石油钻采新装备.ppt
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1、1,第一章 电驱动钻机,本章目录第一节 电驱动钻机的类型及特点 一、ACAC 电驱动钻机 二、DCDC 电驱动钻机 三、ACSCRDC 电驱动钻机 四、ACCFAC 电驱动钻机 第二节 电动机的机械特性 一、机械特性的分类 二、电动机的固有机械特性 三、直流电动机的人为机械特性 四、钻机用它励直流电动机的人为机械特性 第三节 ACSCRDC电驱动钻机的可控硅电源简介 一、可控硅控制系统的主要作用 二、可控硅控制柜的电路,第一节 电驱动钻机的类型及特点 从诞生到现在,电驱动钻机主要有四大类。一、ACAC 电驱动钻机 最初的电驱动钻机为该类型,目前已很少使用。1、动力分配 由柴油机带动交流发电机发
2、电,通过电网实现动力并车,集中供电,驱动交流电动机,从而带动工作机工作。典型的动力分配图如下。,2,3,2、ACAC 电驱动钻机的特点(1)通过电网实现动力并车,省去了机械钻机庞大复杂的动力并车系统;(2)采用单独或分组驱动,简化了传动系统,传动效率提高;(3)采用电子调速,柴油机可以稳定在高效区工作,寿命延长,燃油消耗降低(降低1012%);(4)交流电动机为硬特性,绞车、钻盘仍需设较多的机械档,只能有级变速。,4,二、DCDC 电驱动钻机 这是继ACAC电驱动钻机后出现的类型。1、动力分配 由柴油机带动直流发电机发直流电,驱动直流电动机,带动工作机工作。典型的动力分配图如下。,5,6,2、
3、DCDC 电驱动钻机的特点(1)采用单独或分组驱动,传动系统简化,传动效率提高;(2)采用电子调速,可使柴油机稳定在最佳运转工况,寿命延长,钻机总燃油消耗降低(降低1012%);(3)直流电动机,具有人为的柔特性,调速范围宽,可实现无级调速,绞车、钻盘只需设少量的机械档;(4)用直流电动机驱动,启动能力强。(5)需要专门配置交流发电机组,提供辅助设备和照明电源;(6)直流发电机、直流电动机成本高,寿命相对较短,维护困难,还需特别考虑防爆问题;(7)动力机不能互济,总装机功率大,影响可靠性。,7,三、ACSCRDC 电驱动钻机 这是当前世界最流行的电驱动钻机类型。1、动力分配 由柴油机带动交流发
4、电机发交流电,通过电网实现动力并车,集中供电。再经可控硅整流装置将交流电变为直流电,驱动直流电动机,从而带动工作机工作。典型的动力分配图如下。,8,9,返回24,2、ACSCRDC 电驱动钻机的特点(1)具有ACAC、DCDC 电驱动钻机的全部优点;(2)用直流电动机价格高、寿命短,还需特别需考虑防爆问题。(3)投资成本略高于DCDC电驱动钻机。是当今电驱动钻机的主力机型之一。,10,四、ACVFAC 电驱动钻机 基本原理 用柴油机带动交流发电机发出交流电,通过可控硅变频器,得到可以改变频率的交流电,驱动交流电动机工作,从而带动钻机各工作机工作。在可控硅变频器的内部,经历两次电流性质的改变:首
5、先用晶闸管整流电路将交流电转变为可调电压的直流电,再用逆变器将可调直流电转变为可调频率的交流电。(见图)利用改变频率,交流电动机的机械特性可以人为地改变,得到人为的柔特性,满足钻机工作机的性能要求。人为特性曲线见图。,11,返回11,12,特点:1、具有ACSCRDC 电驱动钻机所有优点;2、克服了ACSCRDC 电驱动钻机的主要缺点;3、变频器价格稍高,传动效率稍低。是当今电驱动钻机的最高水平。最终将全部取代ACSCRDC电驱动钻机。,第二节 电动机的机械特性 一、机械特性的分类 机械特性:电动机的转速n随转矩M而变化的关系。一般用曲线表示,称机械特性曲线。按转速n随转矩M变化的程度不同,机
