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毕业设计（论文）11绪论石油钻机绞车是石油钻机上一个极重要的工作部件，设计绞车的主要依据，就是要求要适合钻井工艺。钻机的类型有多种多样，但仅从钻深能力上来说，按照我国1999年发布的《石油钻机型式与基本参4数》规定，在选定钻杆为114mm的情况下，钻机分为1000m，1500m，2000m，3000m，4000m，5000m，7000m，9000m和12000m等九个级别。一套钻机一般来说应具有旋转钻井、钻井液循环、钻具起升、动力机组、传动、控制、底座和辅助设备等八大系统和设备。绞车是钻机运动转化和速度变化及维持外头恒定钻压的重要机构，是钻机的核心部件。目前，我国最大钻机钻深能力仅为7000m，而世界发达国家的钻机钻深已达到15000m。为缩小差距，适应国际竞争及国内进一步打井工作需要，我们只有成熟现有的技术，以便向更先进的技术迈进。为此，本文设计研究7000米钻机绞车工作很有实际价值意义，此次研究工作将为我国ZJ90DB钻机的研制打下基础。1.1钻井绞车基本概述绞车一般由动力、变速机构、滚筒、离合器、刹车等部件组成。绞车在钻井过程中具有起下钻具、下套管、控制钻进过程钻压和整体起立井架等功用，它的工作特点是操作使用频繁，变速范围宽、载荷变化大。1.1.1钻井工作对绞车的基本要求根据绞车的功用和特点，一般来说，钻井工作对绞车有以下要6求:(1)为了保证起升最重的钻具，要求绞车各零部件在强度、刚度满足其使用性能的前提下，绞车要有足够的功率。(2)为了适应起重量的变化及提高功效，绞车应有足够的起升档数或变速调解范围。(3)绞车滚筒应有足够的尺寸和容绳量。(4)绞车应有灵敏可靠的刹车系统，以便刹住最大载荷，准确调节钻压，均匀送进钻具。(5)绞车控制部分应便于操作，安全可靠。1.1.2钻井绞车分类及特点绞车的形式多种多样，但主要有以下几种类型:(1)从动力上分类，绞车有柴油机驱动，包括柴油机直接驱动和柴油机加液力驱动两种型式；电驱动绞车主要包括直流电驱动和交流电驱动两种，直流又分为直流—直流(DC-DC)和可控硅直流(AC-SCR-DC)电驱动两种，交流又可分为交流—交流(AC-AC)电驱动和变频器加交流(AC-VDF-AC)驱动两种；液压驱动绞车是通过液力驱毕业设计（论文）2动，即以液压马达为动力带动绞车完成钻井作业的。(2)从结构上来说，绞车一般有五种类型，即单轴、双轴、三轴、五轴和各为单轴的主、辅绞车等。单轴绞车是将滚筒和猫头装在同一根轴上操作的，该绞车的不足是猫头转速偏高，位置过低，操作不便；双轴绞车是将滚筒和猫头各自装在两根轴上，靠链条联系在一起，其不足是由于变速机构与传动系统采用了齿轮和链条两种方式，使得管理维修不方便；三轴绞车能实现独立的三低一高档转速，转盘可通过绞车传动，是目前常用的绞车结构型式；五轴绞车可以实现正倒多种变速，是重型和超重型绞车的典型方案，但不足是结构复杂，效率低下；两个单轴绞车是将主滚筒与猫头分开在不同的两个单元上，可高、低位布置，结构简单，特别适宜于电驱动方式，这在超深井和海洋钻井中应用较多。(3)从变速调解状况分类，一般可分为一档、两档、四档和六档等多种形式。一档、两档变速多使用在电驱动钻机上，其变速过程主要通过交流变频系统或SCR控制系统实现，靠电机反转实现倒档；四档变速一般按内变速22=4乘法变速机构进行设计，反转靠电机换向或内部换向装置完成。六档变速按32=6乘法变速结构设计，多考虑在机械传动的情况下使用，倒档完全靠齿轮换向装置实现。1.1.3钻井绞车的发展趋势从钻机的发展历史看，钻机经历了一个由简单到复杂，自动化水平由低到高的发展变化过程，钻井纹车的发展过程也同样如此。随着电子技术、液压技术等新技术的日新月异，石油钻井绞车将会朝着以下几个方面发展。(1)进一步向电驱动方向发展。原因是直流SCR控制和交流变频控制钻机绞车有其它许多钻井设备无法比拟的优越性。