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石油钻采机械概论(1-6)

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石油 机械 概论
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第一节 石油地质常识一 石可分为:火成岩,变质岩,沉积岩;岩,泥岩,石灰岩三种3. 地质构造( 2. 向斜构造( 井工艺概述本节概略介绍常规钻井(通常指钻直井)的钻井方法,钻井工艺,钻井参数,井斜及其控制方面的基本知识和定向钻井的概念。一 钻井方法从地面钻一孔道直达油气层,即钻井。钻井的实质就是要设法解决破碎岩石和取出岩屑,保护井壁,继续加深钻进方面的问题。两种钻井方法:顿钻钻井法,旋转钻井法()V m W W o第三节常规钻井技术一喷井式钻井喷射式钻井采用喷射式钻头,钻井液通过具有特殊形式和结构的小尺寸喷嘴,形成高速射流,射向井底.主要是利用水的高压作用.喷射式钻井工作方式取决于钻头喷嘴处射出的喷射流,主要用喷射速度,冲击力和水功率三个参数来表征的.这三个参数是影响钻速的关键因素.也不是这三个数越大越好,要经济合理.必须配备大功率的高压钻井泵及高压闸门,高压管汇,水龙带,水龙头,配备完善的固控设备.二平衡压力钻井平衡压力钻井是指钻井过程中保持钻井液动压力与地层空隙相等,即fp f P第四节钻井技术的新发展一欠平衡钻井技术当今新兴的钻井技术之一.保持钻井液柱静水头施加的井底压强低于井孔的地层压强,容许地层流体进入井内,循环出井,并在地面上得到处理和控制.二深井,超深井钻井技术4500 000 井,超深井钻井中,机械钻速低,钻头寿命短,起下作业频繁,建井周期长,费用很高.三水平井技术是石油工业油气勘探的一次技术革命.我过也在70年代以来,先后在吉林,大庆和新疆等地用常规钻机打了800余口小井眼井.国产小井眼钻机的研制工作已提上日程,期望在21世纪能见到具有现代化水平的国产小静眼钻机投入使用.3 盘钻进,连续取心钻进和井下马达钻进系统.共同特点:采用小钻机,小直径钻具(钻头,钻杆柱,井下马达)和高速钻进,比常规钻井系统可节约钻井成本40% (1,转盘钻井系统 才用小直径钻杆和高速度的金刚石钻头.(2,连续取心钻进系统(3,井下动力钻具钻进系统(4,小井眼水平钻井系统第二章采油工程基本知识石油开发的基本目的是尽可能将储存在油、气层深处的油、气开采出来,提高采收率 (油田开发结束后,累积的采油量与实际的储油量之比,称作采收率 ),降低成本。因此,钻井完井之后,油田主要的和大量的工作就是实施各项完善的采油工艺,集中解决如何将井下的原油提升 到地面并向外输送,以及如何使地层中的原油流向井底两大问题。本章将就诸如自喷井采油、机械采油、油田增产措施、第三次采油、油水井维护与修理等技术问题作概要的介绍,使读者对采油工程工艺技术建立起必要的总体概念,初步了解完成这些工艺所应用到的主要采油设备,为进一步学习、研究相关的工艺和设备奠定必要的基础。第一节 自喷井采油开采原油的方法有自喷井采油法和机械采油法两大类。白喷井采油法就是利用地层本身的能量由井底向地面举升原油,称作自喷井采油。其工艺和设备比较简单.一、油井自喷基本原理1.自喷的诱导钻井作业完成以后,由于井简内充满着钻井液,液柱作用于井底的压力一般大于油、气层压力,加上钻井和射孔过程中污染物的堵塞和阻碍,油、气一般不能流入井筒内,更不能自动喷到地面。因此,采油之前一般要降低井简内的液性压力,清除堵塞油层的污物,使油、气能够畅流到地面。这种诱导作业过程称作诱喷或诱流。方法:替喷法,抽及法,气举法,提捞法分层配产管拄由套管、油管、封隔器 、 工作简配产器、锚类及油嘴等组成,各组成部分问通过螺纹连接。