石油钻采机械全套课件

石油钻采机械讲课教师：lizengliang工作单位：机电工程学院机电系Email：Lizl,2,课程简介,石油钻采机械装备：是石油钻井工程和采油工程的载体，离开了石油钻采机械装备，石油钻井和采油工程就成了无源之水，无本之木。钻井机械装备采油机械装备相关课程现代钻井机械概论采油装备概论石油工程与装备流体机械及控制机械制图流体力学与流体传动,3,教材：石油钻采机械概论参考书：采油机械设计计算考试：侧重概念性、知识性内容，涉及面广结课考试以课堂讲的内容为准以平时和结课考查（试）两部分成绩综合评价,授课内容,钻井机械设备采油机械设备,绪论：油气田生产基础知识,油气特性组成：C、H、O、S、N可燃、有毒、颜色、比重、粘度、溶解性、凝固点油气的生成生物遗体有机淤泥（生油层）石油油气藏由不渗透的岩层把聚集的油、气圈闭起来油气田油气田生产流程勘探钻井（固完）开采集输（计分）化工储运销售,石油勘探,地质法：直接观察地表地质现象地球物理勘探法：测量岩石物理性质重力勘探磁力勘探电法勘探地震勘探钻探法：在已初步查明的储油构造上钻井，通过地质录井获得资料，判断是否有油气,地震勘探简介,概念：通过人工方法激发地震波，研究地震波在地层中传播的情况，以查明地下地质构造，为寻找油气田或其他勘探项目服务的一种物探方法。地震资料采集工作完成者：地震队地震队组成：测量组、放线班、钻井组、爆炸班、施工组、仪器组、后勤组等组成。,石油地震勘探的生产环节,三个环节：第一阶段是野外工作。这个阶段的任务是在地质工作和其他物探工作初步确定的有含油气希望的地区，布置测线，人工激发地震波，并用野外地震仪把地震波传播的情况记录下来。安全管理和监控的重点也是该阶段。第二阶段是室内资料处理。第三阶段是地震资料的解释。,地质录井,砂样录井岩芯录井钻时录井泥浆录井地球物理测井岩石性质井径,第一部分钻井机械设备,第一章钻井工艺技术第二章石油钻机概论第三章我国常用钻机第四章旋转系统系统第五章起升系统工作原理与设备第六章循环系统设备,第一章钻井工艺技术,钻井工艺任务破碎岩层取出岩屑形成油流通道,第一节钻井方法,顿钻旋转钻井转盘钻井顶部驱动钻井井下动力钻具,其它钻井方法冲蚀（射流）熔化气化（激光钻井）热胀裂法化学反应空气钻井爆炸,一、顿钻钻井法,过程破岩用顿钻钻头，上下冲击。排屑用捞砂筒。特点：破岩和排屑交替进行，钻进过程不连续，效率低，速度慢，设备简单，适于浅井，农用水井。,15,二、旋转钻井法,形式:地面动力转盘钻（常规）：钻头旋转，连续破碎岩层，用钻井液循环带出岩屑，钻井效率高。顶部驱动（前景好）：水龙头转盘，以立根钻井。井下动力：用于斜井、水平井用，钻井液经钻杆柱内腔泵入钻具中，驱动转子，带动钻头旋转，实现破岩钻进。螺杆钻具涡轮钻具。过程：破岩用旋转钻头排屑用循环钻井液,17,第二节钻井设备概述,钻机起升系统旋转系统循环系统动力系统传动系统监控系统钻机底座辅助系统,钻具方钻杆钻杆钻杆接头钻铤钻头,钻具,19,方钻杆,特点：上端反扣接水龙头、下接钻杆承受全部入井钻柱重量，优质合金钢制成，壁厚大，1314.5m（方钻杆比钻杆长）作用：传递扭矩种类：四方、六方规格：方形部分边宽尺寸：76.2、88.9、108、133.4、140、152.4,钻杆,特点：高级合金钢材料无缝钢管制成，812m作用：传递扭矩、输送泥浆、连接加长钻柱种类：内加厚、外加厚、内外加厚规格：本体外径，73、88.9、101.6、114.3、125、139.7,钻铤,高合金钢制成，大壁厚（3853），大直径、刚性大，不易弯曲作用：施加钻压，防止井斜和钻具弯曲规格：外径，146.05、158.75、177.8、203.2,钻杆接头,作用：用于连接和保护钻杆分类：连接方式：细扣、对焊内径：内平式：内径=加厚=管身贯眼式：内径=加厚管身正规式：内径加厚管身,钻头,特点：钻铤之下作用：破碎岩石、钻穿岩层种类：刮刀钻头：牙轮钻头金刚石钻头,24,刮刀钻头,种类：刃数：双刃、三刃、四刃（翼）镶嵌普通钻头：切削镶齿钻头：硬质合金或金刚石，适合软、中、硬地层，切削+研磨,牙轮钻头,种类牙轮个数：单牙轮、双牙轮、三牙轮、多牙轮齿材质：洗齿（钢齿）、镶齿破岩方式：冲击、压挤、剪切联合作用特点：适合软、硬底层,金刚石钻头,采用烧结工艺将金刚石和钻头连接在一起，再进行热处理，形成的耐磨钻头。种类天然金刚石钻头（ND）：成本高，靠磨削和铣削钻进又称磨铣型钻头，适合特别坚硬的地层人造聚晶金刚石钻头（PDC）：低钻压、高转速、高钻速、高进尺、耐温差750，软和中软地层热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）:1200，硬、中硬研磨地层,天然金刚石ND,人造聚晶金刚石钻头PDC,热稳定聚晶金刚石钻头TSD,特殊用途钻头,取心钻头矛形钻头菱形钻头梯形钻头偏心钻头扩眼钻头,第三节井身结构,概念：下不同层次的套管固结井壁就构成了井身结构。,30,一、井身结构组成,1.导管：防止表土坍塌，引入钻头。一口井中最大尺寸的套管（深2040m）。2.表层套管：加固上部疏松岩层的井壁；封隔浅层水；安装防喷器、套管头、采油树（30-100m）。3.技术套管（中间套管）：封隔上部油、水、气层；漏失层；坍塌层。根据地质情况，下n层技术套管。4.