石油钻采设备.doc

一、工作机的负载特点及对驱动特性的要求：1绞车理论功率曲线：QVC是理想功率曲线,即图中曲线1 工作特点: 绞车的载荷曲线 是沿曲线2 ？*实际功率曲线：曲线3是分级变速时的曲线，可见功率利用不充分，阴影三角面积是未被利用的功率。绞车对驱动传动的要求是： (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、能无级变速并具有良好启动性能的柔性驱动。2、转盘对驱动传动的要求1)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。2)在处理井下事故时，还要求微调转速，并且能够倒转。3)当偶然卡钻时，需要设置限制力矩装置，达到限定力矩值时能自动停止旋转，具有过载保护能力。转盘对驱动传动的要求是：1）要有一定的柔特性，调速范围较宽，R510；2）能倒转、能微调转速以处理各种事故；3）能够无级微调，有限制扭矩装置，防止过载扭断钻杆速。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。3、泥浆泵对驱动传动的要求正常工作时，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。但在实际操作中，钻井泵在一定的冲次下工作，为使泵不至于超载，通常采用换缸套的办法。在处理井喷事故时，有时要求微调泵的排量。为此要求动力传动系统具有一定的调速范围，R1.31.5即可满足要求。 钻井泵一般为无载启动，启动不频繁，对启动转矩、超载能力的要求低于绞车，但为了克服钻井过程中可能出现的蹩泵，要求动力传动系统具有短时过载能力。 泵对驱动传动的要求是： 1）动力机要有足够的过载能力； 2）动力机具有一定的柔特性（R1.31.5）。二、典型驱动方案1.单独驱动方案 单独驱动：转盘、绞车、钻井泵三工作机组，各自由独立的动力机进行驱动。 特点： 1）传动系统简单、效率高； 2）工作机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。示例 （见下页图）电驱动钻机大都采用如图所示的单独驱动方案，如国产ZJ50DBS、ZJ70DBS 2.统一驱动方案 统一驱动：首先将24台动力机并车，然后再统一分配并传递给转盘、绞车、钻井泵三工作机。 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。机械钻机广泛采用统一驱动方案。示例1：三台柴油机由胶带并车统一驱动钻机 ZJ45J 。国产ZJ32J2钻机也属此类型。 示例2：三台柴油机变矩器由链条并车统一驱动钻机F3203DH 。国产 ZJ45链条钻机也属此类型。 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。典型示例： 1、国产ZJ50D电动钻机属此类型：转盘、绞车共用一组电动机驱动，钻井泵由另一组电动机驱动。 2、国产ZJ45D丛式井钻机属此类型：钻台上，两台直流电动机驱动绞车，并可通过绞车去驱动转盘；钻台下，4台直流电动机二对一驱动两台钻井泵。 3、国产ZJ70LDB钻机（转盘独立电驱动钻机）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。三、机械传动系统1并车 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：柴油机直接驱动，胶带并车传动，如ZJ32J2 ，ZJ45J ；柴油机液力驱动，链条并车传动，如ZJ45 。2倒车转盘需要倒车，绞车和泥浆泵一般不需要倒车。