分层配产管柱根据油井内各油层的性质,用封隔器将各油层分隔开,选择不同大小的油嘴,控制生产压差,使各层段按照其自身特占讲行生产。井口装置的组成 井口装置一般由套管头、油管头和采油树等部分组成。(1,套管头 安装在井口装置的最下方,其作用是固定整套井口装置,连接井下各层套管柱,使各层套管间的环形空间相互密封。目前下人油井的套管栓多达 5层,故套管头有单层、双层及多层之分。(2,油管头 位于套管头的上方,由油管头四通和油管悬挂器等组成;其功能是悬挂油管柱,密封油管与生产套管之间的环形空间,并可进行各种工艺作业。(3,采油树 安装在油管头的上部,作用是引导油并喷出的油气通向地面的输油管线,控制和调节油井的流量和井口压力,必要时可关闭油井。第二节 机械采油随着自喷油井油层压力的逐步降低,流到井底的油气所有的剩余能量不足以将油液喷到地面时,或者在低渗透、低压力油层,其原始能量不能将油液自喷到地面时,通常要应用专门的抽油装置,特油井中的油浓举升到地面,以便保持并底和油层之间油浓流动的压力差,保证油气源源不断地流向井底。这种采油方式称作机械采油或人工举升采油。按照抽油装置动力传递方式的不同,机械采油要分为有杆泵采油、无杆泵采油和气举法采油等多种类型。一、宵扦聂采油有杆泵采油是机械采油方法中应用最广的一种,在前苏联大约占 77%,美国占 81. 5%,我国则占 90%以上。设备包括 3部分:地面部分 —— 游梁式、链条式或液压式抽油机;井下部分—— 抽油泵.又称深并泵;抽油机与抽油泵连接部分 —— 抽油杆。习惯上将有杆泵上述 3部分称作“三抽”设备。动力机通过减速箱、曲柄连杆机构和游粱等,将高速旋转运动变为抽油机驴头的低速上下往复运动;井通过悬绳器、光杆和抽油杆带动有游动阀的柱塞,在深井泵筒中上下往复运动,实现抽油.抽油泵总是下放到液面以下的某一深度,故当柱塞上行时,游动阀受油管内液校的压力自动关闭,随着校塞的上行,油管上部的一部分液体排出地面;与此同时,柱塞下部泵筒空间内压力降低,井内液体在压差作用下顶开安装于泵筒上的固定阎阀球,进入泵筒,抽油泵处于吸人过程,直至栓塞到达上死点为止。当拄塞下行时,泵筒内液体受压缩,压力升高.达到与泵筒外环形空间液拄压力相等后,固定阀阀球靠自重下落,使固定阀关闭;校塞继续下行,泵内压力进一步升高,当超过油管内液柱压力时,泵筒内液体即顶开游动阀阀球并进入油管,抽油泵开始排出过程.直至校塞到达下死点,如此循环不已。地面柱塞泵将处理合格的动力液增压后、经过地面管网和井口四通阀,沿中心油管注入并内,驱动井下液马达工作;液马达的话塞带动抽油泵的校塞作往复动,使抽油泵的固定阀和游动阀交替打开和关闭,实现吸油和排油动作;液马达的乏动力液和抽汲的原油,一起从油,套管环行空间排到地面,通过井口四通阀进入地面输油管道.5.涡轮驱动沼油泵采油上部为轴流涡轮级,下部为轴流泵级,共同固定在一根轴上,其问有止推轴承和密封装置。地须提供的高压动力液通过井口阀和中心油管进入井下机组的中间部位,从涡轮级的下方向上流动,推动涡轮级带动离心泵级转动,抽出地层液。采出液自下向上流动,与乏动力液混合,一起进入泊套管环形空间排出。井下部分 由油管和气举 (单硫 )阀等组成的气举装置,其类型一般也相应地分为开式、半封闭式和全封闭式 3种。))(4/( 22  式中 h—— 冲程长度;D、 d—— 下、上柱塞直径;校塞下行时,固定阀关闭,游动阀打开,液体进入泵腔;与此同时,两柱间的腔体增大,一部分液体储存在腔内,另一部分液体沿空心抽油扦排出。这种技术主要适用于小井眼、单井产量较低、原油粘度低和含水较高的油井.