隨著油氣鉆采市場需求的不斷增加，齒輪箱作為石油鉆采裝備的傳動部件得到了廣泛研究和開發(fā)。 文中綜合國 內(nèi)外石油鉆采裝備的現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展，對壓裂齒輪箱、鉆井泵齒輪箱、頂驅(qū)齒輪箱、絞車齒輪箱等工況及結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要闡述，并展望未來石油鉆采裝備齒輪箱的發(fā)展方向。

　　隨著中國向世界做出2030年前碳達(dá)峰、2060 年前碳中和的莊嚴(yán)承諾，大力調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源低碳轉(zhuǎn)型，壓減化石能源，調(diào)節(jié)清潔能源供給必將使天然氣成為新型熱點(diǎn)，從而催生油氣鉆采裝備市場旺盛需求，對石油裝備需求量不斷提升。截至 2020 年末，國內(nèi)石油石化裝備制造業(yè)規(guī)模以上企業(yè) 1 772 家，資 產(chǎn)總額 5 524.45 億元，形成了陜西寶雞、湖北荊州、江蘇鹽城、四川廣漢、黑龍江大慶等一批產(chǎn)業(yè)基地。 市場覆蓋全國各大油氣田，并出口到全球 80 多個國家和地區(qū)。隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，國內(nèi)石油工業(yè)逐漸向川渝及新疆等西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。國 內(nèi)貧油井的不斷出現(xiàn)， 對石油裝備性能提出了更高要求： 大功率、大排量、高壓力、結(jié)構(gòu)緊湊。

　　作為石油裝備的核心傳動部件———齒輪箱， 其性能的優(yōu)劣 直接決定著整個石油裝備的性能。我國的石油裝備是從 20 世紀(jì) 60 年代開始引進(jìn)國外技術(shù)發(fā)展起來的，與國外同類產(chǎn)品還存在 較大差距。為了解決石油裝備關(guān)鍵零部件的“卡脖子”問題，齒輪 箱的國產(chǎn)化成為發(fā)展趨勢。石油裝備齒輪箱長期服役在沙漠、戈壁灘等極端環(huán)境下，對齒輪箱的可靠性和工作壽命要求很高。隨著近年環(huán)保要求的不斷提升，密封與易損件的方便快捷更換也 成為考核齒輪箱的關(guān)鍵因素之一。經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)齒輪箱 在高功率密度、高可靠性等技術(shù)領(lǐng)域取得了不斷進(jìn)步。

　　齒輪箱在石油機(jī)械傳動系統(tǒng)中已廣泛運(yùn)用， 文中對 4 大主要應(yīng)用領(lǐng)域簡要闡述， 供從事石油裝備及齒輪箱設(shè)計制造人員參考。

　　1 壓裂齒輪箱

　　1.1 壓裂泵的發(fā)展及現(xiàn)狀

　　壓裂泵是油氣田實(shí)施壓裂、酸化、加砂等作業(yè)的核心設(shè)備。通過壓裂泵產(chǎn)生高壓將壓裂液運(yùn)輸?shù)骄祝?致使井底的巖石裂開，形成眾多裂縫，提高油氣滲透率，增加油氣在地層下面快速流動，從而增加油氣的產(chǎn)量。

　　國外從 20 世紀(jì) 50 年代就開始研究壓裂成套設(shè)備，主要生產(chǎn)企業(yè)有美國的 Halliburton，SPM，Gardner Denver，F(xiàn)MC，OFM 等公司 。 國內(nèi)壓裂成套裝備的制造從 20 世紀(jì) 80 年代開始，在引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)油田的實(shí)際需要自主創(chuàng)新，成功 研制了適合我國油氣田作業(yè)工藝特點(diǎn)的系列壓裂裝備。 國產(chǎn)成 套壓裂設(shè)備不斷發(fā)展和改進(jìn)，目前已經(jīng)組成了以中小型多功能 壓裂設(shè)備為輔，大型壓裂機(jī)組為主的一系列產(chǎn)品。主要生產(chǎn)廠家有中國石化江漢石油管理局第四機(jī)械廠、寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、北方重工集團(tuán)有限公司、三一重型能源裝備有限公司、 南陽二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司等。

