1、沈阳龙德石油技术开发有限公司沈阳龙德石油技术开发有限公司 2012-012012-01大修作业顶驱装置研制大修作业顶驱装置研制 目前井下大修作业在设备能力（含地面循环系统）和工艺技目前井下大修作业在设备能力（含地面循环系统）和工艺技术上得到保障和进步，但修井周期较长，提质提速较慢，现场实术上得到保障和进步，但修井周期较长，提质提速较慢，现场实际施工过程中存在一些技术难题。际施工过程中存在一些技术难题。问题一：修理套管变形速度慢，控制难度大问题一：修理套管变形速度慢，控制难度大 油井长期生产，套管在容易受损，特别是稠油井经过多轮次油井长期生产，套管在容易受损，特别是稠油井经过多轮次注汽导致套管变
2、形、错断较多、油层被破坏无法生产。大修修套注汽导致套管变形、错断较多、油层被破坏无法生产。大修修套时磨铣时间长，易导致磨铣工具将套管开窗侧钻出去，破坏层系，时磨铣时间长，易导致磨铣工具将套管开窗侧钻出去，破坏层系，油井报废。油井报废。问题二：油层下返钻封隔器施工难度较大问题二：油层下返钻封隔器施工难度较大 受油层构造影响，油井生产几年或一段时期长时期出受油层构造影响，油井生产几年或一段时期长时期出水，需要上措施调整层系，实施下返油层生产，大修作业水，需要上措施调整层系，实施下返油层生产，大修作业时需要钻掉原井封堵的封隔器或桥塞，油田开发初期封隔时需要钻掉原井封堵的封隔器或桥塞，油田开发初期封隔
3、器及桥塞不是可钻的，长期卡在井筒内，无法实施打捞，器及桥塞不是可钻的，长期卡在井筒内，无法实施打捞，就得采用磨、铣、钻的修井方式，在实施钻封过程中受磨就得采用磨、铣、钻的修井方式，在实施钻封过程中受磨铣工具、钻柱、钻压、旋转转盘的影响磨铣时间长，也会铣工具、钻柱、钻压、旋转转盘的影响磨铣时间长，也会导致开窗侧钻。为了解决上述问题，采用独有技术导致开窗侧钻。为了解决上述问题，采用独有技术开开发研制出齿轮啮合自动无级变速大修井顶驱。可广泛应用发研制出齿轮啮合自动无级变速大修井顶驱。可广泛应用于各类钻修井场合。包括钻小眼井、钻水泥塞、桥塞、封于各类钻修井场合。包括钻小眼井、钻水泥塞、桥塞、封隔器、堵
4、塞器、套铣、铣磨、钻取岩心、取换套大修等作隔器、堵塞器、套铣、铣磨、钻取岩心、取换套大修等作业。业。二、特点二、特点 1 1、井口可安装防喷器，钻柱第一根下面连接旋塞阀可随时实现、井口可安装防喷器，钻柱第一根下面连接旋塞阀可随时实现关井，适应井控装置的使用。关井，适应井控装置的使用。2 2、本机直接采用立根作业，节省钻柱起下时间。、本机直接采用立根作业，节省钻柱起下时间。3 3、结构简单，本机无离合器、制动器、同步器、换挡器、齿轮、结构简单，本机无离合器、制动器、同步器、换挡器、齿轮 均载机构和等速输出机构等等，节省能源和作业资金。均载机构和等速输出机构等等，节省能源和作业资金。4 4、本机有
5、零输出功能，适用于载荷变化频繁，峰值功率高而短、本机有零输出功能，适用于载荷变化频繁，峰值功率高而短暂，有冲击、卡阻、卡钻等场合，在出现卡堵时可立即提钻，恢暂，有冲击、卡阻、卡钻等场合，在出现卡堵时可立即提钻，恢复高速旋转，不用释放钻柱扭矩，不会使钻柱脱扣落井。对作业复高速旋转，不用释放钻柱扭矩，不会使钻柱脱扣落井。对作业设备钻具系统和油井均有安全保护作用。设备钻具系统和油井均有安全保护作用。5 5、不用转盘，扭矩参数不低于转盘。循环水不用过滤也可以使、不用转盘，扭矩参数不低于转盘。循环水不用过滤也可以使用。用。6、本机恒功率特性好，负载扭矩大时，转速自动降低，负载、本机恒功率特性好，负载扭矩
