电驱车与顶驱磨铣作业的研究与开发

电驱车与顶驱磨铣作业的研究与开发

郑朝辉

大庆油田试油试采分公司作业二大队

摘要：随着顶驱作业作业技术的进步，多数顶驱设备依赖柴油驱动的液压控制系统进行操作。这种液压闭式系统在长时间承受重载工作的情况下，会产生大量热量，导致整个液压系统的油温过高。高温不仅影响液压油的性能，还会降低系统的稳定性。此外，液压传动过程中的能量损失问题使得能效低下，加之长时间运行对环境的负面影响，这些问题无法满足现场施工对成本控制和效率提高的双重需求。因此，本文将对电驱车顶驱磨铣作业的研究与开发策略进行分析，以供参考。

关键词：电驱；连续油管作业；装备；开发

前言：随着油田开发的不断深入，井下技术状况日益复杂，大修工作量逐年增加，对产量的影响逐渐凸显。目前，现场常用大修工艺技术主要依靠旋转磨铣来实现，借鉴钻井顶驱原理，采取顶部旋转驱动方式，配套常规修井机，即可满足常用大修工艺技术要求。我国普遍采用的是柴油机驱动的液压控制系统和直流电机驱动的液压控制系统。不过，在长时间承担高强度任务时，这种系统往往因为循环憋压导致液压油温度升高的问题。温度上升不仅影响液压油的有效性，进一步抑制了系统的整体运行稳定性，还在运作中产生了可观的能量损耗，导致能效表现不佳。除此之外，因温度过高散热不好可能出现设备故障停机或系统保护停机散热等问题，难以同时满足现场作业对成本与效率的高标准要求。

一、电驱修井机系统技术特性

（一）高能效

在传统的燃油发动机系统中，能量转换的效率相对较低。以柴油发动机为例，其通过燃烧燃料产生热能，在这种情况下，转化给曲轴的能量大约只占了33%，剩余绝大多数以热能形式消散，显著降低了系统整体的能源利用效率。即便是在北美等地，虽然已经将柴油机排放标准提高至Tier4级别，努力通过提升燃料效率增进柴油机的热能效率，其热效率依旧未能超越45%的界限。相较之下，电机领域的能效表现则大为不同，得益于工业标准的持续提高，电机的效率也随之增加。举例来说，我们公司在引进天津东方先科XJ250电驱修井机时，对电机的选择综合考虑顶扭矩、体积、修井工艺适用性，同时参考修井机规格，借鉴大修磨铣套铣时扭矩参数进行了系统的对比，最终选用了YBE2-355L-12功率90KW的这款电机。从电机的转速（294r/min-2200r/min）、转矩(2865N.m-6016N.m)、工作时产生的扭矩来看都是经济适用的。这表明，在追求高效能源使用的当下，电驱动系统具有显著的能效优势，不仅提高了能源利用率，还为环保做出贡献。

（二）经济性

从能源消耗成本对比，工业用电的成本为0.8元/千瓦时，而柴油的价格则为8885元/吨。在这样的情况下，采用柴油机驱动的顶驱作业装备大修一口井的运营成本大约为：每天油耗（75升）×修井平均周期（15天）×柴油价格（7.6元）＝8550元，而转向电驱动的顶驱作业装备，每天电机能耗（450千瓦时）×修井平均周期（15天）×工业用电价格（0.8元）＝5400元。这意味着转换到电驱动可以节省约36%的成本。从装备制造的成本角度来看，当两种设备处在相同的工作水平时，电驱顶驱作业装备的运营成本相较于采用柴油驱动的连续油管装备来说要更低，可以实现大约30%到35%的成本节约。这一差异指出，从长远来看，电驱动不仅能减少运营成本，同时也在初期的投资成本上提供了节省，进一步增强了其在行业内的竞争优势。

二、电驱车与顶驱作业装备的研究与开发策略

（一）联动控制技术

在操作顶驱作业设备时，操作滚筒与顶驱磨铣下方速度至关重要。这不仅要求两者在作业过程中保持匀速稳定，为了确保这一目标的实现依靠深入分析铣锥与滚筒电机使用的四象限变频器的工作原理，并结合变频控制策略来设计整个系统的电动驱动控制技术。通过这种方法，可以仅用一个手柄操作完成所有顶驱磨铣现场作业任务，显著降低了操作人员的工作强度，并提升了设备的自动化程度。