第三节 油田增产工艺技术为了提高油层的产量和采收李,我国各油田广泛采用多种增产技术措施,包括油田注水、压裂和酸化、剖面调整、防砂及大修等作业 田注水工艺技术一般说来,油田开发初期,因地层压力较高,原油所受的驱动力较大。但随着原油不断被采出,地层压力逐渐降低。为了保持和提高油层的压力,进面保证油田稳产高产,并提高最终采收率,从油田开发初期起,除了钻出大量的采油井外.还要钻出一批注水井,专门用于从地面向油层注入高压水,以补充采油过程中不断消耗的天然能量。这种作业过程称油田注水。体即压裂液,通过液体的传压作用,在油层中扩大或造成裂缝,改善油层的渗透性和油气的流动状态,提高油井的油气产量;对于注水井,则是提高油层的吸水性,增加注水效果。第四节 高新采油技术知识经过白喷井采油、机械采油和通常的注水和压裂等提高采收串措施后,总的采油星加在一起,一般不超过原始地质储量的 40%,大量的石油仍然埋藏在地下。因此,进一步提高原始地质储量的采收率,特别是复杂油藏的原油最终采收率,潜力很大.成为石油工作者最大的追求目标。目前广泛采用的许多高新采油技术或统称“三次采油”,取得了很好的效果。本节将就相关的内容作简要介绍。一,微生物采油技术将经过选择的微生物及其代谢产物注入油层,利用其在油藏内增殖产物的激励和运移作用,增加二次采油后枯竭的油井产量,减少二次采油后留在地层中的残余石油以提高采收率的技术,称微生物采油技术。微生物采油的关键是必须保证微生物的生命活动,井使其在地层中繁殖。在其生命过程中,首先要求有有利于微生物生长的环境,同时必须不断地从外界环境吸收各种营养物质,以便在培养微生物过程中提供其生命的能源和碳源、氯源、无机盐、生长因子及水等。第五节 油、水并的维护与修理在油井自喷、抽油和注水过程中、由于地质、工程和人为等因素,常会有一些影响生产的情况发生,有时还会出现油、水井或设备故障。因此,必须建立一套系统的维护和修理工艺程序,并配备相应的设备。一、油井清蜡及降粘技术我国有些油田生产的原油含蜡量很高,开采过程中,无论蜡在油层内还是在油管、集输管内析出.都会增加油流阻力,甚至堵塞油层影响生产。因此,在开采过程中,油井清蜡、防蜡和降粘是开采含蜡原油的主要措施之一。清蜡和防蜡技术由初期的机械清蜡、热载体循环清蜡,已发展到电热清蜡、化学清蜡、微生物清蜡等,并且做到清、防结合,以防为主,效果很好。1.机械清蜡以机械刮削方式清除油管、抽油杆及输油管中沉积的蜡物质,称机械清蜡。如图 2— 50所示,由地面绞车滚筒缠绕钢丝或钢丝绳,通过滑轮、防喷管将加重铅锤、副蜡片、麻花钻头、矛刺钻头等刮蜡器具下入管,在油管结蜡部位上、下活动,刮碎管壁上的结蜡,并被油流带出地面。机械清蜡的优点是操作简便有效,成本较低,缺点是清下的结蜡块容易落人井底,堵塞射孔孔眼,加剧设备磨损。第六节 油气集输油田上的油井分布很广,从地下开采的产出液都需有一个收集、输送、储存和计量的过程;与此同时,井下产出液中,除原油外,同时伴有大量的天然气、水、砂子、盐类及其它杂质,在送往炼油厂及共它用户之前,还必须经过初步的净化处理等一系列工作。这些工作一般也属于采油工程的范畴,油田上统称油气集输,实质是多相流体的混合输送与分离工作。一,集油和集气这项工作的目的是将各油井产出的原油和天然气等汇集起来,经过计量,输送到集油站 (联合站或处理场 ),进行分离、脱水等净化处理。对于高粘度、高凝固点的原油,还要采用加热、化学或物理等方法进行降粘、降凝处理,以保证在允许的输送压力下能够将原油输送到集油站,而不至于凝固在管道内。第三章 石油钻机总论及旋转设备石油钻机或油、气钻机是指用来进行油气勘探、开发的成套钻井设备,通称钻机。陆用转盘钻机是成套钻井设备中的基本型式.即通常所说的钻机,也称常规钻机。为适应各种地理环境和地质条件,为加快钻井速度,降低钻井成本,提高钻井综合经济效益.