CN101382046A

CN101382046A - 变惯量飞轮储能式修井机

Info

Publication number: CN101382046A
Application number: CNA2008101581637A
Authority: CN
Inventors: 张路军
Original assignee: Yantai University
Current assignee: Yantai University
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: CN101382046B

Abstract

一种变惯量飞轮储能式修井机，由动力机组、变惯量飞轮组、变速箱、角传动箱、滚筒、转盘等部分组成，变惯量飞轮组的一端与动力机组连接，另一端与变速箱连接，其三组飞轮可同时工作，或只有其中的一个或两个工作，从而实现飞轮的变惯量。用变惯量飞轮储存辅助作业期间的动力机能量供起升管柱时用，故将动力机功率减为常规修井机的1/4，用变惯量飞轮储存管柱下放时释放出来的重力势能，实现了能量回收利用。以飞轮动能的形式储存能量提高了效率。起升管柱配置了三个动力机－飞轮挡，提高了动力机功率利用率。根据下放管柱重量的不同，采用不同转动惯量的飞轮回收能量，提高了能量回收率。

Description

变惯量飞轮储能式修井机

(一)技术领域

本发明涉及石油、天然气工业的修井设备，具体地讲是一种变惯量飞轮储能式修井机。

(二)背景技术

修井机最常见的一种作业是起升和下放管柱的作业。起升管柱的作业是间歇性的周期过程。修井机机动起升管柱的时间约占整个起单根周期的1/4，而卸扣、摆放单根等辅助作业时间则占3/4。机动起升管柱需要动力机大功率工作，而卸扣、摆放单根等辅助作业时动力机小功率工作。常规修井机为了满足快速起升管柱的需要，装机功率都较大。大功率动力机大部分时间是在小功率下工作，经济性差，动力机磨损严重。

管柱从井下被提到地面储存了相当的重力势能，将管柱下放入井内时，储存的重力势能要释放出来，这些能量是相当大的。常规修井机不能回收这些能量，只能靠制动器将其变成热能消耗掉。

所以常规修井机在起升和下放管柱的作业中都存在着能量浪费现象。申请号为200520124260的中国专利“液压蓄能石油修井机或钻井机”也可以部分地解决这个问题。但该机存在如下缺点：

1、用液压能作为动力源，起升管柱时，动力机带动液压泵旋转，将动力机输出的机械能转化为液压泵输出的液压能，液压能驱动油缸起升管柱，又将液压能转化为管柱起升时的机械能，这样存在机械能到液压能又到机械能的二次转化过程，降低了效率。下放管柱时，管柱释放出的重力势能变为液压能储存在蓄能器中，也是将重力势能(机械能)变为液压能储存，而不是将重力势能(机械能)直接变为机械能储存，又一次降低了效率和能量回收率。

2、用液压能作为动力源，存在油液泄漏现象，易污染环境。

(三)发明内容

为了克服常规修井机在起升和下放管柱的作业中存在的能量浪费现象，同时克服现有的液压蓄能石油修井机的上述缺点，本发明提供了一种变惯量飞轮储能式修井机，可以将动力机功率减小为常规修井机的1/4，还可以回收管柱下放时释放出来的重力势能，采用变惯量飞轮储能技术，在起升管柱时更加有效地利用动力机的动力，在下放管柱时提高管柱重力势能的能量回收率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：变惯量飞轮储能式修井机，包括动力机组、变惯量飞轮组6、变速箱8、角传动箱9、链传动10、滚筒11、游车大钩12、滚筒制动器13、转盘14、液压泵7及连接各部分的联轴器、离合器，变惯量飞轮组6一端通过联轴器33与动力机组连接，另一端通过联轴器34、离合器43与变速箱8连接，变惯量飞轮组包括三组飞轮67、68、69及其操纵机构，操纵机构包括三组链传动64、65、66及三组啮合套61、62、63，三组链传动64、65、66分别有一链轮空套在轴60上，拨动啮合套61、62、63可分别控制链传动64、65、66的挂合，从而控制飞轮67、68、69的接合工作，这样可使三组飞轮67、68、69同时工作，或只有其中的一个或两个工作，或都不工作，从而实现飞轮的变惯量。

其中，所述的动力机组包括一台小动力机1、一台大动力机2、联轴器31、32、离合器41、42及并车带传动5，两台动力机1、2可分别独立工作，也可同时联合工作。所述的变速箱8有两个以上正挡和至少一个倒挡。所述的角传动箱9用于将动力分别传到滚筒11和转盘14。