6、械特性可分为三类:1、当 时,为特硬特性;在 nM曲线上,表现为一条水平线。2、当 时,为硬特性;在 nM曲线上,表现为一条略向下倾斜的直线。3、当 时,为柔特性;在 nM曲线上,表现为一条近似的双曲线。见下图。,13,14,二、电动机的固有机械特性 固有机械特性:电动机的转速 n 随转矩 M 而自动变化的关系。用曲线表示,则称固有机械特性曲线。1、交流电动机的固有机械特性 a、同步交流电动机 同步交流电动机固有机械特性为 特硬特性。特点:具有较高的功率因数,效率高;启动性能很差;结构复杂、寿命相对较短,价格较高。适用于:不经常启动、转速恒定的中、大功率场合。用得较少。b、异步交流电动机 异步
7、交流电动机固有机械特性为 硬特性。特点:过载能力较大;结构简单、寿命长、维护方便、便宜。适用于:不需要调速的各种场合。交流电动机固有机械特性曲线见下图。,15,16,2、直流电动机的固有机械特性 直流电动机的优点:调速方便;启动力矩大。缺点:价格高、维护困难。按照励磁方式,可以分为:并励、它励、串励、复励直流电动机,石油现场最常用的是它励直流电动机。a、并励、它励直流电动机 并励、它励直流电动机的固有机械特性均为硬特性。电路原理与固有机械特性见下图。,17,18,b、串励直流电动机 串励直流电动机的固有机械特性为 柔特性。该特性很好,满足钻机的绞车和转盘的要求。但是,当载荷很小时,转速过高,有
8、“飞车”危险,不适合用链条、皮带传动。这导致其不能用在石油钻机上。,19,三、直流电动机的人为机械特性 人为机械特性:人为地改变直流电动机某些参数而获得的机械特性。通常也称:调速特性。现代石油钻机广泛使用它励直流电动机,这里主要讲它的调速特性。它励直流电动机的基本调速方式有:1、在电枢电路中串电阻调速(见曲线)特点:空载转速不变;转速只能下调;转速越低,特性越软;调速方便;调节电阻长期大量耗电,不经济。适用场合:中小功率电机。石油钻机不适用。,20,2、降低电枢电压调速(见曲线)特点:1)转速只能下调;硬特性不变(固有特性曲线平移);2)调速方便;调速范围大;经济性好。可适用场合:石油钻机。,
9、3、在励磁电路中串电阻调速(见曲线)特点:1)转速只能上调;随所串电阻增大,特性变软;2)调速方便;经济性较好。转速不得超过额定值的20%。可适用场合:石油钻机。,四、钻机用它励直流电动机的人为机械特性 石油钻机的工作主机是绞车、转盘、泥浆泵。一般情况下,工作机的转速都是从额定转速向下调。对于绞车,当大钩空载上行时,为了减少上行时间,需要短时高速运行,此时,可以高于额定转速。现代钻机采用ACSCRDC 电驱动方式,每台(组)电动机用一个可控硅控制柜,电枢的输入电压易于调节,故钻机中大都采用它励直流电动机复合调速:降低电枢电压 励磁电路串电阻。,22,23,ACSCRDC 电驱动钻机电路,调速过
10、程如下:a、当励磁电路中串入的调速电阻阻值Rf=0、电枢输入电压为额定值时,电动机的机械特性为固有机械特性;b、当需要增速时,增大励磁电路中串入的调速电阻阻值Rf,固有机械特性曲线上移,且特性变软;c、当需要减速时,将励磁电路中串入的调速电阻Rf调至0,然后通过调节可控硅晶闸管的触发电路,降低电枢输入电压,电动机的固有机械特性曲线向下平移。参见下图。,第三节 ACSCRDC电驱动钻机的可控硅电源简介 现代钻机采用ACSCRDC 电驱动方式,每台(组)电动机用一个可控硅控制柜,将交流电转变成可调的直流电,驱动它励直流电动机。一、可控硅控制系统的主要作用 柴油机带动交流发电机发出的三相交流电,经电
