電動鉆機司鉆房電氣控制系統(tǒng)的簡單設(shè)計

劉肖

摘 要：電氣控制系統(tǒng)是電動鉆機的動力源和自動控制中心。屬于石油鉆井裝備中最關(guān)鍵的設(shè)備。它不僅為鉆機提供全套高品質(zhì)動力能源，而且是整臺鉆機運轉(zhuǎn)的精神中樞。

關(guān)鍵詞：電動鉆機；絞車控制；轉(zhuǎn)盤控制；電氣控制

一、石油鉆機的概述

現(xiàn)代石油鉆機是一套龐大的聯(lián)合機組，包括內(nèi)容廣，涉及的種類多，它隨著鉆井方法、鉆井技術(shù)的發(fā)展而不斷的發(fā)生變化和完善。本章首先介紹石油鉆機的要求及鉆機的組成和原理，然后介紹石油鉆機的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

（一）鉆井工藝對鉆機的要求

鉆井工藝對機械設(shè)備的基本要求有以下幾個方面：

1、要有足夠起升功率：即有足夠的起重能力，保證起得動，起得快。

2、要有旋轉(zhuǎn)鉆進的能力：要求能為鉆具提供一定的鉆速和扭矩，并保持一定的鉆壓。

3、要有清除巖屑的能力：要求能提供具有一定壓力和流量的鉆井液，有效的沖洗井底，并將巖屑攜帶出井外。

此外，鉆機要適應(yīng)不同地區(qū)的鉆井需要，如沙漠、沼澤、海洋等。同時因鉆機的流動性大，要求設(shè)備容易安裝、拆卸和運輸。鉆機的操作和維修工作必須簡單易行，易損件便于更換。

（二）鉆機的組成

1、起升系統(tǒng)。起升系統(tǒng)在鉆井過程中的主要作用是起下鉆具、下套管、懸持鉆具和鉆頭送進等。這套設(shè)備由鉆井絞車、輔助剎車、游動系統(tǒng)和井架組成。

2、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在鉆井中的主要作用是帶動井中鉆具旋轉(zhuǎn)，并帶動鉆頭破碎巖石。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括的主要設(shè)備有轉(zhuǎn)盤和水龍頭。

3、循環(huán)系統(tǒng)。循環(huán)系統(tǒng)在鉆井中的主要作用是循環(huán)鉆井液，使其及時清洗井底，攜帶走被鉆頭破碎的巖屑，保護井壁并冷卻鉆頭。其主要設(shè)備包括鉆井泵（在鉆井現(xiàn)場習慣稱為泥漿泵）、地面高壓管匯、鉆井液凈化及調(diào)配設(shè)備等。

上述3大系統(tǒng)設(shè)備是直接服務(wù)于鉆井生產(chǎn)的，是鉆機的3大工作機組。

4、動力驅(qū)動系統(tǒng)。為了供應(yīng)3大工作機組及其它輔助機組（如空氣壓縮機）的動力，鉆機必須配備動力驅(qū)動設(shè)備及其輔助裝置。這種動力驅(qū)動設(shè)備可是內(nèi)燃機及其供油設(shè)備，也可以是交流電動機、直流電動機及其供電、保護、控制設(shè)備等。

5、傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)的作用是連接發(fā)動機和工作機組，實現(xiàn)從驅(qū)動設(shè)備到工作機組的能量傳遞、分配及運動方式的轉(zhuǎn)換。傳動系統(tǒng)應(yīng)包括減速、并車、轉(zhuǎn)向、倒轉(zhuǎn)及變速機構(gòu)等。

現(xiàn)代鉆機傳動系統(tǒng)除機械傳動外，還有液力傳動（液力耦合器、液力變矩器）、液壓傳動、電傳動等形式。

6、控制系統(tǒng)和監(jiān)測顯示儀表。控制系統(tǒng)是鉆機自動化程度高低的一個重要標志，它的主要作用是指揮各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。常用的控制系統(tǒng)有機械控制、氣控制、液控制和電、氣、液聯(lián)合控制。

