顶驱测试装置的研制

顶部驱动钻井装置 (简称顶驱) 是取代转盘钻进的新型石油钻井系统, 是当今钻井装备中技术含量较高并且复杂的机电液一体化的设备, 它从钻杆顶部驱动钻具旋转取代柴油机带动钻机转盘旋转, 具有上下起动灵活、操作安全方便、生产效率高等优点, 显著提高了钻井作业的能力和效率, 并已成为石油钻井行业的标准产品。我国是世界上继美国、挪威、加拿大、法国之后第五个生产顶驱的国家。目前只有北京石油机械厂和辽宁天意公司可以进行顶驱的批量生产, 但国内还没有顶驱的型式试验检测机构, 因此设计制造一套测试顶驱性能参数的检测装置是非常重要的。

1 试验设备的组成

本试验装置的负载采用直流电机作为负载, 负载电机产生的电能通过调速器反馈到公共电网。采用一体化设计, 即实验装置的所有器械设备作为一个整体固定安装在一个平板上, 一般情况下这些设备不需要调整或者移动, 整个试验设备长约4米, 宽约1.5米, 置于基础铁板上。系统结构图如图1所示。

整个试验系统由以下几个部分组成:⑴转角升速箱及输入联轴器组件;⑵输出扭矩传感器及联轴器;⑶堵转设备;⑷负载及联轴器;⑸铸铁底板;⑹电源和控制单元;⑺恒温控制单元。

2 控制和测量

本试验装置采用两级主从结构, 上层计算机负责总体的任务调度和控制, 各设备负责独立的测量控制任务。

各设备由单片机组成的仪表组成, 在操作台和仪表上可进行手动、自动控制, 亦可在计算机上设定试验条件及运转程序, 计算机控制系统根据编制好的程序自动运行, 实现对输出扭矩、温度的测量以及过程控制, 自动计算出机械效率等计算参数;并完成其他数据的自动采集、实现循环次数以及运行时间 (本次和累计) 的测量、按设定时间记录原始数据及实时显示数据和曲线, 并能对实时曲线回放 (时间可设定) 的功能。

本试验装置主要旋转制动力的方向是可选的, 可以是正转, 也可以是反转, 来模拟钻井工况 (扭矩试验) ;同时也提供机械堵转装置来测试驱动电机的其他特性。

扭矩和转速的测量采用FC2011带扭矩闭环的扭矩仪来完成。

顶驱本体结构运行特征参数测试如下。

(1) 电机温度。利用电机本身的温度传感器实现定子内的温度检测, 增加外贴片式温度传感器检测电机表面温度由实验装置PLC模块的模拟输入模块检测;4个模拟量。

(2) 降温风压传感器。利用顶驱自身传感器检测;2个开关量。

(3) 齿轮油、液压油油温。利用顶驱本身温度传感器检测;2个模拟量。

(4) 齿轮油、液压油压力。利用顶驱本身压力传感器检测;2个模拟量。

(5) 顶驱风机运行温度 (2个模拟量) 、液压源电机温度 (1个模拟量) 、出风口空气温度 (2个模拟量) 、电缆接头处温度 (6个模拟量信号) , 接实验装置PLC模拟量输入模块。

(6) 变频器中输出电流、电压、频率、功率、直流母线电压、转矩、转速等参数 (7个模拟量) 的检测, 利用顶驱本身传感器功能检测, 自带WINCC系统记录。

(7) 外挂5个液压系统检测接头, 测试回油、刹车、背钳平衡缸、倾斜缸前后缸等:各液压系统测试点的随机压力, 5个模拟量。

以上总共31个模拟量 (17个温度, 7个压力, 7个变频器中的模拟量) 2个开关量的 (传感器均有顶驱提供) 。

试验环境温度、湿度2个模拟量;定式噪音记录仪信号1个模拟量;实验装置PLC预留4个模拟量4个数字量的备用扩展接口。

所有这些参数的测量都有FC2022多参数测量仪完成, 并以CAN总线的通讯方式将数据送到上位计算机。

3 软件控制系统

本系统软件完全按照软件工程标准开发, 并采用面向对象的程序设计方法。

3.1 系统结构

在本系统中, 按照系统的运行环境和操作习惯, 将采用单机版的本地数据库体系的结构。

3.2 系统平台

根据性价比最优的原则, 以及考虑到使用者的使用习惯, 本系统的工作平台使用Windows2000操作系统。

本系统软件实现的主要功能是通过对负载-电机控制, 来模拟实际的各种工作状况, 同时通过测量转速、扭矩以及相关参数来验证被测试样件的性能指标, 并提供报警、保护、数据处理、数据存储等辅助功能。

4 结语

本试验装置目前已安装完毕, 配合拉伸塔架及拉伸装置, 完成了顶驱样机的型式试验和拉--扭组合试验, 可以满足顶驱的性能检测要求, 最大限度地模拟了钻井现场实际工况。

摘要：顶部驱动钻井装置是当今钻井装备中技术含量较高且复杂的机电液一体化设备, 逐渐被世界各国石油钻井界所采用。阐述一种顶部驱动钻井装置测试装置的设计与制造, 满足顶部驱动钻井装置的工作扭矩等参数的测试要求, 以期在顶部驱动钻井装置出厂前进行产品性能测试。

关键词：顶驱,扭矩,测试