6、大时，转速自动降低，负载扭矩小时，自动恢复高转速。自动变速灵敏，钻水泥塞时比扭矩小时，自动恢复高转速。自动变速灵敏，钻水泥塞时比螺杆钻具进尺速度提高螺杆钻具进尺速度提高4-5倍。倍。7、不受液体性质限制，进口不需过滤。、不受液体性质限制，进口不需过滤。8、本机工作时反扭矩很小，主要由顶驱内部机构自动平衡掉，、本机工作时反扭矩很小，主要由顶驱内部机构自动平衡掉，不用平衡导轨。不用平衡导轨。9、操作简单、使用维修方便，开机后钻柱旋转运动的一切变、操作简单、使用维修方便，开机后钻柱旋转运动的一切变化均由本机自动进行，不用人工控制，本机输出轴可以换向化均由本机自动进行，不用人工控制，本机输出轴可以换向
7、旋转，自动上卸扣方便。旋转，自动上卸扣方便。1 1、主要研究大修作业无旋转设备问题：主要研究大修作业无旋转设备问题：替代方钻杆和转盘。减少倒换方钻杆作业量，为处替代方钻杆和转盘。减少倒换方钻杆作业量，为处理井下作业事故争取时间。理井下作业事故争取时间。为处理井下作业事故换方钻杆的作业量，而且让井为处理井下作业事故换方钻杆的作业量，而且让井口可以安装防喷器，钻柱第一根下面连接旋塞阀可以随口可以安装防喷器，钻柱第一根下面连接旋塞阀可以随时实现关井。时实现关井。根据以上需要解决的问题和要达到的要求，利用齿根据以上需要解决的问题和要达到的要求，利用齿轮自动无级变速技术研制出大修井顶驱主机，使其达到轮自
8、动无级变速技术研制出大修井顶驱主机，使其达到大修井工艺上限要求。大修井工艺上限要求。三、主要研究内容三、主要研究内容 四、自动无级变速大修井顶驱原理四、自动无级变速大修井顶驱原理 本机有一对圆柱齿轮副和一对非元齿轮副。两对齿轮副传动本机有一对圆柱齿轮副和一对非元齿轮副。两对齿轮副传动比相同均为比相同均为1:11:1。但节曲线半径不同，转速有交错变化运转，。但节曲线半径不同，转速有交错变化运转，心部由凸轮和弹簧控制和调整交错变化的扭矩。这个作用就心部由凸轮和弹簧控制和调整交错变化的扭矩。这个作用就用在调定输入转速下的扭矩，按功率法计算，另一对行星圆用在调定输入转速下的扭矩，按功率法计算，另一对行
9、星圆柱齿轮和中心输出齿轮构成传动副的传动比为柱齿轮和中心输出齿轮构成传动副的传动比为1.5:11.5:1左右，非左右，非元齿轮的节曲长半径与中心输出齿轮节元半径相同。节曲短元齿轮的节曲长半径与中心输出齿轮节元半径相同。节曲短半径与元柱行星齿轮节元半径相同，构成的周转传动。有自半径与元柱行星齿轮节元半径相同，构成的周转传动。有自锁区和非自锁区。两者用螺旋副和轴向弹簧连接后，正常扭锁区和非自锁区。两者用螺旋副和轴向弹簧连接后，正常扭矩短时保持整体自锁的矩短时保持整体自锁的1:11:1传动，就是本顶驱的最高转速按功传动，就是本顶驱的最高转速按功率法计算调整好的扭矩工作。当负载扭矩增大时挠性连接的率法
10、计算调整好的扭矩工作。当负载扭矩增大时挠性连接的弹簧被促动非元的和元柱的行星齿轮就开始周转。弹簧被促动非元的和元柱的行星齿轮就开始周转。因为是负号机构相对反转就会使输出轴减速。扭矩越因为是负号机构相对反转就会使输出轴减速。扭矩越大弹簧被促动的力就越大，负号机构转动就加快，越是加大弹簧被促动的力就越大，负号机构转动就加快，越是加快，输出轴就越慢，负号机构转动到一定程度，会使输出快，输出轴就越慢，负号机构转动到一定程度，会使输出轴功率分流储能，保证了输出轴扭矩不会超过许用扭矩。轴功率分流储能，保证了输出轴扭矩不会超过许用扭矩。保证在零输出时扭矩不超过许用旋转扭矩，这部分要用扭保证在零输出时扭矩不超