近年来相继研制了各种具有特殊用途的钻机,如沙漠钻机、丛式井钻机、斜并钻机、顶驱钻机、且升飞机吊运的钻机、小井眼钻机、连续柔管钻机等,可称为特种钻机。整套钻机包括驱动与传动、旋转、起升、循环等系统设备,以及辅助设备与测量仪表等。本章简要介绍钻机的组成、类型、基本参数与标准系列、主要国产机械驱动与电驱动钻机传动方案、特点以及旋转设备。第一节 石油钻机概述一,石油钻机组成石油钻机属于重型矿业机械,是由多种机器设备组成、具有多种功能的联合工作机组。为满足钻井工艺要求,整套钻机必须具备下列八大系统设备。(1)旋转设备 为了转动井中钻具,带动钻头破碎岩石,常规钻机配备有转盘和水龙头,顶驱动钻机配备有顶驱钻井装置。(2)循环系统设备 为了及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁,钻机配备有全套钻井液的循环设备,如钻井泵、地面高压管汇、钻井液净化及调配装置 (固控设备 )等。当采用井下动力钻具钻进时,本系统提供高压钻井液,以驱动井下涡轮钻具或螺杆钻具。(3)起升系统设备 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。这套设备由钻井绞车、辅助刹车、游动系统 (钢丝绳、天车、游动滑车及大钩 )和井架组成。另外.还有用于起下操作的井口工具及机械化设备,如吊环、吊卡、卡瓦、动力大钳或“铁钻工”、立根移运机构等。第二节 机械驱动钻机机械驱动钻机是指以柴油机为动力,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。依据所采用的主传动副类型,可分为齿轮钻机、胶带钻机和链条钻机。一、齿轮钻机我国在 60、 70年代曾致力于齿轮钻机的设计制造,如 4、 50、 2、 3,此类钻机采用齿轮为主传动副,配合万向轴,传动绞车和转盘,成采用圆锥齿轮万向轴并车驱动绞车、转盘和钻井泵。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。但大功率螺旋齿圆锥齿轮制造困难,质量不易保证,成本高,且现场不能更换、修理。因此进人 80年代后,中深井以上钻机不再采用齿轮而改用链条为主传动副,不过在 2000 轮传动钻机仍具有优越性。第三节 电驱动钻机一、发展历程电驱动钻机发展历程可分为:(1)交流电驱动钻机 即交流发电机 (或工业电网 )— 交流电动机驱动。(2)直流心驱动钻机 即直流发电机 — 直流电功机驱动。(3)可控硅整流直流电驱动钻机 即交流发电机 — 可控硅整流 — 直流电动机驱动。正在发展中的交流变频调速驱动钻机,即交流发电机 — 变频调速器 — 交流电动机驱动。目前、海洋和陆地采用的几乎全是可控硅整流直流电驱动钻机。随着大功率交流变频调速器的研制成功并投入工业应用,交流变频调速电驱功钻机将会日益增多。第四节 地面旋转设备地面旋转设备包括转盘和水龙头及顶驱钻井装置。本节介绍转盘和水龙头。转盘是旋转系统工作机,是钻机的关键部件。水龙头在钻井过程中悬持并允许钻杆柱旋转,让钻井液进入钻杆柱内腔完成循环洗井作业,是起升、循环与旋转三个系统交汇的“关节”部件,习惯上把它归人钻机的地面旋转设备之列。钻井转盘与水龙头, 80年代已基本定型, 90年代在结构上和技术上没有多大的变化和发展。)转盘的功用 钻井过程中,转盘要完成如下主要工作:①转动井中钻具,传递足够大的扭短和必要的转速。②下套管或起下钻时,承托井中全部套管柱或钻杆柱重量。第五节 顶驱钻井系统一,概述顶驱钻井系统 (简称顶驱系统 ( 是一套安装于井架内部空间、由游车悬持的顶部驱动钻井装置。常规水龙头与钻井马达相结合,并配备 — 种结构新颖的钻杆上卸扣装置 (或称管柱处理装置 —— 从井架空间上部直接旋转钻柱,并沿井架内专用导轨向下送进,可完成旋转钻进、倒划眼、循环钻并液、接钻杆 (单根、立根 )、下套管和上卸管拄丝扣等各种钻井操作。