11、力并车后进入交流电网(见前图)。可控硅控制系统完成以下主要工作:a、经三相电力变压器输入600V交流电,经晶闸管构成的全控桥式整流电路转换成可调电压的直流电,供给它励直流电动机的电枢;b、用单相电力变压器将电网中的交流电降压,经半导体二极管构成的桥式整流电路转换成直流电,供给它励直流电动机的励磁线圈。c、利用触发电路控制晶闸管的触发角,从而调节电枢电压。,24,二、可控硅控制柜的电路 可控硅控制柜的电路主要有:a、整流电路;b、触发控制电路;c、保护电路;,25,本章完,2023/10/16,30,第二章 顶部驱动钻井系统,本章目录第一节 顶部驱动钻井系统的功能和类型 一、顶部驱动钻井系统的功
12、能二、顶部驱动钻井系统的类型 三、顶部驱动钻井系统的基本组成第二节 顶部驱动钻井系统的结构及工作原理 一、直流电驱动的顶部驱动钻井系统 二、全液压驱动的顶部驱动钻井系统第三节 顶部驱动钻井系统的特点,2023/10/16,31,第一节 顶部驱动钻井系统的功能和类型 一、顶部驱动钻井系统的功能 最早的顶部驱动装置是“动力水龙头”,即:在水龙头上设置动力装置,驱动水龙头的中心管旋转,中心管下部直接接钻杆。这样,在钻井过程中,可以省去转盘。现在的顶部驱动钻井系统,无论在功能上,还是在结构上,都发展得日益完善。它的主要功能有:1、旋转钻进;2、循环钻井液;3、起吊钻具;4、上卸钻柱。,2023/10/
13、16,32,二、顶部驱动钻井系统的类型 顶部驱动钻井系统是在80年代末,由美国、法国、挪威相继研制而成。基本类型有三大类:1、全液压驱动(如Maritime Hydraulics 公司的产品)驱动主轴旋转的动力源是液压能。由两台轴向柱塞马达经齿轮减速箱带动主轴旋转。2、直流电驱动(如美国Varco公司的产品)驱动主轴旋转的动力源是直流电。由直流电动机经齿轮减速箱带动主轴旋转。直流电源是来自电动钻机的ACSCR 系统。3、交流电驱动(如挪威的DDM型)驱动主轴旋转的动力源是交流电。由交流电动机经齿轮减速箱带动主轴旋转。调速则利用AC/AC变频技术。三种类型,都把无级调速特性作为基本要求。,202
14、3/10/16,33,三、顶部驱动钻井系统的基本组成 一个完整的顶部驱动钻井系统由以下几部分组成:1、水龙头钻井马达装置总成 具体有:水龙头、电动机(或液压马达)、齿轮减速器、主轴;作用:驱动主轴正反转、向钻柱内导入钻井液。2、导向滑车总成 具体有:导轨(立于井架内,有单轨和双轨两种)、滑车框架(固定在顶部驱动装置壳体上)、导向轮(装在滑车框架上,可沿导轨滚动)。作用:引导顶部驱动装置上下运动;承受钻井过程中的反向力矩。3、钻杆上卸扣装置(Pipehander)具体有:吊卡、吊环、吊环连接器、吊环倾斜器、液压扭矩钳。作用:通过吊卡、吊环、起吊钻具;通过液压扭矩钳上、卸扣(将钻具与顶部驱动装置的
15、主轴连接或卸开)。,2023/10/16,34,第二节 顶部驱动钻井系统的结构及工作原理 一、直流电驱动的顶部驱动钻井系统 这里介绍美国Varco公司的产品。1、系统组成 Varco公司的顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成:1)水龙头(借用钻机原配的常规水龙头);2)钻井马达总成由直流电动机、一级齿轮减速箱、主轴、散热装置组成;3)导向滑车总成由滑车框架、导向轮、导轨等组成;4)钻杆上卸扣装置由旋转头、吊环连接器、吊环倾斜器、液压扭矩钳等组成;5)动力系统由柴油机、发电机、SCR控制房、液压泵站、电力电缆、控制电缆、柔性液压管汇等组成。2、安装布置(见图);3、水龙头钻井马达总成(见图)4