目前除美国等极少数国家外，其它国家在发展电动钻机方面仍比较落后，仍是未来钻机研究发展的大趋势，大方向。(2)进一步向自动化、智能化方向努力。为了安全、高效、科学、合理的钻井，国外己开发了液压钻机、全自动钻机等，这对我国今后发展自动化、智能化水平较高的产品会产生重大的影响。(3)继续向大型化方向发展。当前国外己开发出了上万米的钻井设备，美国大陆—爱姆斯科公司于1997年开发出世界第一台5000马力绞车，被誉为第5代电动提升装置，所以，为进一步提高国内钻井技术，发展大功率绞车的趋势是必然的。(4)向分体式、单轴式方向发展。目前，许多钻机的主绞车与猫头绞车采用了分体结构，分别置于钻机钻台面和后台底座上，由独立的动力机构驱动。单轴式绞车近年来在西方比较流行，这两种绞车的共同特点是结构简单，体积小，重量轻，便于运输安装等。(5)向系列化、标准化、模块化方向努力。随着国际市场的逐步规范化，钻井设备向系列化、标准化、通用化等方向发展的趋势是必然的，这有利于增加设备的互换性及产品性能的稳定性，并能节约大量的生产成本。毕业设计（论文）3(6)向高适应性方向发展。由于受沙漠、海洋、极地等钻井条件的限制，要想拓展石油开采市场领域，就必须有适应这些恶劣环境和气候的钻井设备。因此，开发高适应性的钻井设备是今后和未来的必然要求。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状现用绞车有机械驱动和电驱动2种，机械驱动绞车，基本模式相同，结构较为复杂，而电驱动绞车有较大的发展，且绞车结构逐步趋于简单化。我国在设计制造机械传动钻机方面，可以满足国内石油钻井的需要，而在电驱动钻机方面落后了。电驱动正迅速地为世界石油钻井工程界所采用，成为当代转盘钻机中能够提供动力的新途径、新方法。电驱动经过长期的发展，在技术上和设备上都是很成熟的。早在1909年在顿钻钻机上就使用了交流电机的驱动，1929年则采用了DC—DC驱动(即直流—直流驱动)。1950年美国通用电气公司将用于火车的牵引电机直接移植到石油钻机上来，满足了深井和超深井对大功率电机的要求。1955年陆地石油钻机和海上石油钻机广泛应用了DC—DC驱动或AC—SCR—DC(即交流—可控硅整流—直流驱动)方式的驱动。电驱动的成功应用在于美国通用电器公司在上述电驱动中研制，并成功使用了现代电子技术控制电路和专供钻机使用的GE752型电机。GE752型专用电机既可用于发电机，又可用于电动机，使电机完全能够互换。减少了钻机配备电动机的种类和型号，便于使用和维修。AC—SCR—DC可控硅电驱动钻机在20世纪80年代有了长足发展，其主要优点与机械驱动的同类钻机相比，节油效果很明显。并可延长钻机的大修周期，便于搬迁安装。不管负荷有多大，直流电机的转速都是可以精确调节的。输出扭矩可以控制，又能限制在某一额定值内。这样就有可能使泥浆泵在其额定值范围内的任意排量和泵压下工作。更好地满足钻井工艺的要求。可控硅整流电驱动钻机(AC—SCR—DC)驱动的不足之处在于SCR部分比较复杂，成本高、维修难。而且GE752等型的直流电机有碳刷，为安全起见，该电机必须是防爆型的。所以，直流电机成本高，价格昂贵，存在碳刷的磨损、更换及散热等问题。近几年来，英国已经在北海油田的钻井平台上，用交流变频电驱动代替SCR可控硅直流电驱动；美国也在顶部驱动装置上使用了500~600kW的交流变频驱动电机；油田在注水、输油注水、输油等大型电机上也已广泛使用交流变频电驱18动。我国由于起步较晚，在石油钻采新技术的应用上还显得比较落后，尤其是电驱动钻机应用到大型钻井设备上的例子还比较少，我国最早采用交流变频调速技术是在辽河油田的油、水泵试验当中，随后推广到原油集输、供水系统和采暖供热系统上来。毕业设计（论文）41993年宝鸡石油机械厂与天津等有关单位联合将交流变频控制系统引进到采油设备当中，先后开发了10型、16型数控抽油机，在大庆、辽河、胜利等油田获得了良好的应用。近几年来，该项技术才逐渐被应用到15，30等小型钻机上来，但使用效果和性能等还有待进一步完善。