顶驱钻井系统是 80年代以来钻井设备发展的四大新技术 (顶驱、盘式刹车、液压钻井泵和 之一,钻井实践表明,顶驱钻井系统突出的优点是:可节省钻井时间 20%一 25%,可大大减少卡钻事故,可控制井涌,避免井喷,用于深井、超深井、斜井及各种高难度的定向井钻井时、其综合经济效益尤为显著。二,顶驱钻井系统的特点第四章 钻机的驱动与传动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,工作机组具有不同的负载特点和运动特性。驱动设备和传动系统是钻机八大系统设备中的两大部分,它们是为三大工作机组服务的。驱动设备,或称动力机组,提供各工作机需要的动力和运动。传动系统,将动力机和各工作机联系起来,将动力和运动传递并分配给各工作机。钻机驱动设备类型的选择和传动系统的设计,必须满足钻井过程中各工作机对驱动特性及运动关系的要求,并具有良好的经济性。3.分组驱动方案典型的分组驱动,将三工作机分成两组,绞车、转盘为油机或电动机 )分别驱动,也称为二分组驱动。分组驱动的目的主要是:(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)现代深井、超深并钻机采用 7— 9组驱动可实现转盘、辅助绞车 (猫头轴 )在高钻台上,而主绞车不上高钻台的方案;(3)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,必须进行两组驱动。四、钻机驱动类型及典型驱动设备的外特性按照采用的动力设备的不同,分为机械驱动与电驱动两大类。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。驱动机组驱动特性的不同可进一步分为,柴油机直接驱动(或简称柴油机驱动 )和柴油机 — 液力驱动机械传动两种。(1)柴油机驱动机械传动 以柴油机为动力, 2— 4台柴油机,经齿轮、胶带、链条、万向轴等机械传动元件的多种形式的组合.实现并车、减速增矩、换向、倒车,以驱动传动绞车、转盘和钻井泵。驱动特性就是柴油机本身的特性,工作机只能得到有限挡的有级调速。2.电驱动电驱动,依其发展历程可分为:交流 流 直流 流变频驱动。的是扭矩M= F(n),常用曲线描述,称为外特性曲线。第二节 柴油机驱动 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 柴油机便越过外特性上稳定的工作点而灭火,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)作为钻机动力机,它也有不足之处。扭矩曲线较平坦,适应性系数小,过载能力有限,噪音大等。二,柴油机的驱动特性柴油机的特性就是柴油机自身的特性,包括外特性,负载特性和调速特性。能参数 N, Me,T随 外特性。外特性是正确选择及合理使用发动机的基础。为负载特性。依据负载特性,可确定动力机在定转速下工作时的经济负担,即蚝油率最小的功率范围。泵齿条由调速器自动控制时, 调速特性。三、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三大工作机组时,典型工况有二(1)起升作业时驱动绞车 功率在 00%范内周期地变化 (柴油机配以变矩器时,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 10 。功率标定标定功率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N 指用于起升时驱动绞车的功率和转速。 