 j c 3 2 a 辅助刹车2 2 4 w c b3 2 4 w c b3 2 4 w c b2 3 6 w c b 主大绳直径m m 中2 1 5中2 9由2 9 由3 2由2 9由3 2 游车大钩型号y g 7 0y g l 6 0 by g 2 2 5y g 2 2 5y g 2 2 5 水龙头型号 s l l l 0x s l l 7 0s l 2 2 5s l 2 2 5x s l 2 2 5 转盘型号 z p l 7 5z p l 7 5刁p 2 捏嬲 z p 2 7 5 z p 2 7 5 液路系统工作压力 1 4 m p a 气路系统下作压力o 8 5 m p a 主机质量k g 8 0 0 0 08 6 0 0 09 8 5 0 01 6 7 0 0 02 4 0 0 0 0 1 2 钻机绞车概述 1 2 1 绞车产品系列 绞车的规格按主滚筒最大快绳拉力( k n ) 的1 1 0 量值表示，产品系列定为四种规格： 1 2 、1 4 、1 8 、2 1 、2 8 、3 0 、3 2 、4 0 、5 0 、7 0 等。 1 2 2 绞车型号表示方法 见图卜2 绞车型号的表示方法 6 第一章绪论 j c口口口 一口 改型代号：用英文字母( a 、b 、c ) 顺序排列 主刹车型式，带式刹车时不标注，盘式刹车时用p 表示 捞砂滚筒规格：以捞砂滚筒最大快绳拉力( 1 ( n ) 的1 1 0 量值 表示。单滚筒时此项( 即口) 不标注 主滚筒规格：以主滚筒最大快绳拉力( k n ) 的1 1 0 量值表示 绞车代号 图1 - 2 绞车型号的表示方法 例如：主滚筒最大快绳拉力为2 1 0 k n 、捞砂滚筒最大快绳拉力为l1 0 k n 、主刹车为盘 式刹车的双滚筒修井绞车，其第二次改型设计的绞车型号表示为j c 2 1 1 1 p b 。 1 2 3 基本参数 绞车基本参数( 部分) 应符合表1 - 2 的规定。 表1 - 2 绞车基本参数 基本参数适用钻机 规格 主滚筒最人快绞车额定钢丝绳公称 型号有效绳数 绳拉力，k n功率，k w直径，m m j c l 81 8 02 5 7 3 3 02 6z j1 0 9 0 0 z6 2 6z j l 5 1 3 5 0 z j c 2 l2 1 03 3 0 5 0 08 2 9z j 2 0 l5 8 0 z j c 2 8 2 8 0 ( 3 2 0 ) 4 0 0 5 5 0 2 9 ( 3 2 ) z j 3 0 i7 0 0 z j c 3 23 2 07 3 53 2z j 4 0 2 2 5 0 z 1 0 ( 8 ) 注：括号中数字为改变有效绳数，相应的主滚筒最人快绳拉力。 1 2 4 绞车的结构及工作原理 绞车是钻机的核心部件，为典型的密闭框架式结构，主要由主( 捞砂) 滚筒总成、 刹车系统、绞车机架和护罩总成、天车防碰装置、刹车冷却装置等组成。见图卜3 单滚 筒绞车；图1 - 4 双滚筒绞车。 7 西安石油大学硕士学位论文 1 w c b 辅助刹车2 绞车机架及护罩3 滚筒总成4 链轮 5 离台器6 铭牌7 润滑管线8 刹车系统9 防碰装置 图1 - 3 单滚筒绞车 图1 _ 4 双滚筒绞车 1 链条护罩 2 捞砂滚筒 3 捞砂滚筒刹车系统 4 机架及护罩 5 主滚筒 6 主滚筒刹车系统 7 润滑系统 8 捞砂滚筒控制阀 9 铭牌 第一章绪论 1 2 5 滚筒总成 a 结构特点 滚筒总成见图1 5 主要由滚筒体、轴、推盘离合器、轮辐、输入输出链轮、刹车毂( 或 刹车盘) 、护罩、连接盘等组成，根据需要可配备内循环水冷管线。 1 - 晨 i * 2 一w c b # 肪自 3 一束日统一滚自a 5 一# 6 一i7 一过渡法18 一链#9 一目g 囤卜5 滚筒总成 滚筒轴采用优质合金钢锻制而成，滚筒体是铸钢件和铜扳组焊而成其上装着刹车毂 ( 采用盘式刹车时，刹车盘用铰制孔螺栓连接在滚筒侧板上) ，刹辙上可以焊冷却水套。 滚筒轴以双列调心滚子轴承支撑，轴承座坐在绞车机架上并以螺栓联结，滚简体与轴的联接采 用键过盈配合。滚筒体上设有里巴斯绳槽。主滚筒输入端安装轴向推盘离合器，控制滚筒的旋 转运动。滚筒轴上所有轴承均通过黄油管线集中于绞车架外捌，实现集中保养润滑。 