油层套管（生产套管）：最后一层套管，形成井筒，使油气入内。内放油管或采油设备。只有油层套管是满井身长度。,31,二、套管概述,套管是加固井壁形成井筒所用的钢管。1、套管材料：高强度合金钢【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si。】2、钢级：API标准套管（API5CT美国石油学会标准）按强度高低分为10级：H40，J55，K55，M65，C75，N80，L80，C90，C95，T95，P105，P110，C125，Q125等。其中最常用的为红字表示的4级。（HJKN，CLMT，P，Q）字母：含不同化学成份的分类代号数字：管材的最小屈服极限，kpsi（千磅/英寸2）。1psi（磅/英寸2）=6.89kPa=0.00689MPa3、制造方法：热轧：无缝钢管套管，上海宝钢焊接：钢板卷筒直焊缝，宝鸡钢管厂4、套管尺寸规格：均用外径表示：41/2、5、51/2、65/8、7、75/8、73/4、85/8、95/8、103/4、113/4、133/8、16、185/8、20。,32,5.套管螺纹连接,圆螺纹连接（三角形扣）承载面：齿侧角30斜面，产生较大径向分力。连接强度：只有管体强度的6075%。密封方式：齿间干涉及丝扣油的堵塞实现密封，密封性差。梯形螺纹连接承载面：3斜面，导向面：10斜面，增强了齿形，减少了径向力。连接强度：达到管体强度的85%。密封方式：靠齿间干涉和丝扣油堵塞实现密封，密封性差。套管接头螺纹受力分布规律近似于开口向上的抛物线，接头螺纹两端扣牙受力大，中间部位大多数扣牙受力很小。,33,三、套管在井下的承载情况,套管在下井、固井、完井（射孔）过程中，承受复杂载荷。外挤压力内压力拉力载荷击震载荷热应力腐蚀应力,第1周周1-海工2.24,1.外挤压力,来源地层对套管施加的静水压力（均匀外压）。管外泥浆和水泥浆液柱压力；地层中的油、气、水压力；地层侧压力（不均匀侧压）。设计套管外挤压力时，认为管内掏空，管外按泥浆柱计算外挤压力。对于高塑性地层（如膨胀性页岩）和岩盐层，外挤压力以上部岩层压力为计算依据。,35,2.内压力,内压力的产生正常钻井，泥浆压力井喷和压裂时，受内压。注水和注热蒸汽时，受内压（从套管内注入）。内压力的计算井口开时，等于管内液柱或气柱压力;井口关时，等于井口压力与管内液柱或气柱压力之和。,3.拉力载荷,主要由套管自重引起。影响因素泥浆浮力注水泥流动阻力；下套遇卡阻力；下套遇卡提力；下套刹车动载等。,4.击震载荷：,完井时，射孔固井后射孔使油流入井筒,5.热应力、腐蚀应力,井筒温度分布不均硫化氢氢脆电化学腐蚀环氧霉菌腐蚀,39,四、套管设计,设计内容决定下套管层数。（根据地质情况）确定套管尺寸确定完井最小井眼，各层套管尺寸；选不同钢级、不同壁厚的套管组成管柱。,3.设计原则,按三准则计算：抗拉安全系数：n安=1.622.0抗挤安全系数：n安=1.01.25抗内压安全系数：n安=1.01.33套管柱载荷特点：顶部受拉力最大，下部受内、外压最大，应合理设计管柱。,4.设计方法等安全系数法,普遍用等安全系数法设计套管柱安全系数：具有的强度能力/实际承担载荷等安全系数：当管柱由数段不同强度（或纲级）套管组成时，要求各段的安全系数相同。,42,（1）抗外挤强度计算,原则：低抗挤能力的管放在管柱上段各段底端安全系数近似相等理论上，分段越多从抗挤强度的合理利用来说越合理。,举例,假设：3种管材，抗挤强度c1泥浆柱压力，井口都装防喷器。要求打井必须安防喷器。卡钻：转不动、起下钻遇阻，由沉砂、落石造成。,72,处理井下复杂情况和井下事故,井下复杂情况和事故包括：井涌、砂桥、泥包、缩径、地层蠕变、钻具或套管断落、井下落物、井漏、井塌、卡钻、井喷产生原因外因：地层复杂性（压力、温度、流体性质）内因：技术及对策、设备、人的认识防范措施：思想重视；正确的预测；安全操作,卡钻,解除井下卡钻事故,a)活动(大力上提)解卡时，应先详细检查设备离合器、刹车、井架、天车、游动滑车、钢丝绳等，绷绳加固，指重表灵敏，各点有专人观察，防止发生重大事故。b)憋压反循环解卡时，压力应由小到大逐渐增加，不可一下憋到最大，可多放空几次，同时上下活动管柱进行解卡。c)冲管解卡时，要选择合适冲管，下带笔尖，注意停泵时间不宜过长，防止沉砂卡钻。d)千斤顶解卡时，一定要垫好方木并加固牢靠，防止千斤顶滑出伤人。e)倒扣套铣解卡时，尽可能大排量循环套铣。倒扣时，提准中和点负荷，挂转盘，先慢转，待灵敏表有下降显示，加快转速(一般为1520转分)一次倒开。再慢提，悬重接近中和点负荷可起钻，起钻前再回探鱼顶，上提钻具，证实是否倒开。f)处理落物卡钻，切忌大力上提，防止卡死造成事故复杂化。可轻提慢转，使井下管柱解卡；若无效，必须用壁钩扶正鱼顶，再打捞。,捞矛,可退式接箍捞矛可退式捞筒,第五节其他钻井技术一、平衡压力钻井,1.平衡压力钻井含义钻井用泥浆密度m正好等于平衡地层压力所需泥浆密度p，称为平衡压力钻井。平衡钻井：保持井内钻井液动压力与地层孔隙压力相等，即式中，pfp地层孔隙压力（地层压力）；pf钻井液柱静压力；pa钻井液循环时的环空压降。,2.平衡压力钻井目的降低岩石强度、岩屑的压持效应，提高钻速；可有效地保护地层，防止地层污染、井漏。3.