（二）安全集成技术

通过采用可编程逻辑控制器（PLC）控制系统软件，不仅实现系统内设备间的保护和联锁，而且可按照整机安全操作的要求实现与电控系统以外的保护和连锁功能。可以实现对变频器（ACS880）过温度探测、相位损失探测、DC输出探测、正常操作程序探测、失风探测、过压过载保护、最大输出电流限制、速度限制功能电流闭环控制功能、故障锁定功能、功率限制功能、控制回路自检及故障争端功能。在面对过流、过压、欠压、过载、过热以及电机断电等状况时，PLC能够及时介入，执行刹车等关键操作，以防止可能的设备损害，旨在保障设备在日常作业中的安全运行，同时在遭遇突发事件时提供有效的应急响应，确保设备的可靠性得到保障。此外，开发了紧急制动系统，该系统能在设备过载或运行速度过快时迅速启动制动，从而确保设备整体的性能安全与可靠性。这样的措施不仅提高了设备运行的稳定性，也显著降低了潜在的安全风险，确保操作人员和设备本身的安全得到有力保障。

（三）液压驱动顶驱磨铣技术

以目前广泛认可的液压驱动顶驱磨铣设备的设计为出发点，本研究旨在深入探讨液压顶驱在实际操作中的主要功能特点及其电机的技术规格等方面。通过对这些性能指标的分析，本项研究深入探讨电驱修井机与顶驱磨铣的关键技术细节，包括动力传输方式、电机悬停技术以及滚筒的制动系统的精确参数设定，以制定出适宜的液压驱动顶驱磨铣方案。在确定了电驱方案的基础上，研究进一步通过结构优化配置和强度的分析计算，力求提升液压驱动顶驱磨铣整体结构的稳定性。通过这一系列的研讨和优化，研究旨在确保液压驱动顶驱磨铣在操作过程中能够展现出更优的性能，包括提高其在各种作业条件下的稳固性和可靠性。这种方法不仅有助于优化液压驱动顶驱磨铣的设计，确保其在复杂作业环境中的高效稳定运作，还为电驱顶驱磨铣的设计提供了一个新的发展方向，促进了技术的进步和创新。同时也为相关设备的设计和优化提供了重要的理论和实践依据。

三．液压顶驱磨铣的优势及修井机冬季防护

液压顶驱磨铣的优势

（一）一次性投资少。利用现有小修修井机，仅增加一台修井顶驱，通过灵活转运顶驱设备，即可实现多支小修队伍具备大修施工能力。

（二）占地面积小。井场面积达到200㎡即可施工，解决受限待大修井施工难题。

（三）经济效益显著。施工成本较常规大修减少30%以上。

（四）次生伤害小。顶驱修井磨铣过程中通过对钻压、泵压的控制减少对井内套管损伤，更利于在套管整形完毕后进行加固等措施。

（五）转运调配灵活。设备体积小、重量轻，可保障多支顶驱修井队伍施工。在维护性井施工过程中，随时处理套管卷边、井筒结垢等情况。

修井机冬季防护

（一）气路问题

电驱修井机装备的是LC系类双螺杆空压机。冬季室外温度较低空压机打出来的压缩空气是热气，在进出干燥器气弯头及管线时容易挂霜或结冰，容易导致气路不通畅气压过低达不到工作压力，影响设备正常工作。装一条24V加热线盘绕在干燥器的干燥罐和弯头管线上。用玻纤布铝箔胶带将盘好的加热线粘牢（胶带起到隔热加固作用），再用扎带固定牢固。将加热线连接在配电柜里24V备用空开上。利用车载BP-1000-24开关电源持续供电，给干燥器、弯头、管线持续加热，控温40度起冷凝作用。

（二）液路问题

因冬季室外温度过低导致液压油黏稠而流动性降低。启动液压系统时，电机带动液压泵循环。容易导致憋泵或者供油不足烧泵。装一条带有温控漏电保护的阻燃加热带盘绕在油箱到液压泵之间的管线上。用玻纤布铝箔胶带将盘好的加热带粘牢（胶带起到隔热加固作用），再用扎带固定牢固做好保温处理。将漏电保护插头接在配电柜的三项插座上，施工前通电预热，温控仪设定在50-60度之间，降低管线内的液压油降低黏稠度（液压油箱也有加热）从而增加流动性。

结语：随着液压顶驱磨铣作业装备的研究与开发取得显著进展，该装备有效应对了传统柴油驱动液压控制系统在实际作业中遇到的多个问题，包括但不限于系统稳定性不足、能源利用效率低下、作业成本居高不下、经济性差以及给环境带来的污染。液压顶驱磨铣作业装备的出现，不仅解决了这些问题，还带来了一系列显著的优势。该类装备的自动化程度更高，这使得现场的操作更为便捷、简化，大大减轻了工人的劳动强度。