滚筒在加工装配结束后均进行动、静平衡试验、气压试验，以及相当于快绳拉力的 滚筒体强度试验。 b 滚筒刹车系统 1 ) 带式刹车的结构特点 带式刹车系统是一种机械杠杆式刹车机构。用来制动滚筒，使游车大钩和钻具停止 在任意位置。主要由钢带、刹车块、限位龋、调节丝杆、刹车轴、刹把轴、轴承、轴承 座及刹把等组成。见躅卜6 。 西安石油大学硕士学位论文 1 一套车垂2 襄主z3 簧轴 杠杆5 一油暑6 一活塞 图卜7 工作钳工作原理图 l o 第一章绪论 5 1 一刹车盘2 一一刹车块3 一销轴4 一杠杆 5 一单向注油阀6 一活塞7 一油缸8 一碟簧 图i - 8 安全钳工作原理图 ( 2 ) 安全钳工作原理。参见图1 - 8 ，安全钳是常闭式安全型制动钳，其基本工作原 理是：当安全钳油缸没有油压时，碟簧力通过两个杠杆传递给刹车块而作用于刹车盘上， 产生正压力n ，实现刹车；当安全钳油缸有油压时，该油压力克服碟簧力而使碟簧弹簧 压缩，从而通过杠杆带动刹车块松刹。液压盘式刹车与传统的带式刹车相比较，具有刹车力 矩容量大，制动效能稳定，刹车副动作惯性小，刹车力可调性好，刹车准确灵敏，操作轻便，调整 维修方便的特点。液压系统结构简单、紧凑、布局合理，性能可靠，使用安全。 1 3 盘式刹车研究现状及发展趋势 钻机主刹车通常为带式刹车，是通过司钻操作一根一米多长的刹把来完成复杂的刹 车操作，作用在刹把上的力通常是3 0 5 0 k g ，因而“扶刹把”是司钻一项很繁重的体力 劳动。而且，随着油田的不断开发，钻井深度不断增加，大钩载荷不断增大，带刹车机 构是钻机的核心和要害部件，由于自身结构和固有特性，已经不能充分满足深井和超 深井作业以及紧急状态下刹车的需要。盘式刹车具有力矩容量大、制动性能稳定、耐热 衰退性好、操作灵敏、维修调整方便、易于遥控和实现自动化操作1 ，盘式刹车制动系 统的性能就成为体现对盘式刹车技术认识深度和设计水平的重要方面。 石油钻机盘式刹车的整体性能远远优于带式刹车，在国外已广泛应用于石油钻机。 盘式刹车系统是由工作制动、紧急制动和驻车制动等子系统组成的复合制动系统，各个 西安石油大学硕士学位论文 子系统都按照它们所承担的任务进行设计，具有各自的满足作业要求的性能。盘式刹车 具有良好的操作柔性和微调节性能，使司钻在钻井作业中易于控制p 1 。近几年来，国内 钻井市场对盘式刹车的配套需求量较大，其中包括一部分老钻机改造。在轻型钻机及车 载钻修机上配套盘刹，需要着重解决的问题是安装空间的问题，以及盘刹与整机统一操 作、控制的问题。这就要求盘刹结构尺寸尽量小，便于安装维护，最好能与同型号带式 刹车互换。盘式刹车简约的结构，既加大了操作空间，减少了井口事故发生率，可更全 面地满足深井、定向井安全作业和提高效益的要求，也为新型的传动方式提供了可能， 为整个钻机的自动化控制提供了更广阔的空间，对提高绞车控制的技术水平和产品质量 有积极的促进作用。 1 3 1 盘式刹车国外研究现状及发展趋势 盘式刹车是2 0 世纪8 0 年代发展起来的钻井装备，是钻机刹车系统的重大变革之一。 在国外有美国、挪威、加拿大等多家公司生产，产品呈现多样化的发展趋势。美国是最 早发展钻机盘式刹车技术，也是当前水平最高的国家。美国国民油井公司已完成了盘式 刹车能量监控系统与自动送钻系统的研究并形成系列产品。挪威m h 公司为海洋石油钻机 配备了电驱动绞车，输入功率为4 0 0 0 h p ( 2 9 4 1 k w ) ，采用了液压控制的盘式刹车，有两 个水冷内腔的刹车盘，刹车盘的直径为2 2 2 0 m m ( 8 7 为i n ) ，在每个刹车盘上配有1 个或 2 个紧急刹车钳和3 个工作刹车钳。该盘式刹车是目前世界上最大的盘式刹车，钻井最 大钻深达9 1 4 4 米。 目前，国外在用的石油钻机绞车中，广泛应用着带刹车系统，因为带刹车系统是一 种成熟的传统结构，使用了很长时间，是一种结实可靠、使用习惯的刹车系统。然而， 随着各个油田的持续不断地开发生产，钻井深度的继续增加，大钩载荷不断加大，由于 带刹车系统固有的工作特性的限制，已经不能充分满足深井和超深井作业和紧急状态下 刹车的需要。