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石油钻机的最大钻柱重量与最大钩载的区别
钻井机械第一章 钻井机械
石油钻机是指用来进行石油与天然气勘探、开发的成套钻井设备。盘钻机是成套钻井设备中的基本形式,也称常规钻机。此外,为适应各种地理环境和地质条件加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井综合效益,近年来世界各国在转盘钻机的基础上研制了各种类型的具有特殊用途的钻机,如沙漠钻机、丛式井钻机、顶驱钻机、小井眼钻机、连续柔管钻机等特殊钻机.
现代钻机是一套大型的综合性机组,为了满足油气钻井的需要,整套钻机是由若干系统和设备组成的.本章从整体上,简要介绍关于钻机的基本概念和基本知识。
第一节 钻井工艺对钻机的要求及钻机的特点
一、钻井工艺对钻机的要求
钻机设备的配置与钻井方法密切相关,目前,世界各国普遍采用的钻井方法是旋转钻井法。即利用钻头旋转破碎岩石,形成井身;利用钻柱将
钻头送到井底;利用大钩、游车、天车、绞车起下钻杆柱;利用转盘
或顶部驱动装置带动钻头、钻杆柱旋转;利用钻井泵输送高压钻井液,带
出井底岩屑,如右图
显然,旋转钻井法要求钻井机械设备具有以下三方面基础能力:
(1) 旋转钻进的能力:钻井工艺要求钻井机械设备能为钻具(钻杆柱和钻头)提供一定的转矩和转速,并维持一定的钻压(钻杆柱捉用在钻头上的重力)。
(2) 起下钻具的能力:钻井工艺要求钻井机械设备应具有一定的起重能力及起升速度(能起出或下入全部钻杆柱和套管柱)。
(3) 清洗井底的能力:钻井工艺要求钻井机械设备应具有清洗井底并携带
岩屑的能力,能提供较高的泵压,使钻井液通过钻杆柱中孔,冲击清洗井底,并将岩屑带出井外。
此外,考虑到钻井作业流动性大的特点,钻机设备要容易安装、拆卸和运输。钻机的使用维修工作必须简便易行,钻机的易损零部件应便于更换。
钻机设备的配置和各种设备的工作能力、技术指标都是根据钻井工艺对钻机的以上三项基本要求确定的。在钻机的基本参数中对转盘的转矩与功率、大钩起重及功率、钻井泵的许用泵压与功率提出了要求。在这三组参数中,转盘的转矩,大钩的起重量,钻井泵的许用泵压,都是受到机件强度限制的。
在强度满足使用要求的条件下,转盘应具有一定的转速;大钩应具有一定的提升速度;钻井泵应具有一定的排量,否则钻井作业就不能顺利进行。对转矩与转速,起重量与升速,泵压与排量的联合要求,就是工作机对功率的要求。为了保证一定的转速、升速、排量,应该供给一定的功率。
二、钻机的特点
根据钻井工艺的要求和钻井场所的特殊性,钻机表现出与一般通用机械不同的特点,概括起来如下:
(1) 为了完成钻进与起下钻等钻井作业,钻机必须是一套大功率的重型联合工作机组。
由于发动机是单一的特性,而工作机与井底钻具则要求具有不同的特性,所以从发动机到工作机与井底钻具间就有着不同的能量转换、运动变化和很长的能量传递路线,这就必然造成了钻机的传动机构庞大、整体效率低,控制机机构复杂、自动化程度低。
(2) 钻井作业是不连续的。
在深井钻井中,起下钻这一非生产性质的辅助操作跃居主要地位,所以,起升机组变成了主要工作机组。起钻时必须付出很大的能量,而下钻时所产生的能量又不能回收,造成了很大的能量损耗。
(3) 钻机的工作场所与一般机器不同。
它是在矿场、山区、沙漠、沼泽地带及海洋上进行流动性作业的。这就要求钻机必须具有高度的运移性,即设备拆、装简易,尺寸和重量适于大块装运或整体拖运。为了适应各地区的载运条件,钻机应具有不同的底座机构形式。
第二节 钻机的组成及类型
一、钻机的组成
现代钻机,也就是目前世界各国通用的常规钻机,是一套大型的综合性机组,整套钻机是由动力与传动系统、工作系统、控制系统、辅助系统等若干系统和相应的设备所组成。一般说来,大型的综合性机组应包括:
(1) 动力系统:为整套机组提供能量的设备;
(2) 传动系统:为工作机组传递、输送、分配能量的设备;
(3) 工作系统:按工艺的要求进行工作设备;
(4) 控制系统:控制各系统、设备按工艺要求进行工作的设备;
(5) 辅助系统:协助主系统工作的设备。
钻机也不例外,也应包括这五大系统。所不同的是,钻机的工作系统比较庞大,各机组的工作状况和工作特点各不相同,因而人们按照钻机工作机组的工作特点,把钻机的工作系统分成三部分,即旋转系统、起升系统和循环系统,另外,还把钻机底座单独列为一个系统。这样看来,整套钻机就是由下述八大系统设备组成的,如图1-2所示。
1旋转系统设备
为了转动井中钻具,带动钻头破碎岩石,钻机配备了旋转系统。它主要由转盘、水龙头、钻杆柱及钻头组成。另外,水龙头、钻杆柱和钻头也起着循环高压钻井液的作用。转盘是旋转系统的核心,是钻机的三大工作机之一。