实现平衡钻井的关键是选择合理的钻井液密度，使钻井液动压力同地层孔隙压力始终保持平衡。4.平衡钻井技术保证安井控设备，防止井涌、井喷；配先进固控设备，适时调、控钻井液性能。,79,二、欠平衡钻井,钻井用泥浆密度m=3（安全系数）Pb为破断拉力由Pb选dw。,第三周(9.24)周2,6.井架高,取决于立根高度。新标准规定井架高能提升28m立根井架。4153m安全高度，大庆130,H架41m；ZJ45,H架43m。,7.钻台高度,取决于安装井口装置的高度。安装套管头、防喷器、泥浆返出管。例，ZJ45，有4.5m，6m，7.5m。美国电驱钻机钻台高9.6m，安装双闸板、万能防喷器。,四、旋转系统参数,转盘名义直径Dr为转盘主参数：取出大方瓦后，转盘内通径，最大号钻头能通过。已达601/2”其他参数最高转速：300r/min。最大转矩：87kNm。最大静负荷；转盘能承受的最大重量，与最大钩载匹配,134,五、循环系统参数,钻井泵功率Np：输入轴功率，额定功率。kW最大泵压，Pa；对应流量，m3/s；（最大流量为：1525L/s）泵效，(0.80.85).泵工作时，改变泵排量：变缸径（换缸套）对应：最大压力对应最小流量（缸径最小）；对应：最小压力对应最大流量（缸径最大）。,第三章我国常用钻机,钻机是用于油气勘探、开发的一整套钻井设备第一节机械驱动钻机第二节电驱动钻机第三节电机驱动特性,136,第一节机械驱动钻机,机械驱动钻机是指以柴油机为动力，通过不同组合的传动形式所驱动的钻机。依据主传动副类型，分为齿轮、胶带和链条钻机。,一、大庆I，II-130钻机（ZJ32）,早期我国主力钻机。江汉石油机械研究所研制，兰石厂生产。70年代开始生产,70年代末改造一次,大庆II-130,全国共560台左右，现在停止生产，由ZJ32代替。,1.基本参数,L=3200m，Qds=1300kN，Qmax=1600kN，Ndr=478kW，H架=41m（塔架）。,2.动力,配三台PZ12V190B型柴油机，统一驱动。（装机功率过大）符号意义：P配套（带风扇、水箱、底座）；Z增压（吸气口加增压泵，吸气充分，尤其高原地区）1212缸；V缸V形布置；190缸径190mm；B改进型号。12小时功率882kW（1200马力）；1500r/min。持续功率：750kW（1020马力）；转速1350r/min。,内燃机产品型号编制新规则,转向符号：无符号-左转R-右转转速符号无符号-1500r/min1-1200r/min2-1000r/min3-1300r/min4-900r/min燃料符号:无符号-柴油机T-天然气机；S-双燃料机Z-沼气机用途符号：无符号-机械驱动钻机、通用D-电驱动钻机、发电C-船用右机（CZ-船用左机）J-机车；G-其他工程机械地区符号:无符号-般地区M-沙漠地区；Y-高原地区结构特征符号:无符号-非增压Z-增压；ZL-增压、中冷种类代号：无符号-单机；P-配套气缸直径（190mm）气缸布置形式符号:V-V形布置；L-直列(省略)气缸数：用数字表示换代或改进符号(由制造厂给定):H-换代高增压；G-改进中增压；A、B-改进符号；L-长冲程,3.绞车,JC14.5，三轴开式润滑绞车：输入轴、传动轴（猫头）、滚筒轴。快绳拉力145kN(14.5tf)，旧标准。新标准：以“JC32”额定功率：500kW（680马力）,4.钻井泵,原配：2台NB8-600，双缸双作用泵。泥浆泵600马力，8设计序号现配：3NB-1000三缸单作用泥浆泵，1000马力。胜利油田配：SL3NB-1000，胜利三缸泥浆泵。泥浆泵标准：NB前为缸数，无为双缸，NB下标为设计序号，后为功率。,5.转盘,ZP520转盘通径520mm,6.传动特点,三台柴油机统一驱动，由联动机组完成,（1）并车皮带(并车)钻机，用E670016(E型三角胶带)周长16根V型皮带，根据单根传递功率不同分为：Y，Z，A，B，C，D，E等级。E型传递功率最大。,（2）传动路线1号柴油机驱动绞车路线1号车万向节减速箱1号车离合器（双500125）正车箱爬坡链条输入轴变速链（，）猫头轴低速链（Z=36：72）低速离合器（1070200）滚筒轴。,2号车驱动转盘倒转1号车不能倒车。2号车(柴油机)万向轴齿轮减速箱2号车离合器2,3并车皮带轮轴(630)2号并车离合器2,1并车皮带轮轴倒车箱（链轮Z=17：41）倒车离合器爬坡链条猫头轴转盘离合器过桥链轮（Z=29,40,21）转盘水平轴。,148,2,3号车驱动2号泵2号车万向轴齿轮减速箱2号车离合器并车皮带3号车万向轴齿轮减速箱3号车离合器并车皮带2号泵离合器2号泵轴。,（3）传动副型号意义气胎离合器普通型：双500125：双胎，摩擦轮外经500mm,宽度125mm主动轮圈上装有气胎和摩擦片，充气后膨胀，使摩擦片抱紧被动轮摩擦鼓，实现动力挂合；气胎放气，摩擦片脱离摩擦鼓，动力分离。特点：动力挂合时传动柔和，过载保护，操作方便，省力，远控。新标准前加LT。通风型气胎离合器：LT1070/125T离合器胎式通风链条2”2160节距排数链节数,第二周海工第二次课3-7,（4）特征,皮带并车，后台链轮倒车。注：外齿轮传动：两轴转向相反；链条、三角皮带传动：两轴同转向。,7.大庆130钻机总特点：,3200m；塔架；统一驱动；皮带并车；三轴开式绞车，链轮后台倒车。