2用转速 2)钻进功率 用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, 取相当于国标规定持续功率。 ,国产Z190系列钻机柴油机六、机械传动系统机械驱动钻机的传动方案依据钻机的用途、钻井深度、所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 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。2.倒车转盘需要倒车,绞车一般不需要倒车,倒车方案,花样繁多。(1)齿正车、链倒车〔齿轮传动正车、链传动倒车 ) (2)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。(3)链正车、齿倒车3 工作机转速低,从动力机到工作机一般耍经过3— 5次减速。另外,绞车和转盘要求调速范围为 5— 10。为充分利用功率,一般应设 4— 6个机械挡,柴油机 — 变矩器驱动时,也应设 3—4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 次减速即可。动机与绞车滚筒铀及泵轴采用轴线平行布置方案无转向问题;而至转盘则布两种情况: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。第三节 柴油机 构成柴油机 — 变矩器或柴油机 — 偶合器驱动机组,可称为柴油机 — 液力驱动。柴油机 — 变矩器驱动机组,因具有优越的驱动特性,在现代钻机中获得广泛应用。偶合器属于柔性传动,但只能变速不能变矩。因此,柴油机 — 偶合器驱动。在钻机中虽有应用,但较少。一,液力传动基本工作原理如图 1— 14所示,主动轴经离心泵将能量传给工作液,工作浓又经涡轮将能量传给从动轴 。因此,液体通过它在岛心泵和涡轮机中的循外流功,实现运动的连续传递和能量的连续转换。二,柴油机 偶合器驱动主要优点是:传动柔性,可吸收震动与冲击;涡轮轴可随外载变化而自动变速,可防止工作机过载,即使外载增加导致涡轮制动,动力机 (主动轴 )仍可以某一转速工作而不灭火。三,柴油机 — 变矩器驱动1.液力变矩器 (涡轮变矩器 )导轮与外壳相连,是不转动的,叶片大都为空间扭曲形状。与偶合器相比,多了一个固定不动的导轮,性能便大不相同,当泵轮扭矩M 轮可改变涡轮输出扭矩 得 于或大于力变矩器依结构特点可分为:①按祸轮级数 单级。②按涡轮内液流流向 离心式、向心式、轴流式。2.柴油机 — 变矩器驱动的特性柴油机加上变矩器组成柴油机 — 变矩器机组后,其驱动特性是柴油机 —变矩器联合工作的外特性,较柴油机直接驱动时的特性有根本性改变。(1)驱动特性 如果变矩器选型合适,柴油机、变矩器匹配得当,可得到输入特性和联合工作外特性曲线。(2)特性指标①经济性能指标 变矩器最高效率 η90% (设计计算时取 η= η高效区内最低一般取 η 0%。②变矩性能指标 启动变矩比K0= 3— 4;高效区内最大变矩比K1=2— 2. 2。③加载性能指标 表征外界负荷变化时透过变矩器对柴油机工况的影响,可用透穿度T来表尔,令 变矩器的透穿度。3.柴油机 — 变矩器驱动的优越性(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,柴油机也不会被控灭火。(3)K值大,使机组适应外载变化能力大大增强。(4)调速范围 高效工作区内R ≥2,在重载、轻载都可以工作、只不过效率较低些。为了提高效率,设 3— 4个机械变速挡即可,这就简化了传动,又方便了操作,挡间还是无级调速,可充分利用设备功率。(5)传动平稳柔和,吸收冲击振动,延长机械设备寿命。