顶部驱动钻机配备了顶部驱动钻井装置,代替转盘驱动钻杆柱和钻头旋转。
2循环系统设备
为了及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁,钻机配备了钻井液循环系统。主要有钻井泵、地面高压管汇、钻井液净化设备和钻井液调配装置(固控设备)等。当采用井下动力钻具钻进时,循环系统还担负着提供高压钻井液,驱动井下涡轮钻具或螺杆钻具带动钻头破碎岩石的任务。钻井泵是循环系统的核心,是钻机的三大工作机之一。
3.起钻系统设备
为了起下钻具、下套管、控制钻压及钻头送进等,钻机配备了起升系统,以辅助完成钻井作业。这套设备主要有钻井绞车、辅助刹车、游车系统〔如钢丝绳、天车、游动滑车〕大钩和井架组成。另外,还有用于起下操做的井口工具及机械设备〔如吊环、吊卡、卡瓦、动力大钳、立根移动机构等〕。绞车是起升系的核心,是钻机的三大工作机之一。
上述三大系统设备是直接服务于钻井生产的,是钻机的三大工作系统统。绞车转盘钻井泵称为钻机的三大工作机。
4.动力驱动系统设备
动力驱动系统设备是指为整套机组〔三大工作机组及其他辅助机组〕提供能量的设备,可以是柴油机及其供油设备,或是交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。
5.传动系统设备
传动系统设备是指连接动力机与工作机,实现从驱动设备到工作机组的能量传递、分配及运动方式转换设备。它包括减速、并车、倒车及变速机构等。
钻机中常用的机械传动副主要是链条、三角胶带、齿轮和万向轴。此外,不少钻机还采用了液力传动、液压传动、电传动等传动形式。
6.控制系统和监测显示仪表
为了指挥控制各机组协调的进行工作,整套钻机配备有各种控制装置,常用的机械控制、气控制、电控制、液控制和电、气、液混合控制。机械驱动钻机,普遍采用集中统一气控制。现代钻机还配备各种钻井仪表及随钻测量系统,监测显示地面有关系统设备的工作状况,测量井下参数,实现井眼轨迹控制。
7.钻机底座
底座包括钻台底座和机房底座,用语安装钻机设备,方便钻机设备的移运。钻台底座用于安装井架、转盘,放置立根盒及必要的井口工具和司钻控制台,多数还要安装绞车。钻台底座应容纳必要的井口装置,因此,必须有足够的高度、面积和刚性。机房底座主要用于安装动力机组及传动系统设备,因此,也要有足够的面积和刚性,以保证机房设备能够迅速安装找正、平稳工作且移运方便。丛式井钻机底座必须满足丛式钻井的特殊要求。
8.辅助设备
成套钻机还必须具有供气设备、辅助发电设备、井口防喷设备、钻鼠洞设备及辅助起重设备,在寒冷地带钻井时还必须配备保温设备。
二、钻机的类型
世界各国的各大石油公司、各钻机制造厂家按照各自的特点,对石油钻机的分类不尽相同。一般来说,可按以下方法对石油钻机进行分类。
1. 按钻井方法分
按钻井方法的不同可把钻机分为:冲击钻机(也称为顿钻钻机,最初用来打水井。1859年,美国人德雷克把它引入石油钻井)、旋转钻机(其代表是转盘旋转钻机,也成为常规钻机,是目前世界各国通用的钻机)。
2. 按驱动钻头旋转的动力来源分
按驱动钻头旋转动力来源的不同可把钻机分为:转盘驱动旋转钻机、井底驱动旋转钻机(转盘旋转钻机加井底动力钻具)、顶部驱动旋转钻机(转盘旋转钻机加顶部驱动钻井装置)。
3. 按驱动设备类型分
按驱动设备类型的不同可把钻机分为:柴油机驱动钻机(柴油机驱动钻机又可分为柴油机驱动—机械转动钻机和柴油机驱动—液力传动钻机)、电驱动钻机(电驱动钻机又可分为直流电驱动钻机和交流电驱动钻机)。
直流电驱动钻机包括:直—直流电驱动钻机(DC—DC)和交—直流电驱动钻机(AC—SCR—DC)。
交流电驱动钻机包括:交流发电机(或工业电网)—交流电动机驱动钻机(AC—AC)和正在发展中的交流变频电驱动钻机,即交流发电机—变频调速器—交流电动机驱动钻机(AC—VFD—AC)。
4. 按工作机分组分
按工作机分组的不同可把钻机分为:统—驱动钻机、单独驱动钻机、分组驱动钻机。
5. 按主传动副类型分
按主传动副类型的不同可把钻机分为:胶带钻机、链条钻机、齿轮钻机。
6. 按钻井深度分
按钻井深度的不同可把钻机分为:浅井钻机(钻井深度不大于1500m)、中深井钻机(钻井深度为1500~3000m)、深井钻机(钻井深度为3000~5000m)、超深井钻机(钻井深度大于5000m)。
7. 按使用地区和用途分
按使用地区和用途的不同可把钻机分为:海洋钻机、浅海钻机(适用与0~5m水深或沼泽地区)、常规钻机、丛式井钻机、沙漠钻机、直升机吊运钻机小井眼钻机、连续柔管钻机等。
第三节 钻机的基本参数及我国钻机系列标准
一、钻机的基本参数