,二、ZJ45J钻机,80年代初研制成功，82年通过鉴定，生产了3150余台，吸取了大庆-130钻机成功的经验而成。,1.基本参数L=4500m，Qds=1600kN，Qmax=3000kN，Ndr=1100kW，H架=43m（A架）。符合:GB1806-792.动力三台PZ12V190B-1柴油机，统一驱动。装机功率（12小时持续功率）3700kW，较大庆130钻机小（3882kW），ZJ45J功率配备合理。3.配备绞车JC45：四轴密封式绞车，链条强制润滑。绞车内齿轮传动倒车（Z=44：92），后台无倒车装置。,4.钻井泵3NB1000（原用）；3NB1300（现用），满足喷射钻井要求。5.传动特点传动特点:皮带(并车)钻机(E型三角胶带)，先减速再并车,绞车内倒车。皮带并车E670016（2,3），E670014（1,2）传动路线，1,2柴油机带绞车：1号柴油机万向轴减速箱1号车离合器（LT600125）2号车2号车离合器2号并车离合器1,2并车正车箱（36：62）绞车。6.ZJ45J钻机总特点：4500m;A架；统一驱动；皮带并车；四轴闭式绞车，绞车内齿轮倒车。,三、ZJ45钻机85年通过部级鉴定。1.基本参数（与ZJ45J相同）L=4500m，Qds=1600kN，Qmax=3000kN，Ndr=1100kW，H架=43m（A架）。符合：GB1806-79标准。2.传动特点链条钻机，是我国第一种链条并车钻机（）配备了液力变矩器YB7002（序号）液力变矩循环圆直径,节距排数,传动路线：2号柴油机万向节液力变矩器并车链轮带泵离合器。,液力传动,液力偶合器液力变矩器,液力偶合器,结构：输入轴装有泵轮，输出轴装有涡轮，均由外环、内环及若干叶片组成。工作原理：动力机组带动泵轮旋转，液体在离心力下，甩向外缘（出口），涡轮外缘为入口，液体流动冲击涡轮叶片转动而传递动力。特点：只能在高转速比i（i=nT/nB）工况下工作，否则效率低；只能传递扭矩，不能变矩；液力联轴器,液力偶合器,液力变矩器,在偶合器的基础上，加了固定不动的导轮。不仅实现了液力传动，泵轮与导轮扭矩之和等于涡轮扭矩，MBMD=MT。使输出扭矩变化“变矩器”。ZJ45钻机配液力变矩器，使传动柔和，保护柴油机。（机械传动为硬联接）,液力变矩器,按涡轮内液流流向,柴油机-变矩器特点,优越性自动无级变矩变速，提高起升效率柴油机工作在合理工况，不会灭火带载启动能力强，操作平稳调速范围宽，档间无级调速传动平稳柔和，吸收震动，延长机械设备寿命并车损失小缺点效率低：8590%，效率低于机械传动结构复杂，配备散热系统,3.ZJ45钻机总特点,4500mA架；统一驱动；链条并车；四轴闭式绞车，绞车内齿轮倒车，加液力变矩器。,166,第二节电驱动钻机,电驱钻机工作机用电动机带动。海洋钻机全为电驱钻机；陆用深井钻机，电驱日益增多。,一、分类,交流电驱钻机：即交流发电机（或工业电网）交流电动机驱动（ACAC）；（AlternateCurrent）,陆地钻机，已不采用，ZJ15D直流电驱钻机：即直流发电机直流电动机驱动（DCDC）；(DirectCurrent)，海洋、陆地深井可控硅整流直流电驱钻机：即交流发电机可控硅整流直流电动机驱动（ACSCRDC）；(AlternateCurrentSilicon(硅)ControlledRectifier（整流器）)逐渐由SCR代替DCDC。【用直流电机调速好】正在发展交流变频调速驱动钻机，即交流发电机变频调速器（GTO可关断晶闸管）交流电机驱动。五年前，海、陆几乎全用ACSCRDC电驱钻机。有了大功率交流变频调速器，交流电驱钻机会增多。,二、优点,1.传动效率高，较机传高16%；2.无级变速（在某机械档下，无级变速）；3.简化传动、控制，易装调整，自动保护。,我国发展历程,我国研制电驱动钻机始于70年代，DZ-200，DCDC驱动，钻深5000米（宝鸡厂，1971）；海洋5000米钻机，DCDC驱动(兰石厂，1975)。80年代以来电驱钻机有：ZJ15D(ACAC驱动，吉林重机厂)，兰石厂ZJ45D（丛）、ZJ60D、ZJ60DS(ACSCRDC)。90年代末，研制了ZJ50D(ACSCRDC驱动，宝鸡厂，1999)，正在研制交流变频电驱钻机。,三、ZJ60D钻机,ZJ60D国产钻机，是第一台6000m级SCR电驱钻机，兰石厂制造，1987年3月通过鉴定。,1.动力四台PZ12V190B柴油机交流发电机；（在1500r/min时，动力4700kW）通过SCR(ACSCRDC)变换；驱动7台GE752R（736kW）直流电机；单独驱动各工作机组。,2配套设备SL-450（450tf）水龙头；ZP375转盘（开口直径37.5”，952.5mm）两台3NB-1300或3NB-1600钻井泵；闭式绞车，功率1470kW(2000马力)，带槽滚筒，强制水冷；通风型胎式低速离合器；,配DS-60（电刹6000m）电磁涡流辅助刹车；（电刹：有左、右定子通直流电产生固定磁场，转子在磁场中产生涡流，两磁场作用产生制动力矩）钻头自动送进装置。7.5m高钻台（有效高度5.6m），可容纳全套防喷器。可低位安装55t重绞车。塔架，高度44.8m，（也可配前开口井架）。集中控制、保护系统。