3、变速 绞车和转盘需要不同的转速，动力机不能提供所有的条速范围，必须设置一定的机械档，机械钻机需要的机械档位更多。四、柴+液力驱动机械传动1、 液力传动基本原理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。最大的特点：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。2、液力传动的优点 1）传动性能柔和。当负荷变化时，可以自动无级地调节速度，某些液力传动装置还能改变输出扭矩，从而能充分利用动力机所配备的功率。 2) 能吸振、隔振。它可以消防来自柴油机的扭转振动和来自工作机的动载影响，大大提高了从动力机到工作机有关设备的使用寿命。 3) 可以防止过载，对柴油机和工作机起保护作用，不会使柴油机憋灭火。 4）能在运转和负载条件下挂档，操纵方便，易于实现自动化。液力传动的缺点 1）传动时的功率损失较大，效率较低。 2）需要一些附加设备，如冷却散热系统，压力补偿系统等，因而比机械传动复杂，制成本较高。 3) 用于低速传动时，其结构尺寸过大，故一般只适用于高速传动。 总之，液力传动是一种优良的传动装置，在内燃机车、汽车、各种军用车辆、工程机械和石油钻采机械等以内燃机为动力机的设备中，都得到广泛的应用。3.液力偶合器基本组成和工作原理 基本组成： 1-输入轴（功率输入） 2 -泵轮（将机械能转化为液压能） 3-涡轮（将液压能转化为机械能） 4-输出轴、（功率输出）5.泵轮壳、(提供密闭空间)工作原理：在泵轮、壳体围成的密闭空间内充满液体（前提）。泵轮在动力机带动下高速旋转（功率输入），泵轮内的液体在离心力的作用下沿半径向外抛出，在泵轮叶片构成的流道的引导下，沿泵轮出口流出（机液），冲击涡轮叶片，推动涡轮旋转（液机）。然后在涡轮叶片构成的流道的引导下，进入泵轮入口。依此不断循环，实现动力传递。从空间看，液体在循环圆内做空间螺旋管运动。4.液力变矩器基本组成和工作原理1）基本组成：变矩器主要元件有：1输入轴（转矩输入）2泵轮（机液）3涡轮（液机）4输出轴（转矩输出）5导轮（输出转矩调节）6壳体（提供密闭空间）其中，导轮与壳体相连。由于多了导轮，使得变矩器的性能与偶合器大不相同。2）工作原理：在壳体、导轮围成的密闭空间内，充满油。泵轮在动力机带动下高速旋转，泵轮内的油在离心力的作用下沿半径向外抛出，直接进入涡轮流道进口，冲击涡轮叶片，推动涡轮旋转。由涡轮流出的油进入导轮入口，然后在导轮叶片构成的流道的引导下，进入泵轮入口。依此不断循环，实现动力传递。从空间看，液体在循环圆内做空间螺旋管运动。五、起升系统的组成和功用：1、组成：起升系统是钻机的三大工作系统之一,由井架、游动系统、绞车等组成。2、作用：1）承受作用于大钩的全部载荷；在正常钻进时，为最大钻柱重量；下套管和处理事故时，为额定最大钩载；2）进行起、下钻作业；3）控制钻压六、游动系统1、组成: 由天车、游车、大钩和钢丝绳组成。天车定滑轮组改变力的方向；游车动滑轮组改变力的大小; 钢丝绳和大钩。游动系统的表示：动滑轮数动滑轮数；如56，表示游车有5个动滑轮，天车有6个定滑轮。有效绳数值实际分担钻柱重量的钢丝绳数，为动滑轮数的2倍。2、工作原理：天车、游动滑车用钢丝绳联系起来组成复滑轮系统。它能大大降低快绳拉力，从而大大减轻钻机绞车在起下钻、下套管、钻进、悬持钻具等钻井各作业中的负荷。七、大钩1.作用：上挂（接）游车，下挂钻柱（水龙头）。石油钻机用大钩一般都是三钩(一主钩，两侧钩)。按制造方法不同，钩身有锻造的、钢板组焊的(DGl130)和铸造的(DJ)，后者轻便些。2.钻井作业对大钩的要求是：1、应具有足够的强度和工作可靠性； 2、钩身能灵活转动，以便上、卸扣； 3、大钩弹簧行程应足以补偿上、卸钻杆时的距离； 4、主钩口和侧钩的闭锁装置应绝对可靠、闭启方便；5、大钩应有缓冲减振功能，减小拆卸立根的冲击。