zj50型石油钻机用动力绞车传动系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

zj50型石油钻机用动力绞车传动系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

长，工作安全可靠等特点。 较 好的简化了绞车结构。 并具有适应性强、经济性好 、结构新颖的特点。 石油钻机国内外的发展状况 石油钻机国内的发展状况 纵观我国石油钻机的历史，其发展主要由 4 个因素所决定：一是钻机的有效 使用年限，它决定其更新或改造周期。 二是钻探深度 (地质构造 )，它决定钻机的 市场方向是浅井、中深井还是深井。 三是从钻机的效率和效益出发，决定钻机的 驱动形式是机械驱动或是电驱动，结构型式是橇装还是车装。 目前国内陆地石油 钻井业中，浅井钻机、中深井和深井钻机兼而有之，以中深井较多；在驱动型式 上以机械驱动为主；在结构方式上以橇装为主。 四是市场的有效 需求，它决定钻 机的发展规模。 自 2o 世纪 9o 年代以来，由于钻机制造技术、部件质量和研发能力的提高，研发速度加快，研制成功 6oL 型、 — 6oD 型和 — 60DS 型机械驱动钻机 和电驱动钻机，并朝系列化、标准化、多样化方向发展，钻机的性能指标已达到 GB180686 的规定。 国产钻机已形成系列，钻深有 1 500、 2 000、 3 200、 4 500 和 6 000 m；驱动方式除常规的柴油机 胶带驱动和柴油机 液力变矩器驱动外， 还有 ACSCRDC 驱动。 尤其是 4 500 m 以浅钻机在提高移运性上成绩斐然，橇装钻机模 块化程度大大提高，其中 3 000 m 以浅钻机采用自走式运载车、伸缩式井架，大大降低了移运成本，且均拥有自主知识产权。 目前，我国石油钻机的品种和质量基本满足了国内不同地区、不同井深的需要。 已有一批国产石油钻机在国外承担钻井作业服务，有一些在国内区块承担反承包钻井，并受到好评。 从国内钻机生产能力上看，宝鸡石油机械厂、兰州石油化工机器总厂、四川宏华公司等主要生产中深井钻机；江汉四机厂主要生产、 3 000 m 以浅车装浅井钻机；南阳石油机械厂主要生产车装和橇装模块式中浅井钻机，生产的替代大庆 130 型的模块化钻机，已 经过多井次的工业化试验。 该厂 3 000 m 车装钻机已生产 3O 多台，目前有 20余台车装及橇装钻机在国外服务，其中由长城钻井公司牵头组织、南阳石油机械厂生产的 l20K 钻机自 1997 年就开始在加拿大进行钻井作业，使用情况良好。 此外，北京石油机械研究所与大港新世纪机械制造有限公司共同完成了 D(}_一 30Y 顶驱工业性试验，北石所研制的为 ZJTOD 配套的顶驱已在克拉玛依和塔里木完成 2口井的工业试验。 南阳石油机械厂引进意大利轻便顶驱技术与 4 3 000 m 车装钻机配套后到印尼服务，与石油大学 (北京 )合作的盘式刹车技术已应用于 3 O00 m 钻机，并投放到胜利油田及墨西哥市场。 石油钻机国外的发展状况 为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发，美国、 德国、法国、意大利、加拿大、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石 油钻机。 其中美国的钻机技术和销售业绩在世界上稳居首位，所以与国际技术接 轨，实际上是与以美国为代表的钻机技术及 API 规范接轨。 就我国目前普遍使用 的机械驱动钻机而言，美国在 20 世纪 60年代已经成熟，到 70 年代得到迅速发展。 近年来，国外钻机在传动方式和结构形式方面发展很快，交流 变频电驱动已经广泛使用，顶驱发展也十分迅速。 今后石油钻机的发展趋势是多样化、两极化、自动化和人性化。 1．类型趋于多样化 近几年来，根据井位环境差异和钻井工艺需要，开发出不同类型的石油钻机， 如适应各种环境的沙漠钻机、海洋钻机、浅海或海滩钻机、极地钻机、城市钻机、 地震区钻机、全地彩钻机、直升机吊运钻机和陆地钻机等 ⋯ ；适应各种钻井工艺的丛式井钻机、斜井钻机、小井眼右机、特深井钻机、自走式钻机、自动化钻 机、柔杆钻机、模块化钻机等引。 尽管钻机的类型多种多样，但新型钻机的发 展有一个共性，即在重视钻机 作业性能的基础上，逐步重视钻机的移运性能。 这 是因为对钻井承包商而言，其钻井成本主要包括两方面：一是直接钻井成本，二 是辅助钻井成本，包括运载成本和停工成本，而运载成本和停工成本均与钻机本 身有直接关系。 