在起升管柱的辅助作业期间，动力机带动飞轮加速旋转，储存能量。在起升管柱时动力机与飞轮一起向滚筒输出能量起升管柱。所以动力机的功率比普通修井机大为减小，大约仅为普通修井机的1/4。下放管柱时可将动力机关机，管柱在本身重力作用下下放入井内，同时驱动飞轮加速转动，也就是将管柱的重力势能变为飞轮的转动动能储存起来，这部分回收的能量可用于提升单根、上扣等辅助作业用。起升管柱时配置了三个动力机-飞轮挡，下放管柱时可根据下放管柱重量的不同，采用不同转动惯量的飞轮回收能量。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、与普遍采用的常规修井机相比，可以将动力机功率减小为常规修井机的1/4，还可以回收管柱下放时释放出来的重力势能。

2、与液压蓄能石油修井机相比，采用变惯量飞轮储能技术来储存起升管柱时辅助作业期间的动力机能量以及下放管柱时管柱释放出来的重力势能，不用经过机械能到液压能的转化，提高了动力机动力的利用效率以及管柱重力势能的能量回收率。

3、在起升管柱时为了更充分利用动力机能量，避免普通修井机上存在的“大马拉小车”现象，配置了三个动力机-飞轮挡，根据起升管柱重量的不同采用不同的动力机-飞轮挡起升，提高了动力机功率利用率。根据下放管柱重量的不同，采用不同转动惯量的飞轮回收能量，提高了管柱重力势能的能量回收率。

(四)附图说明

附图为本发明的结构示意图。

(五)具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详述。参见附图，变惯量飞轮储能式修井机，由动力机组、变惯量飞轮组6、变速箱8、角传动箱9、链传动10、滚筒11、游车大钩12、滚筒制动器13、转盘14、液压泵7及连接各部分的联轴器、离合器等组成。动力机组由一台小动力机1、一台大动力机2、联轴器31、32、离合器41、42及并车带传动5组成，两台动力机1、2可分别独立工作，也可同时联合工作。变惯量飞轮组6一端通过联轴器33与动力机组连接，另一端通过联轴器34、离合器43与变速箱8连接，变惯量飞轮组6由三组飞轮67、68、69及其操纵机构等组成，操纵机构由三组链传动64、65、66及三组啮合套61、62、63等组成，三组链传动64、65、66分别有一链轮空套在轴60上，拨动啮合套61、62、63可分别控制链传动64、65、66的挂合，从而分别控制飞轮67、68、69的接合工作。三组飞轮67、68、69可同时工作，或只有其中的一个或两个工作，或都不工作，从而实现飞轮的变惯量。变速箱能实现管柱起升时的两个正挡和一个倒挡，齿轮83、85空套在输入轴上，啮合套88位于齿轮83、85之间，啮合套88的左右拨动，可分别实现齿轮83或85的挂合，从而实现动力由齿轮84或86输出，实现两个正挡；齿轮81、82处于常啮合，啮合套89向右拨动可实现齿轮87的挂合，通过齿轮86输出动力使输出轴反转，从而实现倒挡。角传动箱9用于将动力分别传到滚筒11和转盘14，一路动力通过联轴器35、链传动10、离合器45驱动滚筒11旋转，通过游车大钩12起升管柱，一路动力通过离合器44、联轴器36驱动转盘14旋转。齿轮71装在轴60上，可通过齿轮72驱动液压泵7转动。液压泵7输出的液压能可驱动油管钳上扣、卸扣。

因为在起升管柱时，管柱的重量是变化的，在逐渐减小。为了更充分利用动力机能量，避免普通修井机上存在的“大马拉小车”现象，配置了三个动力机-飞轮挡。在起升小重量管柱时，采用小动力机1与一个飞轮67组成的小挡位，在起升中等重量管柱时，采用大动力机2与两个飞轮67、68组成的中挡位，在起升大重量管柱时，采用两个动力机1、2与三个飞轮67、68、69组成的大挡位。这样可实现“大马拉大车，小马拉小车”，充分利用能量、节约能量。

现以两个动力机1、2与三个飞轮67、68、69组成的大挡位为例，来说明本机与普通修井机相比，减小装机功率的情况。在起升管柱的辅助作业期间，离合器43分离，动力机1、2带动三个飞轮加速旋转，储存能量。在起升管柱时，选择合适的变速箱挡位，接合离合器43，松开滚筒制动器13，此时动力机1、2与三个飞轮一起向滚筒11输出能量，使滚筒11旋转，通过游车大钩12起升管柱。所以动力机1、2的总功率比普通修井机大为减小，大约仅为普通修井机的1/4。