3.组成：大钩主要由钩身、钩杆、钩座、提环、止推轴承和弹簧组成。4.大钩、游车大钩常见故障： 1、大钩弹簧行程缩短或会不去：弹簧疲劳松弛，或刹车过猛造成弹簧折断；2、钩口安全装置失灵：锁销变形或安全锁体变形等；3、钩体转动不灵卡死：缺油、轴承损坏、内部有卡阻；4、大钩制动装置失灵:卡死，弹簧损坏八、辅助刹车1、功用： 辅助刹车是石油钻机的重要设备之一，在减轻机械主刹车的载荷以延长其使用寿命、减少维修时间、提高钻井井效率、减轻司钻的劳动强度、保证安全操作等方面起着非常贡要的作用。随着井深的增加和钻井技术的发展，对辅助刹车的性能要求也就越来越高。2、种类 水刹车、电磁涡流刹车、伊顿气控辅助刹车、能耗制动等3.能耗制动（电驱动钻机） 所谓能耗制动就是将运行中的电动机，从交流电源上切除并（断动力电）立即接通直流电源（接制动电），在定子绕组接通直流电源时，直流电流会在定子内产生一个静止的直流磁场，转子因惯性在磁场内旋转（切割磁力线），并在转子导体中产生感应电势有感应电流流过。并与恒定磁场相互作用消耗电动机转子惯性能量产生制动力矩，使电动机迅速减速，最后停止转动。能耗制动是一种应用很广泛的一种电气制动方法。 原理：根据左手定则确定出转子电流和恒定磁场作用所产生的转矩方向与转子转速方向相反,故为制动转矩,此时电机把原来储存的动能或重物的位能吸收后变成电能消耗在转子电路中。4.伊顿刹车 伊顿刹车实质上就是“气动盘式摩擦离合器”用于刹车系统。可以用做主刹车、辅助刹车。组成：1）动盘（随轴旋转、并且可以沿轴向移动）；2）静盘（与壳体相连、不能旋转但可沿轴向运动）；3）弹簧（产生轴向力，使动静盘分离）；4）气囊（通过充气产生轴向推力，克服弹簧力使动静盘压紧，形成摩擦制动力矩）。工作原理：气囊充气产生轴向压力，压缩弹簧使动盘、静盘接触产生摩擦制动力矩。通过调节气囊充气压力，改变动静盘之间的正压力，从而调节制动力矩。 九、井架1、塔形井架。结构特点：1）封闭的整体结构，整体稳定性好，承载能力大。2）由单个构件用螺栓连接而成的可拆结构，制造简单运输方便。 3)井架内部空间大，起下操作方便，安全。4)拆装工作量大，高空作业不安全，搬迁不方便。塔形井架适用于较少搬迁而要求承载能力大，稳定性好的钻机，如海洋钻机、超深井钻机。2、A型井架。它是由两个等截面的空间杆件结构或管柱式结构的大腿靠天车台和二层台及附加杆件连接而成的“A”字形空间结构。十、水龙头1.水龙头的寿命和工作质量主要取决于两大因素：1）主轴承的结构类型、轴承布置方案。2）钻井液密封系统的结构型式。无论是剖析现有水龙头还是创制新型水龙头，都应紧紧地把握住这两个方面。2.固定冲管总成：冲管固定于鹅颈管上，工作时不转动，也不能轴向移动。形橡胶密封圈借助于弹簧力进行密封。利用中心管上部作为盘根盒，盘根盒压帽与中心管用螺纹连接。问题： 1）冲管刚性固定，中心管略倾斜，易破坏泥浆密封。 2）盘根数目多，润湿条件差，摩擦损失大。（这种冲管现已不采用。）十一、有杆泵采油1.凡是通过抽油杆来传递动力的采油方法称为有杆采油；反之称为无杆泵采油。有杆抽油装置的组成：1）地面部分抽油机；2）地下部分抽油泵(又称深井泵)3）中间部分抽油杆，称为“三抽”系统。2.游梁抽油机(俗称磕头机)：1）游梁式抽油机的结构（普通式）：由游梁连杆 曲柄机构(称为四连杆机构)、减速箱（减速机构）、动力设备和辅助装置等四大部分组成。动力设备：电机；减速机构:皮带轮皮带减速器；换向机构：曲柄机构连杆游梁驴头；辅助机构:刹车机构、底座、井口装置。2）游梁式抽油机的工作过程， 简单讲：一个速度的改变、两个运动方式的改变。