比如刹车力矩不足、刹车性能不稳定、操作费力、刹车不灵敏、耐热衰退 性差等，致使在钻井作业时或紧急状态刹车时发生溜钻和顿钻事故。所以，一直迫使人 们研究开发和应用新型盘式刹车。二十世纪七十年代，人们就在绞盘起锚机上采用了盘 式刹车，装在钻井船上使用效果较好，为了进一步用在石油钻机上，一直在实践中不断 改进和完善。直n - - - 十世纪八十年代，美国r o w e n 公司和g a l v e s t o n h o u s t o n 公司才开 始设计了石油钻机绞车盘式刹车，安装在美国n a t i o n a ls u p p l y 公司生产的1 6 2 5 一d e 型 超深井石油钻机上进行试验，并于1 9 8 5 年2 月试验成功。1 9 8 5 年8 月美国钻井承包 商杂志报导了试验结果。1 9 8 5 年1 1 月，美国石油新闻杂志也刊发了盘式刹车试 验成功的消息。1 9 8 6 年6 月，美国石油工程师杂志也报导了盘式刹车研究成功，并 说明了盘式刹车的结构和工作原理。盘式刹车在当时已成为石油钻机的热门话题，对盘 式刹车试验均给予高度肯定的评价，从此掀开了盘式刹车进一步广泛应用的篇章。 1 9 8 6 年美国g a l v e s t o n h o u s t o n 公司改装了系列石油钻机绞车的带刹车系统，绞车 1 2 第一章绪论 输入功率为6 3 0 一- - 3 0 0 0 h p ，共有6 种规格系列盘式刹车，经过钻井实践证明具有较好的 使用效果。美国n a t i o n a l - o i lw e l l 公司在1 6 2 5 一d e 型绞车上试验成功盘式刹车后，总 结了研制盘式刹车的经验，进一步改进了盘式刹车，并且完成了系列石油钻机( 包括机 械驱动和电驱动石油钻机) 盘式刹车设计，替换了原来的k 型系列带刹车系统。绞车的 输入功率范围为1 0 0 0 4 0 0 0 h p ，刹车盘直径为1 3 8 4 3 1 7 2 7 2 m m 。1 9 8 8 年美国 c o n t i n e n t a l e m s c o 公司推出了s s ( s u r es t o p ) 型石油钻机绞车盘式刹车，用于该公司 生产的c 系列石油钻机中的3 种规格绞车( 绞车输入功率分别为1 5 0 0 h p 、2 0 0 0 h p 、 3 0 0 0 h p ) ，也可用于现有在用的石油钻机进行改装。美国d e c o 公司在钻井深度为8 0 0 0 m 石油钻机绞车上也采用了盘式刹车，经过钻井实践证明效果也很好。 挪威m a r i t i m e h y d r i l i t s 公司是专门生产液压驱动石油钻机的，世界著名的 m u d - m a s t e r 液压驱动钻井泵就是该公司第一个研究开发的。该公司在1 9 9 2 年研制的海 洋石油钻机中，采用了盘式刹车系统，绞车的输入功率为4 0 0 0 h p ，刹车盘直径为2 2 2 0 m m ( 8 7 4 i n ) ，这是目前世界上石油钻机绞车最大直径的刹车盘，该海洋钻机研制成功后， 在海洋地区钻井，绞车盘式刹车也取得了较好的使用效果。 加拿大d r e c o 公司是一个比较大的石油钻井装备公司，生产陆地钻机、沙漠钻机、 极地钻机以及自升式钻井装置、半潜式钻井船和钻井船用石油钻机、平台钻机等。该公 司生产的机械驱动钻机、a c s c r d c 电驱动钻机、a c 变频电驱动钻机等采用了盘式刹车， 已经形成系列。经过钻井实践证明，盘式刹车性能好、使用安全可靠，可以取代带刹车。 1 3 2国内盘式刹车情况 我国对盘式刹车的研究始于1 9 8 6 年，并首先成功地应用在通井机上一1 。即j i o ap s 2 5 型盘式刹车，是一种液压控制、以制动盘及多副制动钳为制动偶件的刹车，分别设计有 工作状态相反、形成安全互锁的正常工作钳和应急安全制动钳两套子系统，并能各自独 立刹住和悬持最大载荷，可靠性大为提高。然而结构复杂。后在其基础上又针对x t l 2 b 履带式通井机研制了p s t 2 5 型盘式刹车系统1 。这种盘式刹车主要由制动钳、支架、制 动盘、液压控制系统及刹把组件等组成。其工作原理是迸油松刹，排油制动，制动力的 大小是通过刹把调节刹车阀改变油缸压力来实现的。现在