在某一动力机-飞轮挡位下起升管柱时，当起升的管柱重量较小时，拨动啮合套88使齿轮85挂合，由齿轮86输出动力，即用变速箱的高挡位快速起升。当起升的管柱重量较大时，拨动啮合套88使齿轮83挂合，由齿轮84输出动力，即用变速箱的低挡位起升。

在下放管柱时，管柱的重量也是变化的，在逐渐增大。一开始下放的管柱重量很轻，此时三个飞轮都不接合工作。随着下放管柱重量的增加，可将一个飞轮67接合工作，回收管柱下放释放出的重力势能，因为只有一个飞轮，此时飞轮的转动惯量最小。当管柱重量增加到一定程度，可将两个飞轮67、68接合工作，因为管柱重量增加了，其释放的重力势能也增加，一个飞轮难以吸收，故将两个飞轮投入工作，此时飞轮的转动惯量中等。当管柱重量再增加到一定程度，将三个飞轮67、68、69同时接合工作，此时飞轮的转动惯量最大，回收的重力势能也最大。

现以三个飞轮67、68、69同时接合工作为例，说明具体的操作过程。下放管柱时，动力机可以关机，并将离合器41、42分离。将变速箱8中的齿套89向右拨动，使齿轮87挂合，接合离合器43，松开滚筒制动器13，管柱在本身重力作用下下放入井内，同时使滚筒11转动，滚筒11的转动又通过接合的离合器45、链传动10、联轴器35、角传动箱9驱动齿轮86转动，通过挂合的齿轮87、常啮合齿轮82、81、接合的离合器43、联轴器34、挂合的链传动64、65、66带动飞轮加速转动，也就是将管柱的重力势能变为飞轮的动能储存起来。这部分回收能量可以重新利用，用其完成辅助作业期间的工作，如完成提升单根作业，驱动液压泵7从而带动油管钳上扣，驱动压气机，提供操纵离合器和制动器的能量等。以前这些工作都由动力机完成，现在由回收能量完成，大大节约了能源。使齿轮87挂合，管柱重力产生的驱动力按上述路线传递到飞轮，可使管柱下放时飞轮的转动方向与管柱起升时飞轮的转动方向相同。也就是飞轮总按一个方向回转，便于驱动液压泵、压气机等设备。

本发明所采用的技术也可用于石油钻机。

Claims

1、变惯量飞轮储能式修井机，包括动力机组、变惯量飞轮组(6)、变速箱(8)、角传动箱(9)、链传动(10)、滚筒(11)、游车大钩(12)、滚筒制动器(13)、转盘(14)、液压泵(7)及连接各部分的联轴器、离合器，其特征在于变惯量飞轮组(6)一端通过联轴器(33)与动力机组连接，另一端通过联轴器(34)、离合器(43)与变速箱(8)连接，变惯量飞轮组(6)包括三组飞轮(67)、(68)、(69)及其操纵机构，操纵机构包括三组链传动(64)、(65)、(66)及三组啮合套(61)、(62)、(63)，三组链传动(64)、(65)、(66)分别有一链轮空套在轴(60)上，拨动啮合套(61)、(62)、(63)可分别控制链传动(64)、(65)、(66)的挂合，从而分别控制飞轮(67)、(68)、(69)的接合工作，这样可使三组飞轮(67)、(68)、(69)同时工作，或只有其中的一个或两个工作，或都不工作，从而实现飞轮的变惯量。

2、根据权利要求1所述的变惯量飞轮储能式修井机，其特征在于所述的控制飞轮(67)、(68)、(69)接合工作的链传动(64)、(65)、(66)还可以是齿轮传动或皮带传动。

3、根据权利要求1所述的变惯量飞轮储能式修井机，其特征在于所述的动力机组包括一台小动力机(1)、一台大动力机(2)、联轴器(31)、(32)、离合器(41)、(42)及并车带传动(5)，两台动力机(1)、(2)可分别独立工作，也可同时联合工作。

4、根据权利要求1所述的变惯量飞轮储能式修井机，其特征在于所述的变速箱(8)有两个以上正挡和至少一个倒挡。

5、根据权利要求1所述的变惯量飞轮储能式修井机，其特征在于所述的角传动箱(9)用于将动力分别传到滚筒(11)和转盘(14)。

6、根据权利要求1所述的变惯量飞轮储能式修井机，其特征在于所述的液压泵(7)由装在轴(60)上的齿轮(71)通过齿轮(72)驱动。