电动机(或其它动力机)通过传动皮带将高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，经减速后由四连杆机构将旋转运动变为游梁的上下往复摆动，经游梁前端圆弧状的驴头，通过抽油杆带动深井泵柱塞作上下往复直线运动，将井内液体抽吸到地面。驴头为圆弧形，并以支座的支点为圆心，作圆弧运动，保证光杆始终与驴头相切。驴头将游梁前端往复圆弧运动，变为抽油杆垂直往复运动。驴头目的：对中井口。冲程的调节:移动曲柄上的孔眼。冲数的调节:更换皮带轮的大小。(曲柄每分钟旋转的圈数，正好与抽油机的冲数相同）曲柄旋转的方向为顺时针方向。3）游梁抽油机的平衡当抽油机没有平衡装置时，由于上下冲程悬点载荷不均衡，满足上冲程负载要求的电 动机在下冲程中将做负功，从而造成抽油机不平衡现象。不平衡将造成电动机功率的浪费、降低电动机的效率、缩短电动机及抽油装置的寿命，破坏曲柄轴旋转速度的均匀性。 平衡原理：使电动机上下行程都做正功。需要加配重，使的配重在下冲程中把抽油杆自重做的功和电动机输出的功储存起来，在上行程时在释放出来。游梁平衡：优点：节约配重金属；平衡效果好；缺点：不便于调节， 游梁惯性大。适合于小型抽油机曲柄平衡：优点：便于调节；缺点：配重大，减速器轴、轴承曲柄受力大。适合于大型抽油机。冲程损失：由于油管柱和抽油杆柱在交变载荷作用下引起弹性变形，使活塞冲程P小于光杆冲程，其差值-P即为冲程损失。 十二、游梁抽油机驴头悬点载荷1.抽油泵工作过程上冲程：游动阀关（柱塞上的阀）；活塞上提，地面排油；同时，固定阀开（泵筒上的阀），底层原油进入泵筒。下冲程：游动阀开；固定阀关，泵筒向柱塞上方排油。悬点载荷：抽油杆悬挂在驴头处的载荷。上下冲程悬点载荷不同。十三、无杆采油设备1.水力活塞泵采油1）系统组成 井下部分: 水力活塞泵的主要机组，它由液动机、水力活塞泵和滑阀控制机构三个部件组成，起着抽油的主要作用； 地面部分: 地面动力泵、各种控制阀及动力液处理设备等组成，起着供给和处理动力液的作用； 中间部分: 中心动力油管以及供原油和工作过的乏动力液一起返回到地面的专门通道。2）工作过程（以差动式单作用水力活塞泵为例工作原理：）基本结构：液动机活塞；活塞杆；主控制滑阀；水力活塞泵活塞差动式单作用水力活塞泵的优缺点:优点: 结构简单，并可以自由式安装。缺点: 直径一定时排量较小以及在工作中压力不平衡。3）水力活塞泵的特点 水力活塞泵对油层深度、含蜡、稠油、斜井及水平井具有较强的适应性。其主要缺点是机组结构复杂，加工精度要求高，动力液计量困难。1）泵排量范围较大（16-1600m3/d）；2）可用于斜井；3）便于加化学剂；4）适宜抽重质油；5）可用于单井或多井；6）可在温度相对较高的井内工作2.潜油电泵采油1）系统组成：(1) 地面部分: 包括变压器、控制屏、接线盒和特殊井口装置等。(2) 中间部分: 主要有油管和电缆。(3) 井下部分: 主要有多级离心泵、油气分离器、潜油电机和保护器，起抽油作用。一般多级离心泵在上面，之间是保护器下面是电机，三者的轴用花键连接，壳体用法兰连接。有的下面还装有探测器，测定井内压力及液面起升情况。2）系统工作过程3）潜油电泵机组改进 电泵轴套减少磨损 电泵动力油管为电机提供动力 串联双级旋转式分离器提高分离效率3.射流泵射流泵是一种特殊的水力泵，它没有运动件，是靠动力液与地层流体之间的动量转换实现抽油的。1）系统组成 地面部分、中间部分和井下部分 。 地面部分和中间部分与水力活塞泵相同，所不同的是水力射流泵只能安装成开式动力液循环系统。 井下部分是射流泵，它是由喷嘴、喉管和扩散管三部分组成。2）工作原理喷嘴处：动力液的总压头几乎全部变为速度水头。混合室：原油则被动力液抽汲，与动力液混合