司钻可操作绞车、转盘、钻井泵、涡流刹车、自动送钻等，控制集中在司钻台上。,3.传动方案绞车用两台电机；每台泵用两台电机；转盘用一台电机。共7台直流电机。绞车：四轴输入、变速、猫头（有捞砂筒）、滚筒轴。捞砂筒：井中积砂，下筒捞砂。转盘自配电机。四个机械档：输入轴两链轮，传动轴分两路去主滚筒轴。i=11.7，7.2，4.75，2.93n=94，153，231，375n电1100r/min注：链轮，27T，T-齿（Tooth）；P节距（Pitch）2”。,4.ZJ60D钻机总特点6000m;ACSCRDC7台电机分别驱动；塔架或前开口井架；四轴闭式绞车，带槽滚筒，有捞砂筒；电磁涡流刹车。,四、ZJ45D丛式井钻机,ZJ45D国产钻机，是第一台成套电驱动丛式井钻机。采用AC-SCR-DC电驱动，动力机与工作机只需电缆连接。三台柴油机PZ12V190B驱动交流发电机;六台可控硅整流柜；六台直流电机：绞车用2台；两台钻井泵各用两台。配钻机移动系统（丛式井）。,第三节电机驱动特性,一、电动机机械性能机械特性：电机转速n与电磁转矩M之间变化关系特性硬度：电机转速随转矩改变而变化程度，称电机硬度特性。转速n不随转矩M变，为特硬特性；n随M增加而下降不大，为硬特性；n随M增加而加速下降，为软特性。,3.固有机械特性电机的电压、频率（交流）、励磁（激磁）电流为额定值，其电机回路上无附加电阻时，所具有的特性。4.人为特性人为调节电压、频率、电流所得到的特性，称人为特性（无级变速由此而来）。,磁场转速（n0）只与电流频率f和磁极对数p有关,1.同步电动机（1）定义转子转速（n）与定子旋转磁场转速（n0）相同（通交流电），故称同步电机。特硬特性：n不随M（扭矩）而变,二、交流电机特性,（2）工作原理：,定子绕组通三相交流电产生旋转磁场，转子励磁绕组通直流电形成直流励磁磁场，两磁场相互作用，使转子被旋转磁场拖（吸）着以同步转速一起旋转，即n=n0。同步电机启动性能差，用于不常启动、不变速场合。用于钻井泵。同步电机有恒定转速特性。（f，P一定，n0定值。）,结构特点与基本工作原理,功率角正比于负载转矩T,（3）同步电机启动,采用异步启动法。同步启动：转子、定子同时通电，由于转子磁极固定不动，定子为旋转磁场，产生忽吸、忽排使平均转矩为零，不能启动。异步启动：定子通电形成旋转磁场，使转子线圈产生感应电流，使转子转起来，之后转子再通直流电，实现异步启动，同步工作。,启动方法（鼠笼条，异步启动）,磁阻式电磁减速同步电动机,原理：磁力线总是力图使自己经过的磁路磁阻最小。,同步电动机特点,一、永磁式同步电动机特点：不需要电刷和滑环，因而结构简单，运行可靠，效率较高，但起动特性不好，体积也比较大。应用范围：适用于要求转速恒定场合。例如化纤纺织设备、自动化装置、自动记录仪表。在这些设备和装置中，主要作为驱动元件。二、磁阻式同步电动机特点：结构筒单，运行可靠，起动特性较好，转子采用凸极结构，磁阻大，励磁电流大，功率因数低，效率不高。应用范围：适用于大容量转速恒定的场合。例如音响设备、摄影、记录，通信装置。,2.异步电动机,（1）定义转子转速小于磁场旋转速度，称异步电机。（2）工作原理定子通以交流电形成旋转磁场，使转子绕组中产生感应电动势，从而使转子产生感应电流，转子电流同旋转磁场的磁通作用产生磁力矩。（通电导体在磁场中可以运动）。定子旋转磁场转速：f1定子电流频率；p磁极对数。,旋转磁场转速与转子转速之差：,转子感应电流频率为（与转差有关）,与转差率有关，下降，增大，（感应电流）、增大。,转差率,转矩：,式中，U定子相电压（电源电压）；R2转子相电阻；K与结构、电源频率有关常数；X20n=0时转子每相感抗。,n与M关系：n与S有关，M与S也有关。通过S把n与M建立了关系。,转子转速：,特性,属于硬特性：在额定扭矩范围内，n随M增加下降较小；大于Me，下降快些；停。异步电机常用于驱动绞车和转盘。改变定子电压U，电流频率f1，定子和转子串阻都可改变特性。,三、直流电机特性,定子（通直流）形成固定磁极，转子电枢通电，磁力作用使转子转动。(左手定则：掌心对N,四指电流，母指力)定子磁极不用永久磁铁，用励磁线圈，即通直流电形成定子磁极（产生磁场）。换向器使电流方向改变,第3周周1第1次3.10,1、直流电机类型直流电机按励磁绕组（定子）与电枢绕组（转子）联接方式分：它励电机、并励电机、串励电机、复励电机。,（1）它励直流电机励磁绕组单独接到电源上，与电枢绕组无关。（2）并励直流电机：励磁绕组与电枢绕组并联。（3）串励直流电机：励磁绕组与电枢绕组串联。（4）复励直流电机：定子两套励磁绕组，一套与电枢并联，一套与电枢串联。,2、直流电机固有特性,它励或并励二者性能相近（不考虑电源线路电阻）。具有硬特性，n随M增大基本不变。,转速,根据此式得机械特性。,电枢电压（外电压）；磁通（励磁磁通）；电枢电阻；电枢电流；与结构参数有关常数。,电机转速与电枢电流的关系,电磁转矩MN.mC结构常数特性（与关系）理想空载转速（M=0）；转速降（）,n与M呈线性关系，曲线稍向下斜，硬特性。,【他、并励磁通基本不变，磁通由定子线圈产生，与（定子电流）有关，不变。】,串励属软特性，n随M增加而下降。（表达式形式与并励基本相同）。,（定子）励磁电阻。由于磁通是变化的，n与M呈非线性关系，属软特性。