11、过许用旋转扭矩，这部分要用扭矩法按负号机计算。本机立式使用行星齿轮在离心状态下矩法按负号机计算。本机立式使用行星齿轮在离心状态下不会对中心齿轮增加压力、摩擦力、效率不会降低。不会对中心齿轮增加压力、摩擦力、效率不会降低。l 五、自动无级变速顶驱的设计计算五、自动无级变速顶驱的设计计算 本机设计计算按本机设计计算按20082008年发布的年发布的SY/T6724-2008SY/T6724-2008是由是由钻机和修井机基本配置标准及相关国家的国标。国际石钻机和修井机基本配置标准及相关国家的国标。国际石油学会标准，本企业自动无级变速顶驱油学会标准，本企业自动无级变速顶驱20102010年发布的企年发
12、布的企业标准计算的。本计算对业标准计算的。本计算对xj110 xj110修井机基本配置的自动修井机基本配置的自动无级变速顶驱。设计的主轴额定载荷无级变速顶驱。设计的主轴额定载荷800kN800kN，本机额，本机额定动载荷按定动载荷按1900 1900 kNkN，静载荷按，静载荷按6260 KN6260 KN。工作压力按修。工作压力按修井用的水龙头井用的水龙头14-21Mpa14-21Mpa。输出扭矩按。输出扭矩按GB/T17744.5GB/T17744.5，175175转盘计算。输出转速转盘计算。输出转速300r/min300r/min时为时为4500N4500Nm m。自动变速。自动变速约等
13、于约等于180r/min180r/min时为时为7200N7200Nm m。到。到50r/min50r/min时的最大扭时的最大扭矩为矩为26000N26000Nm m。自动无级变速顶驱功率为。自动无级变速顶驱功率为180180千瓦。千瓦。l 六、齿轮传动比计算六、齿轮传动比计算 非元齿轮的传动比为非元齿轮的传动比为1：1。凸轮调整齿轮传动比为。凸轮调整齿轮传动比为1：1。行星元柱齿轮和输出轴齿轮传动比为行星元柱齿轮和输出轴齿轮传动比为1.4666-67：1 非元齿轮节曲线偏心率系数非元齿轮节曲线偏心率系数与传动质量和效率有关，应与传动质量和效率有关，应保证恒功率区段的传动特性及防止脉动现象发
14、生。齿轮叶尖保证恒功率区段的传动特性及防止脉动现象发生。齿轮叶尖曲率半径无根切现象。曲率半径无根切现象。本机的偏心率本机的偏心率系数为系数为=0.18841。非元节曲线长短轴比例。非元节曲线长短轴比例为为1.4666-67。在。在1.45-1.48之间。卵形为之间。卵形为2叶叶n=2、m=6、z=46、=0.18841。1-=0.81159。1-=0.964501671l 七、材料：七、材料：l l 材料选取航空机械选用的比强度高的材质做关键件与屈材料选取航空机械选用的比强度高的材质做关键件与屈服强度比值服强度比值3 3。l轴类零件多用作飞机横梁和起落架选用的材料。如：轴类零件多用作飞机横梁和
15、起落架选用的材料。如：45CrNiMoVA45CrNiMoVA、50CrVA50CrVA、42CrMo42CrMo、35CrMnsiA35CrMnsiA等。等。l 齿轮凸轮多选用能渗碳淬火、碳氮共渗、氮化、外表面齿轮凸轮多选用能渗碳淬火、碳氮共渗、氮化、外表面磷化等材料。如：磷化等材料。如：20CrMnTi20CrMnTi、20Cr2Ni4A20Cr2Ni4A、27SiMn2WvA27SiMn2WvA、38CrMoAL38CrMoAL等达到表面高硬度，心部高强度的硬齿面齿轮。等达到表面高硬度，心部高强度的硬齿面齿轮。l壳体选用壳体选用40Cr40Cr以上的锻造毛坯以上的锻造毛坯l外购件轴承按技