钻机的基本参数指的是反映钻机基本工作性能的技术指标,也称为特性参数。如名义钻井深度、最大钻柱重量、最大钩载等。基本参数是设计、制造、选择、使用、维修和改造钻机的主要技术依据。
钻机的基本参数按系统分类主要由主参数、起升系统参数、旋转系统参数、循环系统参数、驱动系统参数等构成。
1. 主参数
在基本参数中,选定一个最主要的参数作为主参数。主参数应具备以下特征:能最直接的反映钻机的钻井能力和主要性能:对其他参数具有影响和决定作用;可用来标定钻机型号,并作为设计选用钻机的主要技术依据。
我国钻机标准采用名义钻井深度L(名义钻深范围上限)作为主参数。因为钻机的最大钻井深度影响和决定着其他参数的大小。
1)名义钻井深度L
名义钻井深度L是钻机在标准规定的钻井绳数下,使用 127mm(5in)钻杆柱可钻达的最大井深。
2)名义钻深范围Lmin~Lmax
名义钻深范围Lmin~Lmax是钻机可经济利用的最小钻井深度Lmin与最大钻井深度Lmax之间的范围。名义钻井深度范围下限Lmin与前一级的Lmax有重叠,其上限即该级钻机的名义钻井深度。
2. 起升系统参数
1)最大钩载Qhmax
最大钩载Qhmax是钻机在标准规定的最大绳数下,下套管或者进行解卡等特殊作业时,大钩上不允许超过的最大载荷。
Qhmax决定了钻机下 管和处理事故的能力,是核算起升系统零部件静强度及计算转盘、水龙头主轴承静载荷的主要技术依据。
2)最大钻柱质量Qstmax
最大钻柱的质量Qstmax是钻机在标准规定的绳数下,正常钻进或进行起下作业时,大钩所允许承的最大钻柱在空气中的质量。
Qstmax=qst·L
式中: qst —每米钻柱质量,kg;
L —名义钻井深度,m。
标准规定: 127mm(5in)钻杆,接 80~100 m的7in 钻铤,平均取qst= 36kg/m。化整及为系列钻机的 Qstmax值。是计算钻机的起升系统零部件疲劳强度和转盘、水龙头主轴承动载荷的主要技术依据。
Qhmax/Qstmax称为钩载储备系数,用Kh 来表示。一般Kh=1.8~2.08。钩载储备系数越大,表明该 钻机下套管、处理事故能力越强;但钩载储备系数过大会导致起升系统零部件过于笨重,不利用搬运。
3)起升系统钻井绳数Z和最大绳数Zmax
起升系统绳数Z是指正常钻井时游动系统采用的有效提升绳数。最大绳数Zmax是指钻机配备的游动系统轮系所能提供的最大有效绳数,用于下套管或解卡等重载作业。
另外,起升系统参数还包括:绞车各挡起升速度V1、V2、……、Vk;绞车挡数K;绞车最大快绳拉力Pe;钢丝绳直径Dw;绞车额定输入功率Nde;井架有效高度Hm;钻台高度Hdf等;
3. 旋转系统参数
旋转系统参数包括:转盘开口直径Dr;转盘各挡转速n1、n2、……、nk;转盘挡数Kr;转盘额定输入功率Nre等。
4. 循环系统参数
循环系统参数包括:钻井泵额定压力Pe;钻井泵额定流量Qe;钻井泵额定输入功率Npe等。
5. 驱动系统参数
驱动系统参数包括:单机额定功率N;总装机功率Nt等。
二、我国石油钻机标准系列
为了规范钻机的设计、制造与设备供应,以达到生产、使用的经济合理,并有利于开展国际技术交流与合作,根据油气钻井的实际需要,选定主参数,将主参数系列,也就是将钻机分级。再根据此拟定其它基本参数,形成钻机基本系列。
钻机级
别型号
GB1806-79
ZJ20
ZJ32
ZJ45
ZJ60
ZJ80
GB1806-86
15
20
32
45
60
80
1999修订
10/600
15/900
20/1350
30/1700
40/2250
50/3150
70/4500
120/9000
钻
深
H/
m
5英寸*钻杆
GB1806-79
2 000
3200
4500
6000
8000
5英寸*钻杆
GB1806-86
900~1500
1300~2000
1900~3200
3000~4500
4000~6000
5000~8000
5英寸*钻杆
1999修订
500~800
700~1400
1100~1800
1500~2 500
2000~3200
2800~4500
4000~6000
5000~8000
7000~10000
41/2"
钻杆
500~1000
800~1500
1200~2000
1600~3000
2500~4000
3500~5000
4500~7000
6000~9000
7500~12000
最大
钩载
W/tf
GB1806-79
120
220
300
400
600
GB1806-86
90
135
225
315
450
585
1999修订
60
90
135
170
225
315
450
675/585
900
绞车最大
输入功率
P/hp
GB1806-79
550
1000
1500
2000
3000
GB1806-86
450
700
1000