2．规模趋于两极化 石油钻机在规模上有两极发展的趋势，即深井钻机大型化和轻便钻机小型 化。 (1)深井钻机趋向大型化 钻深能力已达 l5000 m，最大钩载达 12 500 kN。 为了提高起升工作效率，绞车功率趋向于提高。 美国 Emseo 公司研制的号称世界上第一台输人功率为 3 676 kW 的绞车已问世，该 绞车由 4 台大扭矩的直流电动机驱动，采用强制水冷盘式刹车，起升钢丝绳直径 5Omln。 钻井泵单台最大功率 l 618 kW ，最高压力52． 7 MPa。 原苏联、罗马尼亚的钻机系列中，绞车输人功率最大 l 838 kW。 特深井钻进都采用 4个单根组成的立柱，故井架高度超过 50m。 德国 KTB 超深井使用的 u． IB— lGH3OOOEG 钻机，井架最高为 63 m。 考虑安装防喷装置的需要，井架底座最高达 l2． 12 m。 一般在深井中都用 339． 725 mill 70 MPa 的防喷器组。 随着钻大井眼的需要，大尺寸高压防喷器也有新的发展 ，德国 KTB 超深井中已使用 476． 25 mln 70MPa 防喷器组。 目前美国可提供 476． 25 mill 105MPa防喷器。 为了把环形防喷器工作压力从 35MPa 提高到 70 MPa，美国 Shatter 公司推出了两个串联胶心的环形防喷器。 另外，还推出快拆法兰结构防喷器，拆换胶心方便，省去现场装卸螺栓的繁重劳动。 (2)轻便石油钻机趋向小型化 为了适应浅海、海滩、沙漠、丘陵地带油气藏的勘探，国外公司在 20 世纪6o 年代开始研制模块式钻机。 美国在 1973 年设计了 TBA1000 型系列钻机，经济钻深为 l 8006 000 m，结构紧凑、质量轻，模块化设计，每个模块质量不超过18 t，既可用直升机运输，也可用雪橇、履带车、船舶等运输。 轻型钻机主要以车装钻机为主，美国是世界上生产车装钻机较多的国家，使用也很广泛， 3 500 m 5 以浅的井几乎都使用车装钻机。 其传动特点是设备布置成组集中，动力机组、传动装置、绞车和井架等均在同一自走车上，机泵组安装在可整拖的大底座上，采用液压机构起放井架。 最小的微型钻机采用小井眼钻井技术，钻深可达 l 500 m，体积小，质量轻，最轻的只有 14 t，节省钻井费用 30％ 一 4o％ ，减少拆装 时间 6ook 一 70ok，节约钻井液 88ok，减少井场面积 70ok，是经济效益最好的一种石油钻机。 3．控制趋于自动化 顶驱、盘式刹车技术的逐步成熟，以及电动控制技术、液压驱动技术和可靠 性的逐步提高，为实现钻机控制的自动化提供了可能，再加上海洋及深井等复杂 工况下，钻井工艺及成本对钻井装备的要求使得钻机控制自动化成为钻机发展的 一个重要趋势。 顶部驱动装置克服了转盘钻井方式的缺陷，给钻井作业带来了诸 多好处，既可满足复杂作业工况需求，提高作业效率，又使作业更安全。 盘式刹 车替代原带式刹车，作为 20 世纪 8O 年代后期发展起来的一项新技术，以其制动力矩容量大、稳定、安全、可靠等特点，可实现遥控操作，易实现自动送钻，易维护，长寿命，易系列化设计和专业化生产。 电驱动用于钻机最早开始于 20 世纪 5O 年代中期，随后逐步完善、成熟。 与机械驱动相比，电驱动具有操作安全、维修保养方便、易于实现自动控制等特点，特别是全数字系统的出现，使得电驱动系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便。 电驱动可以通过编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。 液压驱动具有转换容易、体积小 、质量轻等特点。 全液压驱动的绞车、转盘和钻井泵由挪威 MH公司于 2o 世纪 90 年代推出，与此之前推出的全液压顶驱、管排放系统、液压机械手及天车型液压升沉补偿器，构成了海洋钻机机械化、智能化操作系统。 4． 设计趋于人性化 新型钻机充分体现以人为本的思想，最大限度满足 HSE 要求：护栏、梯子要 满足安全规定。 上下井架有助 (阻 )力器，二层台有逃生器，钻台有逃生滑道。 钻 机设有天车防碰和紧急刹车装置，避免游车大钩碰撞天车，并能在任何情况下迅 速制动大钩和绞车。 选用无公害的摩擦盘 (片 )、刹车块、油漆，保证员工健康。 刹 车毂、辅助刹车的冷却水循环使用，柴油机排放满足环保要求。 