16、术标准变更后，外购件轴承按技术标准变更后，20072007年新版手册选取。年新版手册选取。l弹簧选用进口意大利氮气弹簧和日本大同抗拉、抗扭弹簧。弹簧选用进口意大利氮气弹簧和日本大同抗拉、抗扭弹簧。l 八、工艺：八、工艺：l l 材材料热处理外协选军工单位，交通运输机械制造单位，按硬度和金相同料热处理外协选军工单位，交通运输机械制造单位，按硬度和金相同时要求合格。时要求合格。l 非非元齿轮齿廓形用计算机逐个齿单独计算，包括圆柱齿轮的加工均采元齿轮齿廓形用计算机逐个齿单独计算，包括圆柱齿轮的加工均采用数控机床加工。保证了自身范成的齿形，重合度好。用数控机床加工。保证了自身范成的齿形，重合度好。l关
17、键件所有项，一般件的关键项，螺旋副等均采用数控机床加工保证中间公关键件所有项，一般件的关键项，螺旋副等均采用数控机床加工保证中间公差，提高配合质量。差，提高配合质量。l 精细精细的设计制造、检测及例行试验等均按本产品的企标、相关的部标、的设计制造、检测及例行试验等均按本产品的企标、相关的部标、国标及相关的国际石油学会标准执行。国标及相关的国际石油学会标准执行。九、关键技术九、关键技术a)a)设定最高转速时的输出扭矩后，要保证恒功率自动无级设定最高转速时的输出扭矩后，要保证恒功率自动无级变速以及在最大的许用旋转扭矩时，行星架的负转速速度应变速以及在最大的许用旋转扭矩时，行星架的负转速速度应保证在
18、零输出之前达到轴功率分流。控制了输出轴扭矩不会保证在零输出之前达到轴功率分流。控制了输出轴扭矩不会无限增大，这种情况在钻柱防卡阻方面是很重要的。它可以无限增大，这种情况在钻柱防卡阻方面是很重要的。它可以使本机系统能安全快速的达到钻井修井的工艺上限要求。使本机系统能安全快速的达到钻井修井的工艺上限要求。b)b)非元齿轮必须由计算机进行逐齿的计算，并保证实现自非元齿轮必须由计算机进行逐齿的计算，并保证实现自我范成的齿廓。需在数控机床上加工，保证良好的重合度。我范成的齿廓。需在数控机床上加工，保证良好的重合度。l考核指标：最高转速：考核指标：最高转速：300r/min 180r/min 50r/mi
19、n300r/min 180r/min 50r/minl 扭矩范围：扭矩范围：4500Nm;7200Nm 26000Nm4500Nm;7200Nm 26000Nml 零输出时扭矩：零输出时扭矩：40000Nm40000Nml 液压系统压力：液压系统压力：17-35MPa17-35MPa 齿轮自动无级变速大修井顶驱能在不用方钻杆的齿轮自动无级变速大修井顶驱能在不用方钻杆的情况下起到水龙头和转盘的双重作用，驱动钻杆旋转，情况下起到水龙头和转盘的双重作用，驱动钻杆旋转，保持恒功率传动，输出可自动变化的扭矩，实现修井保持恒功率传动，输出可自动变化的扭矩，实现修井钻、铣、磨及清理井筒垃圾杂物，提高功效，缩短修钻、铣、磨及清理井筒垃圾杂物，提高功效，缩短修井周期。提供比转盘更大的旋转动力可以连续起下钻、井周期。提供比转盘更大的旋转动力可以连续起下钻、循环、旋转和下套管。解决钻、铣施工中油井防喷，循环、旋转和下套管。解决钻、铣施工中油井防喷，消除井控安全隐患等问题，实现井口控制，达到快速消除井控安全隐患等问题，实现井口控制，达到快速修井的目的修井的目的 十、预期效果十、预期效果