在AC-SCR-DC电动控制技术方面，自上世纪八十年代中期兰州石油化工仪器总厂研制成功ZJ45钻机以来，经过这十多年的完善，目前已比较成熟，但是7000m钻机的应用还不是很成熟，发展速度较慢。1.2.2国外研究现状近年来，特别进入上世纪九十年代后，美国、德国、挪威、加拿大等许多西方国家在石油钻采新技术的应用上比较广泛，表现的异常活跃，特别在钻井绞车的研究开发上成绩斐然，曾先后开发研制了电动、液压等多种性能和形式的绞14车。现介绍几例。1.多马达驱动单轴绞车挪威Maritime—Hydcalic公司研制的MH—500—20型绞车，采用了多个液压马达由滚筒两侧驱动，只有1根滚筒轴，没有变速系统，利用液压马达变速。2.多级大型液缸绞车加拿大钻机有限公司研制的18005型自动化斜井钻机，其绞车是一组多级大型液缸。3.柔性拉力器绞车前苏联、法国和美国共同研制的柔杆钻机，钻杆是一根柔性杆，起钻时可缠绕在一个大直径滚筒上，其绞车是一个柔性拉力器。4.直升机吊运绞车美国IDECO公司研制的MSH—2000型直升机吊运绞车，绞车分块吊运重量不大于1.8t，两副刹车带均置于司钻一侧，采用两个小直径水刹车组合结构。5.低噪音绞车英国研制了用于城市或居民区钻井的低噪音绞车，采用盘式刹车，刹车系统和离合器均置于密封罩内，以减小噪音。6.少变速或不变速绞车如果采用高速柴油机和动力换挡变速箱驱动绞车，由于动力换挡变速箱本身有4—6挡，绞车可设两挡或不设挡，成为结构简单的少变速或不变速绞车。7.分体式绞车美国OIME公司研制的分体式绞车，绞车与猫头轴采用分体结构，绞车置于后台机房较低的底座上，可在低位安装。猫头轴置于钻台高底座上，上台驱动功率较小，只用于驱动猫头和转盘。1.3本文课题的意义毕业设计（论文）5随着石油上钻井及采油的发展，绞车的应用越来越广泛。而电驱动绞车的应用也越来越明显。石油钻机绞车是石油钻机上一个极重要的工作部件，设计绞车的主要依据，就是要求要适合钻井工艺。近几年来，由于石油钻井业的发展，技术和装备水平的不断提高，因而钻井数量减少，钻机使用量大幅度降低。我国石油钻机一方面是数量上过剩；另一方面是质量不高、品种不全。在国内钻机生产厂家生产疲软的情况下，却又不得不花巨资从国外引进大量石油钻机。面对如此局面，凡从事石油机械事业的国人不得不考虑如何振兴民族工业，使我国的石油钻机赶上世界先进水平。在目前形势下，如果我们没有自己制造的电驱动钻机，就很难打入世界市场，也无法再提高我们的钻井水平。因此，电驱动钻机绞车的设计及应用势在必行，这就要求我们当代大学生务必求实认真，更要活学活用，努力提高自己的创新思维，从而为我国的石油事业做出贡献。毕业设计（论文）62绞车方案设计我们知道，设计方案的好坏，将直接决定着设计产品的性能及最终成败。为此，钻井绞车的方案设计就显的非常重要。考虑到绞车工作性质和工作条件的特殊性，在方案设计当中，我们应首先从绞车的功能原理出发，多建立几个方案，经过对比分析，以便从中选出最合理的方案。2.1钻井绞车的功能、原理为了能准确并清晰的描述钻井绞车的功能、原理，以下从绞车的功能和工作原理两方面进行叙述。2.1.1绞车的功能在石油钻井过程当中，绞车的主要功13能表面在：(1)将钻井工具(包括方钻杆、钻杆、钻挺、钻头等)下入几百米至几千米，甚至超过万米的井底。(2)将钻井工具从几百米至几千米，甚至上万米的井底起出。(3)在钻井中，要悬吊部分钻具重量，以控制压在钻头上的压力。(4)钻井中，如出现井下事故，需在井筒内下入或起出处理井下故障的各种井下工具。(5)在钻机安装、拆卸时，需将井架整体起立或下放。(6)在固井作业中，需要向井内下入套管等。2.1.2绞车工作原理如图2.1所示，动力机1将自身的能量以转速的形式传递给绞车变速系统2，变速系统根据钻机所要执行的动作将速度调整到合适的数值范围传递给绞车运动转换系统3(即滚筒)，滚筒再通过钢丝绳5、带动天车6、游车7、大钩8等游吊系统，最终将完成大钩上移或下行的垂直运