ZJ15钻机的研制与应用
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作者: 朱彩华 宋秋锋 刘 虎
摘要：文章介绍了一种根据用户要求设计配套的用于煤层气开发的新型钻机。该钻机在整体配套和方案设计上具有一定的优越性，尤其在动力方面采用两台柴油机并车提高了使用效率，降低了消耗，节约了生产成本，经过现场实地使用得到了良好的效果，值得在煤层气井、水井和地热井领域推广。
关键词：ZJ15钻机；技术特点；传动方式；应用
一、引言
近年来，随着钻井工艺的迅速发展，对钻机的性能提出了新的要求。为此，各设计制造单位在改造旧钻机和研制新钻机方面做了大量工作。ZJ15型钻机是根据克拉玛依鸿业钻井公司钻井生产的需要提出具体方案，由河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂设计制造的新型钻机，该型钻机是在吸取了国内先进技术的基础上设计制造的机械传动钻机。这种钻机在模块化设计、并车传动方案、井架、底座以及气动控制等方面具有明显的优点。
二、用途及特点
ZJ15钻机能够满足煤层气井、石油钻井、地热井及深水井等深度在2000m以内的直井及从式井的钻探作业。该钻机采用了目前市场常用的比较成熟的技术和结构，其可靠性和技术性较好。钻机基本参数符合SY/T5609-1999《石油钻机型式与基本参数》标准，主要配套部件符合API规范，可满足各种钻井工艺的要求。
钻机主要特点表现在以下几个方面：
第一，采用两台12V135柴油机并车驱动钻机和泥浆泵，结构紧凑，易于维护，当钻井过程中有一台动力出现故障时另一台动力能将孔内钻具提出或泥浆泵正常工作实现泥浆循环，防止出现埋钻卡钻。当钻井深度较深时可将两台柴油机同时启动从而获得大的功率输出。
第二，采用K型自起落井架，安装方便，使用安全可靠。
第三，转盘、绞车、传动机构、动力装置等以块装式结构安装在一个底座上，各块具有独立功能，可以单独吊装，易于安装、拆卸和运输。保证传动的安装精度和工作的可靠性。
三、主要技术参数
名义钻深：φ89mm钻杆：2000m；φ114mm钻杆：1500m；φ127mm钻杆：1300m；最大钩载：1350kN；游动系统：4×5顺穿；钢丝绳直径：φ26mm钻机输入功率：200kW；钻机档数：3正1倒；刹车型式；带刹；转盘型号：ZP175；转盘开口直径：445（17.5in）；转盘转速（动力1300r/min）：76、172、261、83（倒）r/min；井架有效工作高度：31m；二层台高度：17.5m；立根容量（5in钻杆，19m立根）：2000m底座钻台面高度：2.2m；底座后台高度：1.3m；转盘梁最大载荷：1350kN；立根梁最大载荷：900kN；转盘梁净空高：1.65m；空气系统最高工作压力：1Mpa。
四、主要部件及配套方案
（一）绞车
JC15绞车主要由主滚筒、刹车系统、绞车机架、护罩总称、润化系统、猫头轴总称、辅助刹车配套部分等组成。主滚筒采用循环水冷方式；滚筒使用φ26mm（φ28.5mm，可根据用户要求定作）钢丝绳；滚筒离合器采用轴向推盘气控式；绞车架及护罩采用高强度易装拆结构。主滚筒：刹车毂冷却采用循环水冷却方式，主滚筒刹车毂上带有水套和水循环管线，通过滚筒轴端的导水龙头实现冷却水循环以冷却刹车毂。主滚筒在加工装配结束后均进行静平衡试验，动平衡试验，气压试验、水压试验。主滚筒刹车系统主要由钢带、刹车块、平衡梁、限位槽、调节丝杠、拉杆、刹车轴、轴承、轴承座及刹把和刹车汽缸等组成。猫头轴：猫头轴带双猫头。猫头轴安装孔位于绞车机架主墙板，带整体护罩。制造过程中保证两链轮的精确位置，确保链条正常连接。
绞车主要结构和技术参数：
最大快绳拉力：120KN；主滚筒直径×长度：φ425×920；离合器型号：ATD-224H；刹带直径×宽度：φ1070×310；刹车带包角：345°；外形尺寸：2940×1440×1890；适用环境温度：-30℃-50℃；重量：5800kg。
（二）井架
井架为Π形结构，井架四腿着地，前面敞开，总高33m，共分4段，段与段之间平面接触，锥销定位，销轴联接，确保刚性联接。井架低位安装，整体起升，无绷绳。人字架上装有缓冲气缸，使井架升降平衡。井架前支点采用垫块调整方式，后支点采用丝杠调整装置，以调整天车中心与转盘中心的对中性。
