浅谈ZJ70LDB钻机的直驱改造

浅谈 ZJ70LDB钻机的直驱改造

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单位：中石化西南石油工程有限公司湖南钻井分公司 邮编： 410007

摘要 在充分利用现有设备的情况下，通过较低投入，对ZJ70LDB复合驱动钻机的泥浆泵、绞车进行改造，同时升级电控系统，实现复合驱动钻机的直驱化改造，升级后钻机可去掉柴油机动力机组、并车箱及万向轴等机械传动连接装置，极大的简化传动系统及钻机平移装置，优化整体结构，提高了运转及搬迁、安装效率，可取得较好的经济效益。

关键词 钻机；直驱电机；电控；配重；平移；通用性

一、立项背景及目的

在目前投资计划收紧的情况下，新增钻机已变得极为困难，现有部分ZJ70LDB 钻机由于出厂时间较新，钻机报废还为时尚早，但受机械钻机固有缺点的影响，钻机柴油动力系统、传动系统等配套设备多，占用空间大，安装较为繁琐，整体传动效率低，设备故障率高，且在丛式井施工时钻机整体移运吨位较高，平移难度大，安全性不足。

鉴于此种情况，可在使用现有成熟技术的情况下，利用川内普遍实现的网电资源，最大限度的利用现场设备，投入较少资金对ZJ70LDB钻机进行直驱化改造，使钻机更加适应大小井场和丛式井作业，实现钻机的电动化以及整体性能的大提升，同时提高生产和搬迁安效率，实现降本增效和节能减排。

二、改造方案分析

选择出厂时间在10年内的ZJ70LDB钻机进行改造，钻机剩余寿命长，改造性价比更好，目前以分公司70687井队为例进行改造可行性分析，该钻机是宝石机械2011年生产出厂，采用四机双泵配置，旋升式底座，绞车低位安装，钻机整体状况良好，具体改造方案如下：

1.绞车改造方案一：

保留绞车传动箱，改柴油机驱动为交流变频电机驱动，去掉四级联动箱和后端传动结构，在绞车电机选型时，电机额定转速要与原绞车输入轴的转速、柴油机组至绞车传动比相匹配，电机总功率要能满足ZJ70钻机绞车承载需求。

机械钻机后台底座多，重量大，重心位置靠后，绞车升级后取消了后台1、2、3、4号柴油机组、并车箱及底座，后台重量减轻，影响钻机的起升配重，其中井架起升重量最大，需要重新核对井架起升配重。

改造前后台重量：

4×（柴油机重8.2吨+变矩器重2.2吨+底座重5吨+万向轴0.35吨）+并车箱25.5吨=88.5吨。

配重计算：

原70687钻机井架起升最大钩载为145t（底座起升最大钩载90吨），起翘最大位置在绞车水箱后侧，最大起翘实测约为h1=12cm，根据后台设备重心位置，以后台后侧为支点，进行力矩平衡受力分析，类比计算改造后的起翘量h2，小于12cm即符合起升要求：

设F1、F2、F3、F4、F5分别为原70687队1#、2#、3#、4#柴油变矩机组和并车箱的重力；L1、L2、L3、L4、L5为对应力臂。

F1=F2=F3=F4=15.75吨，F5=25.5,L1=7.95m，L2=6.05m，L3=3.92m，L4=1.45m，L5=5m

F6、F7分别为改造后绞车动力机组和配重水箱的重力；改造后后台重心变化，支点位置为后基座，L6、L7为对应力臂,L6=6m,L7=6.5m

F6=2×电机3.2吨+传动总成3吨+电机支座2吨=11.4吨，F7待定；

绞车水箱尺寸实测（长×宽×高）：11×2.95×0.9m，考虑运输限制，假设配重水箱宽3m；

h2=（F1×L1+ F2×L2+ F3×L3+ F4×L4+ F5×L5）× h1/（F6×L6+ F7×L7 ）≤12cm

计算得：F7≧56.03吨，

即配重水箱自重+注水重≧56.03吨的可满足井架起升安全要求。

如配重水箱自重设计为10吨，则水箱容积应大于46.3方，且配重水箱长度宜与绞车水箱保持一致，计算得配重水箱尺寸（长×宽×高）：11×3×1.4m

绞车电机的选型

原绞车的参数如下：

绞车功率：1470kW

绞车输入轴转速为：464r/min

动力机组至绞车传动比：2.15

功率匹配：根据电机产品类型，选择2台800kW交流变频调速电机，可以满足绞车功率的需求。

转 速匹配：电机的额定转速要在4642.15=997.6r/min左右。

图一：改造前绞车传动图

图二：改造后绞车传动图

2.绞车改造方案二（直驱）：

因70687井队绞车低位安装，绞车底座结构设计的改造空间大，可用目前钻机生产厂家成熟的JC70DBZ直驱绞车对原钻机的JC70B绞车进行整体更换，更换后绞车功率及滚筒尺寸与原绞车保持基本一致，同时与绞车改造方案一类似，对后台重量进行结构性补充。