,复励:介于并、串联之间，属软特性。适用场合串励电机：适驱动绞车，载荷增大，转速自动下降，实现恒功率调节。并、他励电机：适驱动钻井泵，实现定速恒转矩调节。,198,3、直流电机人为特性,用人工调节转速钻机广泛采用他励直流电机驱动绞车、转盘。为满足绞车、转盘工作要求，用人工办法获得人为特性。他励电机调速方式：电枢串阻降低电枢电压减弱磁通,（1）电枢串阻在电枢中串入可调电阻，保证电源电压U和励磁电流（磁通）不变。相当于加大（电枢电阻）。串联电阻Rac，载荷降速n变大，特性变软，固有特性曲线下斜，斜率增大。满足n随M增大而下降要求。（n只能在额定转速以下）,（2）降低电枢电压使空载速度下降，n不变，改变了固有特性。使固有特性nM曲线下移。,（3）减弱磁通调速改变（定子励磁磁通），使、都变，从而改变特性。弱磁实现：保证电枢电压恒定，在定子励磁电路中串入可调电阻，使励磁电流减小（），则磁通减弱。,四、可控硅直流驱动ACSCRDC：由柴油机驱动AC发电机输出交流电，经整流驱动DC电机。1.整流元件可控硅（SCR）。（1）二极管（由一对PN结构成）整流：利用单向导电特性整流。输入交流电压一定时，输出直流电压是一个定值，不能任意调节。,（2）可控硅整流：是一种大功率半导体。使输出直流电压可调。可控硅：使用半导体材料为硅。其结构两对PN结，从中间P层引出控制极G（金硼钯片），调节输出电压。2.可控硅驱动特点直接由SCR调节电压、控制弱磁而调速。,3.为何用ACSCRDC即，为何不用DC发电机，而用AC发电机整流驱DC电机。（1）AC发电机易与柴油机匹配；（2）不需另设AC发电机组（其它设备用AC）；（3）动力匹配灵活,可对同一母线供电,有SCR分配、分别控制功能；（4）SCR对功率、调速范围宽，易对工作组匹配；（5）使用经济性好：传动效率高；柴油机在额定转速运转，耗燃少；柴油机寿命长（延长大修期80%）；维修费低（相当机械30%）。,4.用DC电机（不用AC电机）原因直流电机：调速宽；能频繁启动；载荷变化范围宽；启动制动平稳。交流电机：硬特性，转速几乎不随载荷而变化【只能由调频f改变转速】。5.现在有了交流变频技术，用AC变频器AC。小功率：P-MOSFET（电力场效应晶体管）中功率：IGBT（绝缘栅双极晶体管）大功率：GTO（门极可关断晶闸管）,第四章旋转系统,转盘、水龙头和顶驱装置,转盘的功用转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速。下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆柱重量。完成卸钻头、卸扣，处理事故时倒扣、进扣等辅助工作；涡轮钻井时，转盘制动上部钻杆柱，以承受反扭矩。,第一节转盘,转盘的主轴承应有足够的强度和寿命。以保证承受成百吨重的套管柱或钻杆柱重量，及圆锥齿轮传动造成的轴向、径向载荷作用下有足够的寿命。转台和圆锥齿轮能传递足够大的扭矩（可达50100kNm），能倒转，能可靠地制动。密封性好，严防外界的泥浆、油水污液渗入转盘内部，减缓齿轮和轴承的磨损。,转盘的使用要求,转盘结构组成,水平轴总成传递动力水平轴；小伞齿轮；轴承；输入链轮；制动装置(制动棘轮)转台总成驱动方钻杆转台；大伞齿轮；主轴承；防跳轴承；方瓦；方补心；泥浆密宫密封装置。壳体连接，储油润滑（靠小锥轮旋转带油）,转盘的结构,转盘的工作原理,动力经水平轴上的法兰或链轮传入，通过圆锥齿轮传动转台，借助转台通孔中的方补心和小方瓦带动方钻杆、钻杆柱和钻头转动，同时，小方瓦允许钻杆轴向自由滑动，实现钻杆柱的边旋转边送进。起下钻或下套管时，钻杆柱或套管柱可用卡瓦或吊卡座落在转台上。,特性参数通孔直径转盘通孔直径是转盘主要几何参数，它应比第一次开钻时用的最大号钻头直径至少大10mm。最大静负荷转盘上能承受的最大重量。最大工作扭矩转盘在最低工作转速时应达到的工作扭矩。最高转速转盘在轻载荷下允许使用的最高转速，一般规定为300r/min。中心矩转台中心至水平轴链轮第一排轮齿中心的距离。石油钻机转盘基本参数,第二节水龙头,钻井水龙头通过提环挂在大钩上，上部通过鹅颈管与很长的水龙带相连，下部接方钻杆，连接钻具，是钻机中非常具有专业特点的设备。,水龙头的主要功用,悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部钻具重量；向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液是起升、旋转、循环三大工作机组相交汇的“关节”部件，在钻机组成中处于重要的地位。,对水龙头的要求,水龙头的主轴承必须具有足够的强度和寿命；高压钻井液密封系统（或称冲管总成）必须工作可靠，寿命长，更换快速、方便；机油密封良好，能自动补偿工作过程中密封元件的磨损；各承载零件，如提环、壳体、中心管等，应有足够的强度和刚性。,2.结构组成(1)承载系统中心管及其接头、壳体、耳轴、提环和主轴承（负荷轴承）等。(2)钻井液系统包括鹅颈管、钻井液冲管总成（包括上、下钻井液密封盒组件等）。(3)辅助系统包括扶正、防跳辅助轴承、机油密封盒组件及上盖等。,浮动式快卸冲管总成对高压、磨砺性强的钻井液进行动密封特点：冲管浮立在鹅颈管过渡接头和中心管之间，工作时不转动，但允许略有轴向窜动，冲管磨损均匀。