(6)减少并车损失,柴油机 — 变矩器并车比柴油机用胶带直接并车要减少功率损失约 3%,这是很可观的。液力变矩器主要不足之处是效率偏低,最高效率一般为 85%一 90%,且效率随涡轮轴转速在很大范围内变化;纯钻进驱动泵时工效明显低于机械传动。此外,结构比较复杂,还需要一套补偿和散热冷却系统.四、柴油机 — 变矩器驱动钻机的提升曲线根据柴油机。变矩器联合工作的外特性及钻机所配备的机械变速挡数,便可绘出钻机提升载荷与提升速度之间的关系曲线,称提升特性曲线或钻机牵引特性曲线。一般钻机说明书中部给出该特性曲线。由各曲线图可见,如能按规定及时换挡,实际的提升曲线很接近理想的等功率双曲线,提升速度也是无级变化的,说明柴油机 — 变矩器的钻机能充分利用提升功率,缩短起升时间,加快钻井速度。图 4油泵、散热器、无油调节阀、变短器、油箱构成工作回路系统。手轮调压阀、踏板调压阀、开关阀、手动控制购、充油调节阀气动部分组成充油量调节的控制气路。适当操作手轮调压阀或踏板调压阀可调节控制气的压力大小,控制气动活塞位移量,同时调节变矩器进、排油孔口的开、关程度,以实现充油量调节:进油口 (孔口 a、 b)开度加大,排油口 (孔口 c)开度减小,则充油量增加;反之,充油量减小。当控制气压力为最大值时、气动活塞处于下死点位置,进油孔 a、 度最大;排油孔口 矩器全量充油,用于重载工况,如钻进、提升钻柠。当控制气压力处于零时,气动活塞处于上死点位置,进、排孔口分别趋于全关、全开,变矩器无油或油量很小.用于空载工况。当控制气压力调在最大一最小范围内某一值时,进油口局部开启,排油口局部关闭,变矩器处于部分充油状态,用于轻载工况,如划眼、提升交吊卡等。第四节 电驱动原理及设备石油钻机电驱动技术,经历了 C— 已进入发展 前,国外海陆油气勘探领域正在使用的电驱动钻机几乎都是 着电力电子技术的发展,交流变频 (驱动技术于 80年代中期首先被引人顶驱钻井系统, 10年来已有了长足的发展。可以预期, 21世纪初,交流变频驱动技术在石油装备领域.尤其是在石油钻机、顶驱钻井系统方面的研究开发与应用,将进人一个蓬勃发展的时期。我国交流变频驱功技术的研究开发已达到较高水平。还应抓紧时机,全力研究开发国产交流变频驱动钻机和顶驱钻井系统,力争在这一领域与国外同步发展。一,电动机的机械特性1.机械特性与特性硬度电动机的转速 n= f(M),称为电动机的特性。电动机转速随转矩改变而变化的程度称为机械特性硬度,用硬度系数 性曲线上任一点的硬度系数 分为 3种类型。①特硬特性 a= ∝ ,即转速 变化;②硬特性 a= 40一 10,即转速 改变程度不很大;③软特性 d< 10,即转速 .固有特性和人为特性固有特性是指电动机端电压、频率 (指交流电流 )、励滋电流都为额定值,且电极电力回路中无附加电阻时所具有的特性。通过改变上述条件进行调节得到的机械特性称人为特性或调节特性。二,1)并励 (它励 )电动机 具有硬特性。从空载到额定负载转速约下降 5%一10%。(2串励电动机 串励电机的磁通是变化的,具有软机械特性。此外,串励电机电磁力矩与电流平方成正比.启动转矩大。因此、串励电机适于驱动带重载启动的机械设备,如起重机、机车、绞车等。但应强调的是:串励电机轻载时电枢电流人很小,致使磁通由也很小,故转速过高,有“飞车”危险。为安全计,不应采用链条或胶带传动;负荷不应低于额定值的 25%一 30%。2.直流电动机的人为特性 (调速方法 ) 由 n= f(M)公式可见,改变及 任一个量即可改变转速 n,即它励直流电动机有三种调速方法:电枢串电阻、降低供电电压与减弱磁通。(1)电枢串电阻调速 在电枢电路中串人可调电阻 和励磁电流 (磁通¢ )不变。此法只能向降速方向调节,调速范围 — 般为1. 5: 1。这种调速方法简单,但调节电阻 耗大量电能.