　　傳統(tǒng)的壓裂設(shè)備主要有車載機(jī)械式壓裂設(shè)備、渦輪驅(qū)動壓 裂設(shè)備、液壓驅(qū)動壓裂設(shè)備、撬裝壓裂設(shè)備等。車載壓裂設(shè)備 機(jī)動性能好，但存在油耗高、車輛超限等問題。車載壓裂泵的功率主要為2 000，2 500，2 800，3 000，3 300 HP (1 HP =0.746 kW)。 渦輪驅(qū)動壓裂設(shè)備體積小、質(zhì)量輕，但熱效率低、成本高; 液壓驅(qū)動壓裂設(shè)備可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速， 但響應(yīng)速度不及電氣控制;撬裝壓裂設(shè)備運(yùn)輸方便，但現(xiàn)場組裝過程繁瑣，對井場地面 要求較高。

　　近 年 來，隨著壓裂需求的不斷增加，以及壓裂整片作業(yè)的需求，對壓裂泵車的機(jī)動性能要求有所下降，電動壓裂撬應(yīng)運(yùn)而生。電動壓裂撬采用大功率電機(jī)驅(qū)動齒輪箱及泵體，實(shí)現(xiàn)大功率、高流量的要求。 目前國內(nèi)電動壓裂撬研制并試驗成功 下線的主要功率為：5 000，6 000，7 000 HP 等。 由鄭州機(jī)械研 究所有限公司研制的 7 000 HP 壓裂泵齒輪箱配置在寶雞石油 機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)的世界上功率最大的壓裂設(shè)備上，已通過工業(yè)性能試驗，泵送能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定。蘭石裝備公司將電驅(qū)壓裂撬核心部件壓裂泵、電機(jī)和變頻器集成安裝，在國內(nèi)屬于首創(chuàng)。

　　1.2 壓裂泵齒輪箱

　　圖 1 為 大功率、大轉(zhuǎn)矩的壓裂泵齒輪箱。為提高功率密度，采用了平行級大螺旋角雙斜齒+人字齒行星結(jié)構(gòu)。平行級大螺旋角雙斜齒結(jié)構(gòu)在有限的空間內(nèi)增加了平行級的承載能力，避免了退刀槽，減輕了質(zhì)量。人字齒行星結(jié)構(gòu)除增加承載能力外，可使軸向受力減小，提高軸承使用壽命。 太陽輪為懸臂結(jié)構(gòu)，在磨齒過程中采用倒錐形修形，使太陽輪在空載時接觸偏向一端，而加載過程中實(shí)現(xiàn)滿齒接觸。對所有齒輪進(jìn)行磨削前噴丸強(qiáng)化，使齒面及齒根形成壓應(yīng)力，避免發(fā)生膠合、點(diǎn)蝕等失效形式。為減小內(nèi)齒圈變形，對斜齒內(nèi)齒圈采用磨齒+ 氮化工藝。采用太陽輪及行星架的雙浮動結(jié)構(gòu)保證行星結(jié)構(gòu)的均載性。通過工藝工裝技術(shù)保證均載效果，從而提高嚙合性能。

　　壓裂泵齒輪箱在工作時有 3 套機(jī)組輪流作業(yè)， 為保證泵易損件定期更換，每套機(jī)組工作 6～10 h 后停機(jī)檢修。

　　2 鉆井泵齒輪箱

　　2.1 鉆井泵的發(fā)展及現(xiàn)狀

　　鉆井泵是石油鉆機(jī)的“心臟”，是其三大主要部件之一，用于向井底注入高黏度、大密度、高含沙量和高腐蝕性的液體，從早期僅用于循環(huán)泥漿、冷卻井底、攜帶巖屑，發(fā)展到利用高壓泥漿的沖擊力為井底鉆具提供動力，破碎巖石，提高油氣的開采效率 。