1500
2000
3000
1999修订
270
450
550
750
1000
1500
2000
3000
4000
滚筒钢
丝绳直径
d/m(英寸)
GB1806-79
28.5
32.5
32.5或34.5
34.5
39.5
GB1806-86
26
28.5
32.5
34.5
38
41.5
1999修订
22/7/8
26/1
29/11/8
32/11/4
32/11/4
35/13/8
38/11/2
42/15/8
52/2
游动系
统绳数
ndmax
GB1806-79
8/8
8/10
10/12
10/12
12/14
GB1806-86
8/8
8/8
8/10
10/12
10/12
12/14
1999修订
6/6
8/8
8/8
8/10
8/10
10/12
10/12
12/16,10/14
12/16
钻台
高度
h/m
GB1806-79
2.8
4.2~4.5
4.5(6)
6
8~9
GB1806-86
3,4.5
4.5,6,7.5
6,7.5,9
7.5,9
1999修订
3,4
4,5
5,6,7.5
7.5,9,10.5,12
钻井泵单台
功率不小于
Pd/hp
GB1806-79
350,500
800,1000
1000,1300
1300,1600
1600
GB1806-86
350,800
800,1000,1300
1 300,1 600
1600
1999修订
350
500
800
1000
1300
1600
1600
钻机的驱动形式
(1)机械驱动钻机:以柴油机为动力,通过液力变矩器、链条、齿轮三角胶带等不同组合的传动方式所驱动的钻机。
(2)电驱动钻机:用电动机驱动的钻机。
石油工业标准《SY/T5609-1999》石油钻机型式与基本参数把钻机分为9级,名义钻井深度和钻深范围按114.3mm(4 1/2in)钻杆柱(qst=30Kg/m)确定。下表给出新的钻机型号级别及钻深范围和最大钩载两项基本参数。钻机级别代号用双参数表示,如10/600,前者乘以100为钻机名义钻深范围上限数值,后者是以kN为单位计的最大钩载。在驱动传动特点的表示方法上,增加了:Y—液压钻机;DJ—交流电动钻机;DZ—直流电动钻机;DB—交流变频电动钻机。
第二章 石油钻机的保养与维护
一、班维护保养:
①将钻机外表面擦拭干净,并注意钻机底座滑道,立轴等表面的清洁和良好润滑。
②检查所有外露螺栓、螺母、保险销钉等是否牢固可靠。
③按润滑要求加注润滑油或润滑脂。
④检查变速箱,分动箱及液压系统油箱的油面位置。
⑤检查各处的漏油情况并视情况加以处理。
⑥消除在本班内发生的其它故障。
二、周维护保养:
①彻底进行班维护保养所要求的项目。
②清除卡盘及卡瓦齿面上的污垢、泥土。
③清理干净抱闸内表面的油、泥等。
④排除在本周内发生的故障。
三、月维护保养:
①彻底进行班、周维护保养所要求的项目。
②卸开卡盘,清洗卡瓦及卡瓦座。如有损坏应及时更换。
③清洗油箱内过滤器,更换变质或被脏污了的液压油。
④检查各主要零部件的完好情况,如有损坏应及时更换,不可带伤工作。 ⑤彻底消除在本月内发生的故障。
⑥若钻机长期不使用,各表露部分(特别是加工表露面)应涂以润滑脂。
第三章 国内石油钻机发展现状分析
一.石油钻机发展趋势
进入21世纪以来,石油钻机自动化、数字化、智能话、信息化水平快速发展。钻机整体向着交流变频调速电驱动石油钻机(AC-GTO-AC)方向发展。随着交流变频技术的迅速发展,交流变频电驱动石油钻机会取代可控硅直流电驱动钻机,该型钻机具有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能,将成为陆地和海洋石油钻机发展的换代产品。 今后,石油钻机发展特点是:
(1)专业化钻机得到快速发展。如适应各种环境和工艺技术发展的沙漠钻机、海洋钻机、斜井钻机、小井眼钻机、特深井钻机、连续管钻机等。
(2)规模向两极化方向发展。深井石油钻机趋向大型化(1500M,MAX12500KN)、轻便钻机趋向小型化(车载为主)。
(3)钻机控制实现自动化、智能化。顶驱、盘式刹车技术逐步成熟,电动控制技术、液压驱动技术和可靠性逐步提高。
(4)大力发展新型石油钻机,采用人性化的设计,先进的机械自动化,高效的钻机操作和监控系统,装置模块化,以提高钻机运移性,最终达到提高钻井效率,大大降低钻井成本的目的。
二.国内外石油钻机发展现状及水平
(1)国外石油钻机发展现状及水平 石油钻机市场具有国际化的原因是石油钻机结构复杂,成套和技术难度大,价格昂贵,每台售价近千万元到几千万元不等,全世界总共才拥有各类陆地石油钻机4300多台。海洋钻机200~300多台。世界制造石油钻机的国家乃至厂商都不多,总计每年生产成套石油钻机的能力约600~800台左右。