原JC70B绞车总重量为43.58吨，JC70DBZ直驱绞车重量约32吨（厂家不同稍有差异），即绞车整体更换后，重量下降11.58吨，参照方案一计算结果，根据下降力矩（M）等比例计算，可适当放大配重水箱尺寸既可满足井架起升的安全可靠要求，以后基座为支点，等比计算：

减重F=11.58吨，减重力臂L=4m，配重Fa待定，配重位置位于方案一的配重水箱中心线配重力矩La=6.5m，计算Fa=F×L/La=7.13吨。

配重总吨位≥F6+F7+Fa=74.56吨，若设计水箱自重15吨，则水箱容积应大于等于59.56方，计算配重水箱尺寸为（长×宽×高）：11×3×1.8m。

3.泥浆泵改造

以现有机械传动的F-1600型泥浆泵为基础，去掉万向轴及连接法兰，采用2台低速大扭矩盘式电机直接驱动钻井泵，电机定子安装在泥浆泵壳体上，电机采用固定悬挂式安装结构，通过安装法兰将电机固定在泥浆泵泵体上，电机转子通过万向轴与泥浆泵动力输入轴相连，实现对泥浆泵的直接驱动。

图三：改造后绞车传动图

泥浆泵电机选型

功率匹配：根据电机产品类型，选择2台600kW低速大扭矩盘式电机，可以满足泥浆泵功率的需求。

转速匹配：F-1600泥浆泵大小齿传动比为4.2，额定泵冲120r/min，输入轴额定转速即直驱电机额定转速应约为4.2×120=504r/min左右。

4.井场电控系统改造

70LDB机电复合钻机电动化改造后，为实现绞车和泥浆泵电机控制、电源接入（网电接口、柴油发电机控制柜），需要新制VFD的房及各类电缆，配置网电接口及4台发电机控制柜，新VFD房与原转盘VFD房的电机控制等操作在司钻房内需要集成统一控制，同时对司钻房进行局部改造，以满足司钻操作要求。

5.平移装置优化

70687井队配套的平移装置能实现井架底座、机房、并车箱、泥浆泵的整体移运，采用单边11节平移导轨配置，直驱化改造完成后，可去掉机房导轨单边3节及泥浆泵平移导轨，同时可去掉机房底座与泥浆泵的连接座以及泥浆罐升高座，仅保留单边8节底座导轨即可满足移运要求，大大简化了安装工作量，提高安装效率，且由于导轨的通用性，剩余导轨可与其他钻机平移导轨互为备件。

3. 改造完成后性能分析

1. 直驱改造升级后，70687钻机具有电动钻机的特性，绞车、转盘、泥浆泵均可实现无极调速，满足各种生产工况需求，钻机性能整体提升，特别是泥浆泵通过交流变频调速，能灵活满足生产需要的各种泵冲和排量，同时改造后去掉了机房4台柴油变矩机组、1台并车箱、1套泥浆罐升高座及后机房平移导轨，绞车后台设备基本清空，简化了传动结构，减少了传动环节的能量损失，免除了柴油机作为动力存在的空载损耗，钻机效能同步提高。

2. 现场设备减少后，机械故障率下降，且钻机搬迁、安装工作量减少，节省搬迁运输车约8车次，车次下降率约10%（以70687钻机搬迁总车次为80车次计算），节省拆卸、安装时间约10小时，节省率11.9%（以70687钻机安装时间为7天，每天12小时计算），且采用直驱绞车、直驱泥浆泵后，绞车、泥浆泵安装尺寸和重量显著下降，设备吊装的安全性与便利性提高，钻机平移载荷下降，整体平移效率和安全性会明显提高。

3. 改造经济性分析

1.预算明细

根据目前成熟的直驱电机产品价格及改造相关配件和工时费用预计，参照本年度钻机及配套设备采购框架，70687井队直驱改造费用（不含税）为886万元（或1211万元），明细如下：

方案一预算明细（万元）：

方案二预算明细（万元）：

2.经济分析

对比目前新增钻机动则五千余万的配套费用，半年以上的钻机生产制作及投产周期，上述直驱改造费用相对较少，改造周期短（约1个月），创效快，且经过费用资本化后，按固定资产15年折旧摊销测算，每年增加经营成本仅59.1万元（或80.7万元），对分公司经营影响小，经济上可行。

3. 结论

在最大限度利用现有设备的情况下，通过对ZJ70LDB钻机的绞车、泥浆泵进行直驱化改造，优化绞车底座及钻机平移装置的结构，可实现钻机性能质的提升，ZJ70LDB钻机的直驱改造在技术上和经济上可行。

参考文献

[1].ZJ70/4500LDB17钻机图册/AZ701132-00TC.宝鸡石油机械有限责任公司.2010.11