　　國外對鉆井泵的開發(fā)起步早，技術(shù)精湛。比較著名的鉆井泵制造商有美國 NOV，Gardner Denver，EMSCO 和德國 WIRTH 公 司等，各公司形成了完整的產(chǎn)品系列。美國的鉆井泵重點(diǎn)以 三缸泵為基礎(chǔ)，閥箱采用 L 形結(jié)構(gòu)，便于換閥，殼體運(yùn)用螺栓連接，機(jī)座采用鋼板焊接。俄羅斯的鉆井泵系列多，曲軸通過直軸和偏心輪共同組合而成，閥箱運(yùn)用 I 和 L 形結(jié)構(gòu)。 目前，三缸泵 仍占據(jù)國外鉆井泵的主流市場，隨著海洋油氣開采力度的增大，各國積極進(jìn)行新型鉆井泵的研發(fā)制造，如液壓驅(qū)動雙作用鉆井 泵、六角形無脈動鉆井泵、五缸泵、七缸泵等。

　　國內(nèi)的鉆井泵始于 20 世紀(jì) 60 年代，通過引進(jìn)國外先進(jìn)技 術(shù)開展自主研發(fā)。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、蘭州蘭石國民油井石油工程公司等可作為國內(nèi)鉆井泵發(fā)展現(xiàn)狀的代表。 寶石開發(fā)的 F 系列鉆井泵達(dá)到美國 LTV 公司的技術(shù)要求，采用組裝人字齒輪傳動，合金鋼曲軸，閉式十字頭，潤滑采用強(qiáng)制潤滑和飛 濺潤滑相結(jié)合的方式。該公司目前擁有 500～7 000 HP 多種系列規(guī)格的鉆漿泵，自主設(shè)計制造的五缸臥式單作用鉆井泵為目前 國內(nèi)最為先進(jìn)的鉆井泵。蘭石開發(fā)的 P 系列、F 系列和 3NB 系列鉆井泵，采用鋼板焊接，曲軸為空心鑄件，飛濺潤滑，具有沖程長、沖刺低等特點(diǎn)。

　　2.2 鉆井泵齒輪箱

　　圖 2 為鉆井泵齒輪箱，采用窄型齒輪箱設(shè)計方案，懸掛使用。 通常采用二級平行級傳動結(jié)構(gòu)，為提高接觸疲勞強(qiáng)度，齒輪采用淬透性較好的滲碳淬火鋼， 磨齒工藝，并對小齒輪修形處理。軸承采用進(jìn)口軸承。潤滑方式為強(qiáng)制加飛濺潤滑。箱體為窄型結(jié)構(gòu)，箱體剛度成為決定減速箱性能及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

　　鉆井泵組通常以柴油機(jī)或電機(jī)為動力源， 通過皮帶或鏈條傳動，傳動效率低，結(jié)構(gòu)尺寸大，鏈條、皮帶需不定期更換，降低 效率，同時不利于海洋鉆井發(fā)展。新型直驅(qū)式鉆井泵通過電機(jī)直 接將動力傳遞給泥漿泵，消除了中間傳動損耗，使曲軸受力情況得到明顯改善。鉆井泵用齒輪箱也為單方向旋轉(zhuǎn)，每天工作 12～ 24 h。 每臺鉆機(jī)一般配 3 臺鉆井泵組，使用兩臺，另一臺備用。設(shè)計壽命 20 年，工作過程只對易損件及潤滑油定期更換保養(yǎng)。

　　3 頂驅(qū)齒輪箱

　　3.1 頂驅(qū)的發(fā)展及現(xiàn)狀

　　頂部驅(qū)動鉆井裝置是用于取代轉(zhuǎn)盤提供旋轉(zhuǎn)動力的新型石油鉆井裝備，簡稱頂驅(qū)。它集機(jī)、電、液、信息技術(shù)于一體，由動力水龍頭和管子處理裝置等組成， 可以在井架空間上部直接驅(qū)動 鉆柱旋轉(zhuǎn)并沿專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、循環(huán)鉆井液、 接立根、上卸扣、倒劃眼等多種鉆井操作。 頂驅(qū)可節(jié)省鉆井時間 20%~30%，可為復(fù)雜鉆井與完井“提速、降本、增效”提供技術(shù)和裝備支撐。

　　自1981 年 12 月美國 Varco 公司研制的頂部驅(qū)動系統(tǒng)投入 使用以來，頂驅(qū)逐漸被世界各國石油鉆井界所采用。 目前，淺海上鉆井船或平臺，幾乎全部裝備了頂驅(qū)，陸地石油鉆機(jī)也越來越多地裝備了頂驅(qū)。 繼美國 Varco 公司之后，挪威的 Maritime Hy- draulics 公司、法國的 ACB-Bretbr 公司和 TRITEN 公司、美國的 National-Oilwell 公司、 加拿大的 CANRIG 公司和 Tesco 公司等 都研制和使用了頂驅(qū)。