(2)国内石油钻机发展现状及水平 我国的石油钻机是为开采国内石油发展起来的,改革开放后,国内钻机市场面对世界钻机的竞争,各钻机制造企业充分认识到,必须以国际市场为研制的出发点才能站稳国内市场。根据“国内市场国际化,国际市场本土化”的大趋势,紧跟国内、国际市场需求,开发石油钻机前沿技术。国内目前钻深1000~7000m的钻机已形成系列,具备生产1000~9000m机械传动、电驱动、顶部驱动陆地、沙漠、海洋各种成套钻机的能力。全国现有大型钻机800台,中型钻机166台,其中87%的大中型钻机都是国产。
目前,我国成套石油钻机供应商的石油钻机制造技术在许多方面已经达到或接近国际先进水平。近两年我国几家成套石油钻机制造厂经过体制改革,又不失时机地抓住我国为保证石油供给,加紧开发陆地、沙漠、海洋石油的同时积极参与海外石油开发的良好机遇,得以发展壮大。企业在技术进步、市场开拓、经济效益、出口多方面同步发展,成绩十分显著。
总的来说,国内钻机发展水平如下:
①成套石油钻机具有国际竞争力。钻机总体质量、技术水平已与国际基本相当。
②近几年,国产电驱动钻机发展迅速,控制水平从早期的模拟控制上升到目前国际流行的典型三级控制,即上位监控级、PLC过程控制级和全数字级构成通信网络。自动控制技术在钻机上的应用已达到20世纪90年代中期国际钻机先进水平,电传动系统达到美国20世纪90年代第四代产品水平,交流变频电驱动等钻机已达到90年代国际先进水平。从钻机整体看,达到同期同类国际先进水平的5种,填补国内空白的12种。
③钻机在适应性、成套性、品种多样性和系列化、自动化、智能化等方面与发达国家的先进水平相比还有相当大的差距。我国交流变频调速石油钻机的研制刚刚起步,国内生产的电驱动钻机,将司钻操作台和钻井仪表集中放置到司钻控制房,但各系统仍然是各自相对独立。
④国产钻机的机械维修时间约占总生产时间的5%~10%,而美国的钻机维修时间只占2%~3%。
⑤适应沙漠、戈壁、沼泽地等条件的钻机研制工作刚刚起步。中型钻机的模块化程度很低。
⑥需要加大发展小井眼石油钻机、连续管钻机、自动化钻机等先进钻井设备的投资,推广车载钻机,发展撬装钻机力度。
三、国内主要生产厂家
我国是全世界发展中国家中唯一能生产成套石油钻机的国家。十年前,只有兰州石油化工机器厂、宝鸡石油机械厂、吉林重机厂三大国营企业生产成套石油钻机。目前,生产成套石油钻机企业已发展到八家,年生产能力约200台的能力。即:
① 国企三家:宝鸡石油机械有限责任公司、南阳石油机械厂、江汉第四石油机械厂;
② 中外合资企业二家:兰石国民油井石油工程有限公司、上海三高石油设备有限公司;
③ 民营企业三家:胜利油田高原石油装备有限责任公司、成都瑜宏石化工程有限责任公司、川油广汉机械有限公司。
四.钻机出口情况
随着我国石油企业海外业务的增长和海外市场的开拓,石油装备出口贸易呈明显的增长势头。出口产品遍布20多个国家和地区,为今后出口产品的大幅度增长奠定了基础。由于国内钻机性价比较好,已有100多台钻井、修井机由国内钻井承包商带到国外钻井。
五、钻机需求 从国际大环境看,一是西方发达国家受人工成本高等因素的影响,装备制造业正在逐步向外转移,中国已成为一个名副其实的“国际大工厂”。二是国际油价持续走高,刺激投资者纷纷将资金投向石油勘探领域,形成了新一轮的石油投资高峰,导致石油装备需求剧增。中国石油装备有些产品性价比优于发达国家,具有一定的竞争优势。目前国内三大石油公司都在大力实施“走出去”战略,加快海外业务的拓展,这将带动了石油装备走向国际市场。
从钻机制造来看,国内在用钻机近1300台,经过8年的更新改造,需求量大幅减少,到2004年底只有不足500台的市场空间。按目前的钻机生产制造能力,再有三年多的时间国内钻机市场将基本饱和。国际钻机市场的确有较大发展空间,但国内生产的钻机智能化和质量水平与国外先进水平相比还有一定差距,缺乏适应各种地貌环境和工艺要求的特种钻机的设计和生产能力。而海洋钻机制造刚刚起步,基本不具备海洋平台和钻机船的设计、制造能力 。
吉林大学 液压与气压传动 现在的本科生的教材是哪一本
液压与气压传动
出版社: 化学工业出版社,教材出版社中心; 第1版 (2006年1月1日)
丛书名: 高等学校教材
平装: 272页
正文语种: 汉语
内容简介
全书共分14章,第1章介绍液压与气压传动的组成及基本原理;第2章介绍液压油品种及其性质、流体力学的基础知识;第3章至第6章介绍常用液压泵、液压马达、液压缸、液压阀及液压辅件的工作原理、性能特点、典型结构及应用;第7章、第8章介绍液压基本回路、典型液压系统举例;第9章介绍液压伺服系统的工作原理、液压伺服阀的性能特点;第10章介绍液压系统的设计计算;第11章介绍气压传动基础知识;第12章介绍气动元件典型结构、性能特点及应用;第13章介绍气动基本回路;第14章介绍气动系统程序控制设计。