在设计制造K形井架时，吸取了以往追求质量轻的经验教训，增加了井架各构件的质量，提高了井架的刚度和稳定性，有效地解决了井架在搬迁及安装过程中的碰撞和变形问题。
（三）底座
底座整体结构为模块式，采用箱式结构，安装方便，稳定性好，刚度高钻台高2.2m，上面安装有主绞车和转盘。绞车低位安装后布置在钻台平面之下，使钻台有较大的操作空间。
机房底座高1.3m，左右为冷却水箱，与井架底座之间采用销子联接。上面安装有变速箱和并车传动装置。
（四）转盘
ZP175转盘是钻机的旋转设备，在钻进和修井的过程中，主要用于旋转钻柱；在起下钻和下套管时，支撑井下管柱的重量。
主要技术参数：
通孔直径：445mm；最大静负荷：2600KN；最大工作扭矩：13KN.M；最大转速：300r/min；齿轮传动比：3.68；外形尺寸（mm）：1935×1280×585；重量：3890kg。
（五）变速箱
BSX－15变速箱是专门为15钻机配套生产的变速箱，具有结构紧凑，操作方便，便于维护，运转平稳等优点。本变速箱为手动换挡方式，具有互锁机构。
主要技术参数：
额定功率：200KW；额定输入转速：1500r/min。
（六）泥浆泵
3NB-350三缸单作用往复泵，优选了参数，适当增长了冲程，合理降低了冲数以改善泵的吸入性能，延长易损件寿命。该泵主要由动力端和液力端两部分组成，动力端包括泵座、泵壳、主动轴曲柄轴、齿轮副以及连杆十字头等部件，液力端包括液高压阀箱、排出气管总成以及吸入气管总成等部件。
主要参数如下：
输入功率：350马力；额定泵速：130冲/分；冲程长度：180mm；额定转速：582.8转/分；外形尺寸：3280X2080X2015；重量：8100kg。
（七）空气系统
该钻机空气系统是钻机压缩空气的供气、空气处理、配气及控制的完整系统，用以控制钻机及各部件的开关、制动、限位等。气源由一台电动空气压缩机和一台自动空气压缩机组成，在钻机动力启动前先启动电动空气压缩机向储气罐中打气，当压力到0.8MPa时停止打气，启动钻机动力12V135柴油机，启动自动空气压缩机向储气罐供气，由储气罐通过压缩空气过滤器向钻机的各部分供气。
钻机气控系统实现以下控制：钻机总离合、滚筒离合、绞车刹车、转盘离合、防碰天车装置、风动旋扣器、风动绞车、柴油机离合、泥浆泵离合。
技术参数：
1、电动压风机
压风机型号：1V3/8；容积流量：3m3；电机型号：Y200L-6；功率：18.5Kw；最大工作压力压力：1Mpa；储气罐：2m3。
2、自动压风机
型号：2V6/8；容积流量：6m3；电机型号：Y250M-6；功率：37Kw；最大工作压力压力：1Mpa。
（八）防碰天车装置
钻机上设置井架上安装的钢丝绳防碰开关阀。钢丝绳防碰天车装置的绳环、导向轮等在钻机出厂时已配好，使用时只需将钢丝绳沿导向轮拉好并与气控阀接好即可。当游车上升到达限定位置时（游车上升距天车梁下面5m-6m处），碰到横拉在井架上的钢丝绳，带动钢丝绳的另一端上提，此时，防碰开关手柄上与钢丝绳连接的麻绳被拉断，防碰开关手柄在重锤的作用下下行至打开位置，该防碰气促使总离合器、滚筒气胎离合器断开，同时，刹车气缸紧急刹车。
（九）动力传动系统
钻机动力由两台12V135柴油机组成，两台动力可以单独工作，也可以实现并车工作。柴油机动力单独工作时启动其中任意一台，通过气控操作箱气控手柄操作给该柴油机气胎离合供气，实现动力输出。这时两个并车皮带轮开始旋转。分别给钻机离合、泥浆泵离合、节能发电机离合和自动压风机离合气胎供气后各自开始工作。当采用动力并车传动时，两台柴油机的转速须保持一致。
五、工程应用实例
中石油韩3-3101#煤层气井，位于陕西省渭南市韩城县。设计井深1020m，中间涉及取心，一开深度64m，开孔直径311mm，二开开孔直径216mm，使用该钻机成井周期26天。
参考文献：
1、陈如恒.钻井机械的设计计算[M].石油工业出版社,1995.
2、孙兆福等.从ZJ45L钻机的优劣论机械传动钻机的研究方向[J].石油机械,2001(29).
3、侯依甫.钻井和修井井架、底座设计指南[M].石油工业出版社,2005.
（作者单位：河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂）
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