　　頂驅(qū)鉆井裝置主要有 3 種動力傳動方式：液壓驅(qū)動頂驅(qū)、直驅(qū)頂驅(qū)、齒輪箱驅(qū)動頂驅(qū)。液壓驅(qū)動頂驅(qū)由液壓馬達(dá)取代交流變 頻電機(jī)，實(shí)現(xiàn)動力輸出，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。國內(nèi)首臺 DQ40Y 液壓驅(qū)動頂驅(qū)鉆井裝置由北京石油機(jī)械有限公司于 2008 年 11 月研制成功。直驅(qū)頂驅(qū)由直流電機(jī)直接驅(qū)動鉆桿工作，避免了傳統(tǒng)頂驅(qū)在齒輪、潤滑、密封等方面的問題。國內(nèi)首臺 DQ-30LHTY- Z 直驅(qū)頂驅(qū)由遼河油田天意有限公司 2009 年 3 月研制成功，主要配備在車載鉆機(jī)上使用。齒輪箱驅(qū)動頂驅(qū)由交流變頻電機(jī)帶動頂驅(qū)齒輪箱實(shí)現(xiàn)動力傳遞，是目前頂驅(qū)市場的主流。北京石油 機(jī)械有限公司生產(chǎn)的齒輪箱驅(qū)動頂驅(qū)占國內(nèi)頂驅(qū)市場的 80%。 目前該結(jié)構(gòu)頂驅(qū)已生產(chǎn) 50 (5 000 m)，70，90 等型號。為滿足功 率需求，70 和 90 頂驅(qū)采用雙電機(jī)驅(qū)動，也是目前鉆機(jī)配套的主流。

　　3.2 頂驅(qū)齒輪箱

　　圖3 為某頂驅(qū)齒輪箱結(jié)構(gòu)圖。 頂驅(qū)齒輪箱是頂驅(qū)動力系統(tǒng)的重要組成部分。頂驅(qū)齒輪箱由箱體、主軸、內(nèi)套、齒輪 4 大件組成。目前頂驅(qū)裝置所用的齒輪箱結(jié)構(gòu)采用二級齒輪機(jī)構(gòu)傳動，兩個二級齒輪并聯(lián)，由兩臺交流電機(jī)分別驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)一對一驅(qū)動 或雙電機(jī)同時運(yùn)行。該方案可獲得的減速比一般在 10 左右，兩對齒輪均為斜齒輪。齒輪潤滑使用潤滑油液噴淋及浸泡潤滑， 減速箱箱體的潤滑油密封采用骨架油封， 骨架油封與旋轉(zhuǎn)的主 軸上的耐磨套之間相對旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生摩擦，通過骨架油封形成動密 封效果，這種結(jié)構(gòu)形式的減速箱密封，密封效果主要取決于骨架 油封密封圈，在復(fù)雜的鉆井工況下，如果骨架油封失效，則會直 接導(dǎo)致潤滑油液的滲漏，影響減速箱內(nèi)齒輪的潤滑效果，降低齒 輪的使用壽命。 這種傳動方案結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)和修理容易，通用性更好。

　　頂驅(qū)動力系統(tǒng)主要承擔(dān)將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需的低速 度(最高轉(zhuǎn)速 200 r/min)，同時輸出所需要的大轉(zhuǎn)矩。 因此對頂 驅(qū)齒輪箱提出了大轉(zhuǎn)矩、長壽命、低噪聲、高功率密度的要求。