Y形密封圈与钢制隔环交迭布置。密封圈数目少，仅有34个。可通过密封盒上黄油嘴注入黄油，润滑条件好，减少了摩擦能量损失和磨损。冲管和中心管同心性好。密封盒有定位止口，圆柱配合面定心，保证冲管和中心管有很好的同心性，不易发生偏磨。能快速拆装，更换方便。只需将上、下密封盒压帽旋出，就可取出冲管总成，快速更换密封圈或冲管。,第五周第1次(10.8),第三节顶驱钻井系统,一、概述,顶驱钻井系统（TopDriveDrillingSystem）简称顶驱系统（TopDriveSystem）TDS：从井架空间上部直接旋转钻柱，沿井架内导轨向下送进，完成钻进、循环钻井液、接立根和上卸扣等多种钻井操作顶驱系统是钻井水龙头和钻井马达的组合，因此应属于钻机旋转设备，“动力水龙头”,发展历程,1982年问世，美国Varco，AC-SCR-DC80年代中期，挪威Ro-galand研发中心，引入交流变频，AC-GTO-AC90年代，交流变频顶驱占主导地位，MH、Varco、Tesco、CANRIG公司液压驱动顶驱顶驱系统是四大新技术之一（顶驱、盘式刹车、液压钻井泵和AC变频驱动）,二、顶驱钻井特点,立根（28m）钻进，节省2/3接单根时间：转盘钻以单根加长钻杆，顶驱以立根钻进井架不需加高。可随时压井：起下钻时，任意高度需循环井液，水龙头可立即接上减少卡钻事故：实现倒划眼起钻（钻头取不出时，边转边提），实现划眼下钻（钻头下不去时，边转边放）。没有联接方钻杆立根钻水平井、丛式井、斜井时容易控制井底马达的造斜方位。钻杆上、卸扣操作机械化。顶驱完成立根钻进，提高取岩心质量。,三、顶驱系统组成,组成:钻井马达-水龙头总成、导轨导向滑车总成、上卸扣装置。按驱动形式分类：液马达顶驱液马达；AC-SCR-DC顶驱DC电机；AC变频顶驱AC电机。,AC变频电驱动,AC变频电驱动能更好地满足现代钻井工艺发展需要，具有更好的钻井适应性、钻井经济性及可靠性与先进性。比ACSCRDC电驱动具有更多的优点，是一种成熟的调速技术，可精确地调节和控制AC电动机的工作转速和扭矩；调速范围宽广；当转速为0时具有全扭矩；启动电流小，可加速启动和加速制动；过载能力强，工作效率高，反馈制动刹车；无电刷工作火花；具有多种安全保护功能；各项技术经济指标先进。,顶驱系统结构,水龙头马达总成导向滑车总成钻杆上卸扣总成。,1.钻井马达-水龙头总成,TDS-3S型顶驱钻井马达-水龙头总成：Varco公司，由水龙头、马达和一级齿轮减速箱组成。（1）马达：用并激DC马达。（2）水龙头：额定载荷6500kN；盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头的一致。（3）气动刹车：在马达轴上端，快速制动。（4）减速箱：马达轴下有小齿轮（Z=18），与主轴上的大齿轮（Z=96）相啮合，主轴下方接钻柱。TDS-3S变速箱是一个单速齿轮减速装置，减速比5.331。（5）主轴：即水龙头的中心管。,（6）润滑系统TDS-3S顶驱的油润滑系统：油泵强制润滑,（7）钻井马达冷却系统马达冷却系统为风冷。图4-4为冷却系统的总体安排。用离心式鼓风机对电机进行强制冷却。,图4-4钻井马达冷却系统,近距离安装鼓风机基本的马达冷却系统（看图4-5）,向钻井马达提供近距离的冷却风。加高进气口的近距离安装鼓风机（图4-5）,图4-5加高进气口的近距离冷却系统,远距离鼓风机冷却系统安装在井架上的远距离鼓风机，通过软管输送冷却风。,图4-6远距离鼓风机冷却系统,2.导轨导向滑车总成导向滑车和支撑装置总成如图4-7所示。导轨：装在井架内导向滑车：由马达底座和框架组成。作用：对游车和顶驱起导向及承受反扭矩作用。80年代为双导轨，90年代改为单导轨。,图4-7马达支架和导向滑车总成,3.上扣卸扣装置（Pipehandler）由旋转头、吊环联接器、吊环倾斜机构和扭矩扳手组成。,图4-8650吨钻杆上卸扣装置总成,（1）液控扭矩扳手用处：卸扣。原理：由液缸驱动横向夹紧活塞夹紧钻杆母接头，两个转矩液缸驱驱动扭矩管，转动保护接头及主轴松扣，然后启动钻井马达旋扣。，（扭矩液缸84kN-m；可旋转25）,图4-9扭矩扳手总成,（2）内防喷器及启动器内防喷器是球型安全阀，防止泥浆溢流。上部远控内防喷器和下部手动内防喷器，形成内井控防喷系统。上部远控内防喷器是钻杆上卸扣装置的一部分。当上卸扣时，扭矩扳手同远控上部内防喷器的花键啮合形成扭矩。下部与上部内防喷器型式相同。两个内防喷器一直接在钻柱中，可随时将顶驱装置同钻柱连接使用。,（3）吊环联接器、吊环和钻杆吊卡作用:吊环联接器通过吊环将下部吊卡与主轴相连。主轴穿过齿轮箱壳体，又同整体水龙头相接。,图4-11吊环联结及限扭器总成,（4）吊环倾斜器作用：去卡抱待接立根接头。（吊鼠洞中的单根和接立根）气阀控制气弹簧，使吊环前倾300，后摆600。吊环倾斜器的倾斜臂位于吊环的前部，由空气弹簧启动。,图4-12长行程吊环倾斜装置总成,（5）旋转头总成当钻杆上卸扣装置在起钻中随钻柱部件旋转时，旋转头可自由旋转。,图4-13650t旋转头总成,4.平衡系统主要对上卸扣起伸缩作用。防止上卸接头扣时螺纹的损坏；在卸扣时可帮助公扣接头从母扣接头中弹出，类似于大钩的152mm的减震冲程。