16、、导向滑车(见图);5、钻杆上卸扣装置(见图),2023/10/16,35,返回5,2023/10/16,36,返回5,要点:1、水龙头中心管经锥管螺纹与主轴连接。2、主轴与从动大齿轮固连。3、电动机为双出轴,下端通过花键与主动小齿轮连接,上端与气动制动器摩擦轮固连。4、气动制动器的作用有两方面:需要主轴快速停止;使用井底动力钻具时制动主轴。,2023/10/16,37,返回5,2023/10/16,38,返回5,要点:1、钻杆上卸扣装置利用上部旋转头固连在顶部驱动装置总成的减速箱壳体的下方;2、吊环倾斜器靠液缸推动而摆动,通过链条带动吊环倾斜;3、液压扭矩钳(扳手)通过吊架悬挂在旋转头上,有
17、上、下两个钳。下钳(夹持钳)不旋转,可由夹紧液压缸驱动,夹紧钻具母接头;上钳可以靠两个液压缸夹紧主轴下端连接的保护短接,靠另外两个液压缸推动正、反转,完成钻具与主轴的紧扣和崩扣。低扭矩时,可用钻井马达旋转主轴,实现上、卸扣。,2023/10/16,39,二、全液压驱动的顶部驱动钻井系统 这里介绍挪威 Maritime Hydraulics 公司的产品。1、系统组成 PTD轻便式顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成(由上到下):1)水龙头(借用钻机原配的常规水龙头);2)液控钻具防喷器由钻具防喷器、液压缸组成;3)钻井马达总成由两个斜轴式轴向柱塞液压马达、两级齿轮减速箱、主轴组成;4)钻杆上卸
18、扣装置由旋转头、悬挂杆(含弹簧)、吊钩本体、吊环倾斜器、液压扭矩钳等组成;5)液压动力系统由液压泵站、液压控制台、柔性液压管汇等组成。2、安装布置(见图)3、顶部驱动装置总成(见图)4、驱动装置减速箱总成(见图)5、导向滑车、吊环倾斜器、液压扭矩钳的安装(见图)6、液压钻具防喷器的安装(见图),2023/10/16,40,返回10,液压顶驱安装图,2023/10/16,41,返回10,要点:1、水龙头中心管经锥管螺纹与主轴连接。2、主轴与从动大齿轮固连。3、两个液压马达的输出轴通过花键与主动小齿轮轴固连。4、钻杆上卸扣装置悬挂在主轴下台肩上。5、导向滑车通过四个铰链与减速箱壳体固连;,液压顶部
19、驱动装置结构原理图,2023/10/16,42,返回10,要点:该装置采用了高速小扭矩液压马达。为使主轴获得很大的扭矩,采用了两级齿轮减速。为减轻齿面载荷,采用双闭环齿轮传动。,顶驱减速器结构原理图,2023/10/16,43,要点:1、观察导向滑车安装和工作状态;2、观察吊环倾斜器安装和工作位置;3、钻具机械手的旋转头经法兰盘连接在减速箱壳体上;吊钩本体经两个含弹簧的吊杆悬挂在旋转头下;吊钩承载后,吊钩本体下坐在主轴下台肩上,卸载后,在弹簧作用下上移而离开主轴下台肩。液压马达通过链条使旋转头可做360旋转。利用锁紧液缸可以制动。4、液压扭矩钳经框架固连在吊钩本体上,扭矩钳工作原理见液压扭矩钳
20、结构原理图,返回10,导向滑车、吊环倾斜器、扭矩钳安装位置,2023/10/16,44,要点:1、液压缸为单作用缸,夹紧靠液压力,释放靠弹簧力。2、共有两组液压缸,处并联状态,输入液压油时,左右两缸同时外伸,夹紧钻具接头。3、钳牙用螺钉固定,可以随时更换。,液压扭矩钳结构原理图,返回14,2023/10/16,45,钻具防喷器的安装,2023/10/16,46,第三节 顶部驱动钻井系统的特点 顶部驱动钻井系统是钻井设备发展更新的重要成果之一。1982年,第一台该系统投入矿场使用,目前,已经广泛用于海洋和陆地钻机上。我国石油现场也开始逐步采用该系统。中国钻井队要想到国外竟标,在设备上的先决条件就