　　4 絞車齒輪箱

　　4.1 石油絞車發(fā)展及現(xiàn)狀

　　石油絞車系統(tǒng)是石油裝備———鉆機(jī)的重要配套部件，直接關(guān)系到鉆機(jī)的整體效率及安全問題。

　　美國國民油井從驅(qū)動與傳動方面看主要生產(chǎn) 5 種不同的絞車，分別是交流電驅(qū)動鏈傳動、單個交流電驅(qū)動齒輪傳動、雙交流電機(jī)齒輪傳動、直流電機(jī)鏈傳動、柴油機(jī)鏈傳動。挪威 MH 公司，在絞車方面主要生產(chǎn)包括：主動升降補(bǔ)償絞車、海上/陸地單 軸/多軸齒輪傳動絞車。絞車的起重能力從 300~1 500 t，發(fā)動機(jī) 直接采用水冷降低服務(wù)成本，雙重獨(dú)立盤式制動器保證安全可靠，輕量化設(shè)計便于安裝運(yùn)輸，鉆井平臺快速移動。

　　我國對鉆機(jī)絞車的設(shè)計和制造始于 20 世紀(jì) 60 年代，70 年代開始標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，目前絞車系統(tǒng)已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，并 出口到國際市場。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司是國內(nèi)起步較早 生產(chǎn)石油裝備的企業(yè)，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)包含幾十種產(chǎn)品。公司能 夠制造 280~6 000 HP 各種型號的傳動絞車， 并且配套 1 000~ 12 000 m 各種型號陸地及海洋鉆、修井機(jī)。鉆機(jī)覆蓋陸地鉆采 設(shè)備，海洋鉆井平臺等。四川宏華研發(fā)的機(jī)電復(fù)合直驅(qū)絞車擁有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)。

　　絞車分電驅(qū)動絞車、 柴油機(jī)驅(qū)動絞車和液壓驅(qū)動絞車 3 種形式。電驅(qū)動絞車為電機(jī)直接帶動卷筒實(shí)現(xiàn)提升功能。液壓驅(qū)動 絞車以液壓馬達(dá)作為動力源實(shí)現(xiàn)提升。 柴油機(jī)驅(qū)動絞車為柴油機(jī)帶動絞車齒輪箱實(shí)現(xiàn)提升功能。

　　4.2 絞車齒輪箱

　　圖 4 為某絞車齒輪箱結(jié)構(gòu)圖。不同于壓裂泵和鉆井泵用齒 輪箱的是，絞車齒輪箱雙向旋轉(zhuǎn)。絞車齒輪箱使用換擋雙變速減速箱，共有高低速兩擋，合理分配提升能力和提升速度。 換擋機(jī)構(gòu)通過氣動控制系統(tǒng)撥動齒輪脫開或者嚙合來實(shí)現(xiàn)擋位切換， 從而實(shí)現(xiàn)變速，并有鎖緊裝置。換擋機(jī)構(gòu)主要包含氣缸、雙聯(lián)齒輪、內(nèi)齒套、撥叉桿等。為保證嚙合的流暢，雙聯(lián)齒輪與齒套之間間隙保證在 0.3~0.5 mm 之間。 且在掛合套及掛合齒輪嚙入端 數(shù)控加工中心倒角，以方便掛合。

　　絞車齒輪箱全天候露天作業(yè)，適應(yīng)環(huán)境溫度-35~50 ℃，噪 聲≤85 dB，溫升≤40 ℃。 絞車分左右減速箱，完全對稱設(shè)計，使用壽命 10 年以上。 自動送鉆為一級齒輪傳動形式，齒輪精度要求 6 級以上。 軸承壽命大于 30 000 h。 絞車齒輪箱采用強(qiáng)制潤滑，并設(shè)計視孔蓋及透氣帽，便于觀察箱體內(nèi)部齒輪嚙合及潤滑情況。為避免野外現(xiàn)場工作條件惡劣原因引起的橡膠密封圈老化造成的漏油現(xiàn)象，在旋轉(zhuǎn)部位采用無接觸式密封裝置。

　　5 結(jié)論

　　縱觀國內(nèi)外石油裝備機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀及分析，國內(nèi)石油鉆采 裝備齒輪箱與國外先進(jìn)的技術(shù)還有很大的差距。 “十四五”期間，國內(nèi)石油鉆采裝備齒輪箱應(yīng)加強(qiáng)創(chuàng)新，以新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新裝備為出發(fā)點(diǎn)， 開發(fā)符合國內(nèi)外需要的新型鉆采設(shè)備齒輪箱，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)石油石化裝備制造業(yè)向高水平、高質(zhì)量、高效率、智能化、服務(wù)化、綠色化穩(wěn)步發(fā)展。