目录
1 液压与气压传动概述
1.1 液压与气压传动的概念与工作原理
1.2 液压与气压传动的组成
1.3 液压与气压传动系统图的表示方法
1.4 液压与气压传动的优缺点
2 液压流体力学基础
2.1 液压油
2.2 液体静力学基础
2.3 液体动力学基础
2.4 液体流动时的压力损失
2.5 孔口和缝隙流动
2.6 液压冲击及气穴现象
3 液压泵
3.1 液压泵概述
3.2 齿轮泵
3.3 叶片泵
3.4 柱塞泵
3.5 螺杆泵
3.6 液压泵的选用
4 液压执行元件
4.1 液压马达
4.2 液压缸
5 液压控制阀
5.1 概述
5.2 方向控制阀
5.3 压力控制阀
5.4 流量控制阀
5.5 二通插装阀
5.6 电液比例阀
6 液压辅助元件
6.1 油箱
6.2 蓄能器
6.3 滤油器
6.4 热交换器
6.5 密封件
7 液压基本回路
7.1 压力控制回路
7.2 速度控制回路
7.3 方向控制回路
7.4 多缸动作控制回路
7.5 插装基本回路
8 典型液压系统及举例
8.1 C7620型卡盘多刀半自动车床液压系统
8.2 M1432A型万能外圆磨床液压系统
8.3 XS-ZY-250A型注塑机液压系统
8.5 HS-H型回转工作台式多工位组合机床液压系统
8.6 200 T密胺热压成型机液压系统分析
9 液压伺服系统
9.1 液压伺服系统概述
9.2 液压伺服阀
9.3 电液伺服网
9.4 液压伺服系统实例
10 液压系统的设计
10.1 液压系统设计的步骤
10.2 液压系统设计实例
11 气压传动理论基础
11.1 空气的物理性质
11.2 气体状态方程
11.3 管道中气体的运动特性
12 气动元件
12.1 气源装置及其辅件
12.2 气动装置及其辅件
12.3 气动控制元件
13 气动回路
13.1 基本回路
13.2 其他回路
14 气动系统程序控制设计
14.1 程序顺序控制方法
14.2 X-D线图法
14.3 多缸单往复系统信号动作线图
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辽源市鼎逸矿山设备有限公司是2018-10-31在吉林省辽源市龙山区注册成立的有限责任公司(自然人独资),注册地址位于吉林省辽源市龙山区九洲公园时代3号楼1单元901室。
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抽油机设备与用油研究:油梁式抽油机
中图分类号:TE626.3 文献标识码:A 0 引言 国内外油田主要采油的设备有抽油机、抽油泵、抽油杆、电动潜油泵、各种水力泵及气举设备等,其中抽油机早在120年前就开始产生并使用,目前仍是油田采油生产中最常用的两个地面举升设备之一。
1 国内外抽油机生产现状、分类和性能特点
全世界共有100多万口机械采油井,其中抽油机井有90多万口,并在逐年增加,中国抽油机保有量约10万台,年增量在5000台左右。
国内抽油机发展已有近40年的历史。20世纪50年代以进口为主、修配为辅,主要进口前苏联CKH常规型游梁式抽油机。60~70年代,在仿前苏联的基础上制造出常规型游梁式抽油机,1975年制定并完善了国产抽油机技术标准。80年代起抽油机实现了全部国产化,不仅满足自给,而且有部分出口,在此期间,抽油机技术有了飞跃发展,瞄准世界先进水准,等效采用或部分采用美国API标准,并引进拉夫金(Lufkin)公司先进技术,使我国的抽油机跻身世界先进行列,打入国际市场。
国内抽油机制造厂有数10家,产品类型已多样化,共有6大类45种抽油机,但游梁式抽油机仍处于主导地位,每年约有30种新型抽油机专利,10多种新试制抽油机,基本满足了陆地油田开采的需要。各种新型节能游梁式抽油机如双驴头式抽油机、前置式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、下偏杠铃系列节能抽油机和用窄V形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田推广应用,并取得了显著的经济效益。
国外抽油机的制造已相当集中。如美国,从1992年起主要抽油机生产厂家,或采用Lufkin公司的技术 ,或变成了Lufkin公司的子公司,采用统一的技术进行生产,产品的系列化、标准化的程度较高。抽油机总的发展方向是超大载荷、长冲程、低冲次;自动化、智能化;高效节能;高适应性;无游梁长冲程、大型化。