21、是要有电动钻机和顶部驱动钻井系统。顶部驱动钻井系统被如此看重,主要是其有如下特点:1)可以用立根(三根钻杆,长27米多)钻进,减少2/3的钻柱连接时间,提高了工作效率,减轻了工人的劳动强度和伤亡事故;2)在起、下钻过程中,可以立即循环钻井液,实行倒划眼起钻和划眼下钻,减少卡钻事故和由此带来的打捞作业;3)主轴上连接有液压钻具防喷器。当起钻中发现有井喷迹象,可遥控实现顶部驱动装置与钻柱连接,立即循环钻井液,避免井喷事故发生;4)用27米钻柱钻定向井,可以减少井深测量次数,容易控制井底马达造斜方位,节省钻井时间;5)用27米钻柱取芯,可连续取芯27米,提高了岩心质量。,2023/10/16,47,
22、井 控 设 备第一节 井控设备概述 一、井控设备的功用 二、井控设备的组成 三、液压防喷器的特点 四、液压防喷器的主参数 五、液压防喷器的型号 六、井口防喷器的组合 第二节 液压防喷器的结构原理 一、环形防喷器 1、锥形胶芯环形防喷器 2、球形胶芯环形防喷器 3、环形防喷器的比较 4、环形防喷器的合理使用 二、闸板防喷器 1、闸板防喷器结构概况 2、闸板防喷器的工作原理与特殊结构 3、闸板防喷器的合理使用 第三节 防喷器液压控制系统 一、概述 1、防喷器液压控制系统的组成 2、防喷器液压控制系统类型与型号 二、防喷器液压控制系统的工作原理,2023/10/16,48,第一节 井控设备概述 井控
23、设备是指实施油气井压力控制技术的所有设备、专用工具和管汇。一、井控设备的功用 1、预防井喷保持井内泥浆静液柱压力略高于地层压力;2、及时发现溢流对上返泥浆量进行监测,及时发现溢流征兆;3、迅速控制井喷井喷一旦发生,迅速关井、并实施压井。二、井控设备的组成 1、井口防喷器组环形防喷器、闸板防喷器、四通等;2、控制系统远程控制台(储能器装置)、司钻控制台;3、节流与压井管汇;4、监测仪表泥浆罐液面监测仪、有毒气体监测仪;5、钻具内防喷工具方钻杆球阀、钻杆回压凡尔、投入式单向阀等;6、辅助设备加重泥浆配制设备、液气分离设备。参见下图。,2023/10/16,49,返回39,图1,2023/10/16
24、,50,三、液压防喷器的特点 防喷器是井控设备的核心组件。最原始的防喷器是手动的,开关费力,关井耗时多,承受压力低,故障多,经常在需要关井时封不住井,造成井喷失控,因而已被淘汰,取而代之的是液压防喷器。我国70年代初研制出液压防喷器,它具有以下特点:1、关井动作迅速。闸板防喷器38秒内可关井;环形防喷器30秒内可以关井。2、操作方便。用液压传动的方式迫使胶芯变形、闸板运动,操作省力、方便。3、安全可靠。防喷器强度可靠;防喷器封井机能可靠,出厂前进行严格试压;防喷器的控制操作可靠,若司钻操作控制失灵,可以用远程控制台控制,若远程控制台控制也失灵,闸板防喷器还可以用手动关井。4、现场维修方便。液压
25、防喷器的胶芯和闸板是最关键元件,最易损坏,若发现损坏,可以及时拆换。,2023/10/16,51,四、液压防喷器的主参数 液压防喷器的最重要的参数是最大工作压力和公称通径。最大工作压力封井时,防喷器能够承受的最大井口压力;公称通径防喷器上下垂直通孔直径。该尺寸表明防喷器可以通过的最大钻头直径。(注:公称通径是经过圆整的,实际通经与其有微小差异)我国规定的防喷器最大工作压力和公称通径见下表。,2023/10/16,52,五、液压防喷器的类型及型号 1、液压防喷器的类型 液压防喷器的类型有三大类:1)闸板防喷器有单、双、三闸板防喷器三种;2)环形防喷器有锥形胶芯、球形胶芯防喷器两种;3)旋转防喷器
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