很不经济;可用于中小容量的电机,对钻机驱动电机不适用。(2)降低电枢电压调速 此法自额定转速住下调速,调速范围可达 6: 1到 8:1。均匀降低电枢电压 U,可实现平滑无级调节。磁通不变,工作电流不超过额定值、允许输出转矩仍为额定值,属恒转矩调速。(3)减弱磁通调速 此法只能在额定转速以上调节。对一般的直流电机,转速不宜超过额定转速的 20%。弱磁调速,经济方便,可实现无级平滑调节。三、n= 60f/ P,只取决于交流电频率 f。和磁极对数P,不随负载转矩的改变发生变化。同步电机的启动性能很差,但具有较高的功率因数和效率,可用于不经常启动、不需要调速的中等功率和大功率的电力驱动,如驱动大型压气机、水泵、输油泵等。在步电机过载能力较大,一殷过载系数 K= 1. 6— 2. 8,在 用绕线式异步电机驱动绞车和转盘,但需设立较多机械挡,进行有级调速。采用转子中串进允许长期电流通过的电阻,可调低速度,但功率损耗大,不经济。鼠笼式电机不宜经常启动及降速,只用于驱动钻井泵及中小功率的辅助设备,如压气机、离心泵等。四、 相比较, 1)直流电动机具有人为软特性。调速范围宽, . 5— 5。超载能力强, . 6— 2. 5。因具有无级调速的钻井特性,可提高钻井效率。(2)极大地简化了机械传动系统,提高了传动效率,如从动力机轴到绞车输入轴的传动效率可达 86%,比 I%。(3)柴油机交流发电机组中的柴油机始终处于最性运转工况 (额定转速、载荷自动均衡分配 ),比 8%一 20%;大修周期延长 80%,柴油机使用寿命延长。(4)并联驱动、动力可互济,动力分配更灵活合理。(5)维护费用仅为 0%;自动化程度较高,使用更安全可靠。然初投资略高于 其综合经济性好,具有强大生命力。自 1970年问世以来,获得迅猛发展,不仅完全取代了 用于海洋钻机,而且也主宰了陆上深井、超深井钻机。五、加速发展 于交流电动机具有硬特性,不能满足钻机工作机对调速的要求.随着 着电力电子技术的发展,交流变频调速已发展成为一门成熟的交流变频技术,已使交流电动机的调速控制性能达到了直流电动机调速控制性能的水平。此外,和直流电动机相比,交流电动机具有没有整流子、碳刷等活动部件,防爆要求低,无须维护、安全可靠;单机容量大.体积小,质量轻,价格便宜等明显优点。因此,交流变频调速技术的发展,先进、成熟的交流变频器系列产品的问世和应用,佼 将成为电驱动钻机的发展方向。1.交流变频电驱动基本工作原理交流电功机转速关系式为 M= 6f/ (1 P,改变 P、 S或 最好调速方法是改变输入的电源频率 f。为此,需要一个输出频率 具有良好控制性能的变频电源。随着电力电子技术的发展.采用可自关断的全控器件.应用脉宽调剂(术及电动机矢量控制技术,研制成先进的交流变频器,形成了成熟的交流变频电驱动系统。交流变频电驱功系统由交流电源、交流变频器和交流电动机组成。对于石油钻机,交流电源主要是柴油交流发电机发出的交流电 (380)。交流变频器的主回路由一个整流器和一个逆变器组成,两者通过直流电路相连接。整流器将输入的固定频率的交流电变为直流电,逆变器再将直流电变为频率和幅值可调的交流电供给交流电动机,从而可准确地调节控制电动机的转速和扭矩。2.交流变频电驱动的特点(1)能精确控制电动机转速和转矩,使钻机的绞车、转盘实现无级变速;可实现恒功率调速,调速范围宽,大大简化了机械变速机构。低速性能好.能以极低速度恒扭矩输出,对处理钻井事故、侧钻修井、小泥浆流量作业及优选参数钻井极为有利。当电动机转速为零、处于制动状态时,可保持最大扭矩、静悬钩载。(2)具有转矩转速限定功能,可防止扭断钻杆柱、损坏传动机
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