本次毕业设计目的 绞车是钻机的核心部件，是钻机起升系统的主要设备，它在钻井工作中起着 极其重要的作用。 ZJ50 型绞车具有钻井性能好、启动平稳、绞车功率大、调速 性能好、功率利用率高、安全可靠、绞车操作省力，控制先进，传动简单，结 构紧凑，调速范围大，效率高，寿命长，工作安全可靠等特点。 在对 ZJ50 型绞 车的整体结构及工作原理认真研究的基础上，运用 Pro/E 对 ZJ50 型绞车系统的 所有组成元件进行三维建模；并对滚筒、滚筒轴、中间 轴、输入轴等重要部件进行安全校核；最后运用 ANSYS 对中间轴装配体进行有限元分析。 6 本次毕业设计的任务及要求 1．通过对 ZJ50 型绞车的工作原理、结构组成和传动系统的研究，阐述 ZJ50 型绞车具有传动简单，功率大且利用率高，调速性能好，安全可靠等优点。 2．运用三维造型软件 Pro/E 完成 ZJ50 型绞车的传动系统的三维建模。 3．对 ZJ50 型绞车传统系统中的传动轴、滚筒、主刹车带进行安全校核，根 据校核结果判断各部件是否能满足正常工作要求。 4．运用有 限元分析 ANSYS 软件对 ZJ50 型绞车传动系统的滚筒轴、滚筒、 7 输 入轴、中间轴等主要部件进行有限元的静力学分析和模态分析，根据分析结果判 断传统系统中各主要部件是否满足绞车的正常工作要求。 第二章 ZJ50 型绞车传动系统介绍 ZJ50 型绞车的主要技术标准及设计原则 绞车的使用工况及要求 绞车是钻机起升系统的主要设备，也是钻机的核心部件，它的主要任务是： 用来起、下钻具；悬持静止的钻具；在钻进过程中控制钻压、送进钻具；利用猫 头机构上、卸钻具丝扣；起吊重物及进行井场的其它辅助 工作；另外有的绞车往 往还充当转盘的中间变速传动机构。 根据上述工况对绞车提出了以下要求： （ 1）绞车要有足够大的功率，在最低速转速下钢丝绳能产生足够大的拉力，以 保证游动系统能起升最重的钻具载荷；有一定的解卡能力，并能完成具有最大载 荷的下套管作业；短时最大载荷作用下要有足够的强度、刚度；在绞车使用期限 内，滚筒、滚筒轴、轴承及传动件要有足够的寿命。 （ 2）绞车要有足够的尺寸和容绳量，并应保证缠绳状态良好，以延长钢丝绳寿 命；绞车要适应起下钻重量的变化，有足够的起升档数或能无级调速，用以提高 功率的利用率， 节省起升时间。 （ 3）绞车要能适应起重量的变化，有足够的提升档数，最好能无极调速，以便 提高功率利用率，节省起下钻时间。 （ 4）绞车要有灵活而可靠的刹车机构及强有力的辅助刹车，能准确地调节钻压， 均匀地送进钻具。 （ 5）绞车应配备猫头机构，以供紧、卸钻具丝扣和向钻台起吊重物。 （ 6）绞车应具有刚劲的支架和底座。 中型绞车整体运输，其重量应在 10t 以内， 重型和超重型绞车要使拆散运输的单元在 15t 以内。 传动部分要有严密的防护 罩，并应润滑充分；在结构安排上应保证易损件拆修简便。 （ 7） 绞车的控制手柄、刹把、指重表 等相对集中于司钻控制台，以便于操作。 主要技术标准及设计原则 型钻机设计制造原则 （ 1）钻机绞车设计制造原则依据 “ 先进、可靠、安全、方便、经济 ” 的原则； （ 2）绞车采用模块化设计，将驱动与绞车连成整体，增强了钻机的移运性，减 少安装工程量； （ 3）绞车配套件：轴承选用中国制造的西北轴承厂优质轴承，推盘离合器选用 8 中美合资 SJS 厂家产品，辅助刹车采用伊顿刹车。 滚筒主刹车采用带刹，滚筒采 用整体开槽滚筒，所有运动部件采用强制润滑； （ 4）驱动部位不可以带泥浆泵； （ 5）设计 时，主要关键件（如链轮、轴）等均采用优质合金钢，并且通过热处 理获得优良性能； （ 6）底座设计能适应 UNIT 公司的装运方式。 设计执行的主要技术标准 API Spec7 旋转钻井设备规范 API Spec7F 油田用链条和链轮规范 API Spec7K 旋转钻柱部件规范 API Spec8A 钻井和采油提升设备规范 API Spec9A 钢丝绳规范 API RP500 石油设备电气装置安装场所分类 ZJ50 型绞车结构及工作原理 绞车结构组成 ZJ50 型动力绞车采用模块化设计，将两台 合 成整体，并合理地将机、电、气、液有机的结合在一起，控制绞车的各个动作， 使绞车结构更紧凑，操作更方便、安全，增强了钻机的移运性，减少了设备安装 的工作量。 ZJ50 型动力绞车的结构主要由绞车架、链条箱、滚筒轴、输入轴、 中间轴、猫头轴、输出轴、伊顿刹车、渐开线花键换挡机构、防碰天车装置、润 滑系。