世界上出现了许多新型抽油机,如果按过去的分类方法把现代抽油机只分为游梁和无游梁两大类,已经不能完整地表达现代抽油机的技术发展。换向系统和平衡系统是抽油机的主要部分,因此抽油机的分类和命名,应该按照这两部分的特征进行,同时应该符合油田的命名和分类习惯。新的分类方式为:
(1)抽油机含有游梁,通过连杆机构换向,曲柄重块平衡的抽油机,可归为有梁类曲柄平衡抽油机,一般简称为某某游梁式抽油机,可不说明为曲柄平衡 。
(2)对于游梁平衡的抽油机,应该特别说明。
(3)如果抽油机是用某种机构换向, 由于游梁的摆角较大(超过或接近180度),游梁变短甚至消失,驴头成为圆形,这类抽油机一般采用接近悬点的游梁平衡的方式,驴头和平衡用弧线做成一体,演变成轮状构件,称作天轮,这类抽油机叫做某某机构换向的无游梁抽油机或天轮式抽油机较为合适。
(4)采用电动机换向的抽油机,一般通过滚筒驱动钢丝绳带动悬点工作,应称为电动机换向滚筒式抽油机。
(5)通过各类离台器(有切换)或机构(无切换)驱动滚筒正反转动,带动悬点上下运动的抽油机,应称为机械换向滚筒式抽油机。
(6)抽油机的控制系统有普通电器控制和数控两种,采用数控方式的抽油机,一般命名为数控某某类型抽油机。
2 抽油机组成和工作原理
游梁式抽油机的类型很多,但其结构原理是相同的,抽油机主要由游梁―连杆―曲柄结构、减速装置、动力设备和辅助装置四大部分组成,见图1。
1.底座;2.支架;3.悬绳器;4.驴头;5.游梁;6.横梁轴承座;7.横梁;8.连杆;9.曲柄销装置;10.曲柄装置;11.减速器;12.刹车保险装置;13.刹车装置;14.电动机;15.配电箱
由动力机供给动力,经减速器将动力机的高速转动变为抽油机曲柄的低速转动,并由曲柄―连杆―游梁机构将旋转运动变为抽油机驴头的上、下往复运动,带动深井泵工作。
3 抽油机主要润滑部位及其润滑性能要求
尽管各种抽油机的结构与性能参数不一,但主要的润滑部位和品种基本形同。抽油机的电动机、尾轴承、连杆上端销、曲柄销、中轴承、驴头销和刹车系统等部位,需要润滑脂来润滑。一般采用锂基脂或合成锂基脂润滑。
减速箱是抽油机的关键部件,一般为简单三轴(主动轴、中间轴、输出轴)平行二级减速结构。减速箱内的齿轮均采用油浴飞溅润滑, 箱体结合面涂密封胶防止飞溅油液渗漏,左右旋齿轮与箱体之间装有油槽盒(带刮油器),箱体结合面开有油槽,可向各轴承供给润滑油。箱体上方设有检视窗,其上有迷宫式透气盖,箱体后方设有不同高度的三个丝堵,下面一个用于放油,上面两个用于检查油面高度。一般采用中极压工业齿轮油润滑。
对于液压式抽油机的液压泵、马达等控制系统,一般采用液压油来加以润滑。
抽油机减速箱的润滑对抽油机的正常工作起着至关重要的作用,一般各油田都相对比较重视,但中国石油主产区地处北方地区,冬天比较寒冷,夏天又比较炎热,每个油田的工作环境不尽相同。所以,对润滑的整体要求又略有不同。总体的润滑要求是具有良好的粘温性能、抗磨性、热氧化安定性、防锈性、抗乳化性和耐水性。
氧化安定性要求是因为抽油机减速箱专用齿轮油在工作中被不断搅拌,与空气、金属、杂质等接触,在温度较高的情况下容易氧化变质;低温性能要求是由于抽油机在野外作业温差变化大,为保证设备在冬季正常运转,对油品的低温性能提出了较高的要求;极压抗磨性能是齿轮的承载能力,除了与润滑油的粘度有关外,主要与润滑油添加剂的性能有关;防腐蚀性能是因为抽油机减速箱专用齿轮油氧化产生的酸性物质对齿轮可造成腐蚀,由温差变化而产生水气的作用下,齿面及油箱会产生锈蚀、腐蚀,不仅破坏了齿轮的几何特点和润滑状态,腐蚀、锈蚀产物会进一步引起油质变坏;抗水性能是因为抽油机在户外作业,如设备密封不好很容易进水,油中含水会加速抽油机减速箱专用齿轮油中有机酸对金属的腐蚀,造成机械设备的锈蚀、抗乳化性能变差、添加剂水解,严重影响润滑油的质量。
尽管油田设备管理整体水平在逐年提高,设备油、水管理工作也逐步完善,但对于抽油机这种粗、大、笨型设备无论从设计、制造还是管理及现场使用上对润滑的重视程度都不够,抽油机油(抽油机减速箱油)存在的主要问题有:减速器选用油品不统一,多数设计制造厂家在减速器油品选用上没有标准,多是凭经验及使用单位反馈信息选用,造成油品使用混乱,即便是同一种机型选油差别也很大;随意更改润滑油品,由于对粗、大、笨设备的管理不够重视,在抽油机减速箱润滑上存在油多油少设备都可以转、是油是水设备也可以用的情况,有用68号机械油、再生机械油、半流体防盗脂等,使抽油机减速箱损坏明显增多;换油不及时,抽油机使用条件恶劣(野外连续作业),设备受外界污染严重、减速箱润滑油乳化变质、长时间使用液面下降、油液因泄漏或被盗在无油情况下运转等等,造成轴承烧损、齿轮腐蚀、打齿等现象,给油田造成很大损失;减速箱漏油是抽油机普遍存在的问题,既浪费油料,又影响正常生产。规范油田用抽油机油的质量对延长使用、保证安全生产有很重要的意义。
4 抽油机油生产与研发