,平衡系统组成：两个相同油缸和两个液压储能器。缸体端与整体水龙头相连，活塞杆端与大钩连接，或者直接连到游车上。又称液气弹簧式平衡装置。,（1）前期TDS系统平衡油缸连接方式TDS-3型顶驱平衡油缸下端和水龙头相连，上端和大钩相连。它提供152mm的缓冲行程。（2）整体式IDS系统平衡油缸连接方式如IDS-1型顶驱，平衡油缸的下端与钻井马达壳体相连，上端和游车相连接。取消了大钩，提供203mm的缓冲行程。（3）新型IDS系统平衡油缸的连接方式如TDS-3S、TDS-9S型，平衡油缸的上端与游车（当不用大钩时）连接，下端直接固定在水龙头提环上。,（4）平衡液压回路工作原理该液压回路消耗的液压能很少，可用其它液压系统来补油保压，不必单独加油泵。,连接：平衡系统的活塞杆上端与游车连接，油缸下端与水龙头连接。油缸上腔始终通高压油，油缸产生向上拉力作用在水龙头上，一直提着水龙头。,工作过程：两个油缸向上的合拉力大于顶驱和立根重量，油缸带动顶驱和立根上移。此时蓄能器放出压力油供给油缸工作。随着蓄能器内油液放出，油压降低，油缸的拉力减小。,当油缸向上的拉力小于顶驱和立根重量时，上跳过程由加速变为减速，最后停止上移。当向上提起整个钻柱时钻柱和顶驱的重量大于油缸向上的拉力，油缸被拉下来，缸内排液，油液返回蓄能器。,四、国产顶驱（DQ）,第一台国产顶驱DQ-60D，由勘探院机械所和宝石厂合研，97年2月部级鉴定，中国成为第五位顶驱的生产国家。1DQ-60D顶驱，采用AC-SCR-DC驱动，PLC监测控制。2DQ-60P顶驱(Portable轻便)，勘探院机械所与宝石厂合研的DQ-60P轻便顶驱（AC-SCR-DC驱动）3DQ-20H顶驱(Hydraulic)，勘探院机械所研制DQ-20H液马达顶驱，钻深2000m。,海工第4周第1次3-17,第五章起升系统,为了起下钻具、下套管，控制钻压及钻头钻进等，钻机配备有一套起升设备，以辅助完成钻井生产。起升系统是钻机的核心。起升系统由绞车、天车、井架、游车、大钩、钢丝绳等组成。,第一节起升系统工作原理,一、起下钻操作1.起钻：更换钻头时，需将井中的全部钻柱取出，此操作称为起钻作业。2.下钻：将钻头、钻铤、钻杆和方钻杆组成的钻柱下入井中，称为下钻作业。,二、游系运动分析,大钩速度；钢绳速度；天车轮的切向速度有效绳数（除快、死绳外的游绳数）；滑轮直径。,钢绳速度,从快绳侧死绳侧钢绳速度依次为大钩升高H,快绳拉下绳长为ZH。,天车轮切向速度,天车轮切向速度和转速n为,快绳侧滑轮转速比死绳侧滑轮转速高数倍，检修天、游车时，应将滑轮及轴承倒换，使寿命均衡。快绳侧钢绳弯曲次数比死绳侧多出数倍，会提前疲劳断丝。从死绳储绳卷筒放出新绳，从滚筒上截掉一段旧绳，一段一段补充新绳,三、游动系统载荷,Q游上、游上为游系起升重量和效率，Q游下、游下为下钻游系起重量和效率，P快、P死为快绳和死绳拉力，P1PZ为游绳的拉力。,第5周第2次(10.10),（一）静止状态载荷,1.大钩静载荷L井深，km；单位长度钻柱质量，kg/m。2.游系静载荷游动系统固定质量，tf（游车、大钩、吊环、钢绳）,3.钢丝绳拉力当大钩静止悬重时，各段游绳拉力相等。,4.天车台载荷（天车梁所受的载荷）,注：不考虑倾斜,（二）运动过程载荷,1起升时，各绳拉力。由于轴承的摩擦阻力和钢绳过滑轮的弯曲阻力有：,注：单轮效率,起钻时游动系统效率,2、下钻时，各绳拉力,下钻时游动系统效率,结论,起、下钻时各游绳的拉力不同起钻时快绳拉力P快上最大P快上是绞车的基本参数，是钢丝绳选用依据起钻和下钻系统效率非常接近，常取相同数值麻芯、顺绞柔性钢绳+滚动轴承，0.98钢丝芯、逆绞硬性钢绳，0.960.97滑动轴承，0.95,四、滚筒和大钩速度,滚筒缠绳层数确定（自学）滚筒外径；绳径d。缠一层绳，筒径，第一层缠绳不工作，利于排绳。缠绳：一左旋，一右旋。每圈有3/4圈于槽中，则（）；1/4圈跳向另一槽，直径重叠，；每圈半径增量：,半径增量系数,从第二层到最后一层缠绳直径变化滚筒原始直径：第一层直径：（以钢绳中径计算）第二层直径：（在基础增加）任意层直径：第末层直径：,第二第末层，平均直径为：总层数,0.9,缠绳总层数取决于立根长和有效绳数，缠到第二第e层上，按平均直径计算。从（不考虑第一层，每层的排数）代入得：式中立根长度每层的排数，；L滚筒长，mm；排绳间隙，取11.5mm。解二次方程得。,带槽滚筒-Lebus绳槽,大部分为环状缠绕，对侧两次跳槽，旋转质量均匀第一层可以工作，减少层数，3层1立根轮毂板内侧焊有舌形板，避免夹伤钢丝第二层直径为平均直径制造靠模车精密铸造筒皮焊接,第二节钻井绞车,绞车是钻机的核心、关键设备，是钻机三大工作机组之一。钻机三大机组：绞车、转盘、钻井泵,一、绞车的作用,1.起下钻，下套管提出钻具，再放下去，叫起下钻作业。2.控制钻压（扶刹把，加钻压）钻头旋转破岩，由钻铤重提供钻压，压力大小由刹车调节。刹车松开，钻压过大；钻柱提起，钻压为零；要适当控制刹车调节钻压。3.上卸扣（拉猫头，上卸扣）借助猫头拉大钳手柄，完成钻杆上卸扣。现用液压大钳4.起升井架，吊重物A形，K形（形）井架绞车整体起升。5.作为转盘的传动中间装置转盘的离合器在绞车里。,二、绞车的使用要求,1要能传递足够大的功率钻柱很重，起升功率