油田抽油机是原油抽提的重要设备之一,常年在野外作业,环境温差变化较大,其运转是否正常直接关系到油田经济效益的好坏和安全生产。但是长期以来,油田存在用油不规范、不统一的现象。使用的润滑油品质量参差不齐。有些油田还在使用46号、68号机械油或废机油对抽油机减速箱进行润滑。由于设备润滑不当,在环境温度较低的冬季或负荷有变化的情况下,设备就得不到很好的润滑保护,从而导致设备损坏。
2007年中国石油大连润滑油研究开发中心曾经对国内某大型油田抽油机油的应用进行了简单的调查,发现不同井队的抽油机分别使用了齿轮油、机械油、车辆齿轮油、汽轮机油、全损耗系统用油、发动机油、半流体脂等10余个品种、20多个粘度等级产品,质量参差不齐,无法对抽油机减速箱提供良好的保护。
全国目前有抽油机约10万台,每年增长约5000台左右,按照常规抽油机的减速箱油箱约160~200 L左右、每年更换抽油机油一次计算,抽油机油用量约1.8 万t/a。
由于抽油机的结构、品种相对较多,其主要润滑部位――减速箱也不尽相同,导致各OEM厂家对其润滑的性能要求也不完全一样;再加之,抽油机的应用单位――油田相应单位对抽油机减速箱的设备管理不完全一样,造成各油田、油田各采油厂甚至一个采油厂的不同井队所使用的抽油机油也不完全一样。分别有使用了齿轮油、机械油、车辆齿轮油、汽轮机油、全损耗系统用油、发动机油、半流体脂等产品,质量参差不齐,无法确保抽油机减速箱处于良好状态。
全国陆续地开展了对抽油机油的研发,主要是油田附近相关润滑油厂、中国石油和中国石化公司,其中油田附近的小润滑油厂在此领域处于供应方面的优势,但技术方面处于劣势。
玉门油田炼化研究所针对玉门油田地处西北河西地区最高月平均温度21 ℃、最低月平均温度-11.5 ℃的气候特点,开发了一种由精制矿物油加入多种添加剂而成的半流体抽油机润滑剂。它也是一种特种齿轮润滑剂,有一定的流动性又比一般润滑油料有更好的粘附性,且具有一定的抗冲击负荷、防锈、防泄漏、耐寒、便于启动等优点,广泛用于油田抽油机减速箱。其产品相对单一,不能满足中国各油田抽油机的润滑。大庆黑鸟有限公司针对大庆油田、吉林油田具体采油工艺和气候状况,研制了一种低温性好、具有一定承载能力和抗磨能力、防止渗漏的半流体脂型抽油机油。但其产品还是存在着低温性能有一定差距、粘度品种相对单一的弊端。大庆油田公司质量安全环保部根据大庆气候特点、抽油机油润滑要求提出了质量等级相当于CKB100但低温性能要好的抽油机油标准,但在其油田实际使用过程中质量标准无法得到广泛应用。中国石化公司润滑油公司开发了相当于CKC100质量级别的抽油机专用齿轮油,产品在胜利油田的2台不同型号的抽油机减速箱中进行了应用试验,可以满足油田设备全天候的使用要求。但其产品低温性能无法满足北方油田抽油机冬季作业润滑的要求。
2007年,中国石油大连润滑油研究开发中心与大庆、新疆、长庆油田的质量安全环保部联合在股份公司勘探板块立项――寒区抽油机用润滑油技术条件(见表1、表2)。主要参照采用机械行业标准JB/T 8831《工业闭式齿轮的润滑油选用方法》、国家标准GB 5903《工业闭式齿轮油》中L-CKC粘度等级100、150和220的部分技术要求并依据抽油机运行的实际工况条件制定,由中国石油天然气股份有限公司勘探与生产专业标准化技术委员会提出并归口。标准规定了寒区条件下抽油机齿轮减速箱用润滑油的技术内容、取样、检验方法和判定原则,适用于油田寒区条件下抽油机齿轮减速箱用润滑油的产品生产、验收和质量检验。质量水平与CKC级闭式工业齿轮油相当,粘度等级、低温性能可满足中国各油田抽油机作业的性能要求。
命名规则如下:
中国石油大连润滑油研究开发中心采用Ⅰ类、Ⅱ类基础油加入由复合抗氧剂、抗磨剂以及防锈剂、金属钝化剂、抗氧剂等添加剂组成的抽油机油复合剂,可以调制出不同粘度等级、不同低温性能的满足寒区抽油机用润滑油技术条件(Q/SY 1138―2008)的抽油机油产品系列,可以满足中国石油以及中国不同地区油田抽油机设备润滑的需求。
5 结论
抽油机是保证油田采油作业的主要设备之一,由于野外作业工作特点对其设备润滑性能要求较为苛刻,要使用具有良好氧化安定性、抗磨性、低温性能以及分水性等综合性能的抽油机专用齿轮油,在保证设备润滑的同时还能有效地降低设备的能耗。
中国石油润滑油公司能生产系列不同粘度等级、低温性能的抽油机油产品,可以满足中国石油以及中国不同地区油田抽油机设备润滑的需求。
收稿日期:2010-06-02。
作者简介:袁茂泉(1970-),男,工程师,1992年毕业于辽宁石油化工大学应用化学系工业分析专业,现从事于润滑油销售与管理工作,已公开发表论文多篇。
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