監(jiān)測顯示儀表的主要作用是記錄和顯示地面設(shè)備和井下設(shè)備的工況，為控制系統(tǒng)提供控制依據(jù)，常用的儀表有指重表、轉(zhuǎn)盤扭矩等。

7、鉆機底座。底座是鉆機組成部分之一。它包括鉆臺底座和機房底座，用以安裝鉆井設(shè)備，方便鉆井設(shè)備的移運。鉆機底座用以安裝井架、轉(zhuǎn)盤，放置立根盒及必要的井口工具，多數(shù)還要安裝鉆井絞車，下方應(yīng)能容納必要的井口裝備。

8、輔助設(shè)備。為保證鉆井工作的順利運行，鉆井設(shè)備一般都配有供氣設(shè)備（壓縮機、儲氣罐）、輔助發(fā)電設(shè)備、井控設(shè)備、鉆鼠洞設(shè)備與輔助起重設(shè)備，在寒冷地帶鉆井時必須配備有保溫設(shè)備。

二、石油鉆機的發(fā)展現(xiàn)狀和展望

（一）石油鉆機的發(fā)展現(xiàn)狀

電驅(qū)動應(yīng)用于鉆機最早開始于20世紀50年代中期，隨后逐步完善和成熟。與機械驅(qū)動相比，電驅(qū)動具有調(diào)速特性好、經(jīng)濟性能高、可靠性強、故障率低、操作更安全、方便、靈活、易于實現(xiàn)自動控制等一系列的優(yōu)越性。特別是全數(shù)字控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得電驅(qū)動控制系統(tǒng)控制性能更完善，可靠性更高，調(diào)整及更改功能更便捷，故障診斷及維修更方便。電驅(qū)動還可以通過可編程控制器獲得很多機械驅(qū)動所無法實現(xiàn)的功能，如順序操作和聯(lián)鎖功能等。

我國電動鉆機的電氣控制系統(tǒng)的研究始于20世紀70年代中期，本世紀80年代末，在借鑒國外先進水平的前提下，生產(chǎn)出了我國第一臺直流驅(qū)動的ZJ45D陸地自動鉆機。并經(jīng)過十余年的技術(shù)儲備，我國開始了對全數(shù)字鉆機電氣控制系統(tǒng)的研究。近幾年將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于石油鉆井設(shè)備上，生產(chǎn)出了全數(shù)字交流驅(qū)動電動鉆機。

1、可控硅直流電驅(qū)動（AC—SCR—DC）鉆機的控制構(gòu)成

可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier簡稱SCR）。

2、交流變頻電驅(qū)動（AC—VFD—AC）鉆機的控制構(gòu)成

變頻器（Variable Frequency Driver，簡稱VFD） ，按變頻器分有無公共直流母線有以下兩類：

（1）變頻器無直流母線的交流變頻電驅(qū)動形式

（2）變頻器無直流母線的交流變頻電驅(qū)動形式

目前，國內(nèi)電動鉆機電氣控制系統(tǒng)在控制技術(shù)上有模擬控制和數(shù)字控制兩種形式。驅(qū)動方式上有直流驅(qū)動和交流驅(qū)動。電控裝置齊全，可滿足用戶的不同需求。在功能上增加了起、下鉆過程的位置閉環(huán)控制功能（即防止上碰下砸功能），外加盤式剎車的使用，由此既保證了設(shè)備的安全運行，又減輕了司鉆的操作緊張程度；同時還增加了自動送鉆功能，達到了恒速恒壓鉆井，以適應(yīng)不同巖層結(jié)構(gòu)，提高鉆井質(zhì)量。

（二）石油鉆機的發(fā)展趨勢

21世紀科學技術(shù)日新月異，在提高鉆井效率、降低鉆井成本的技術(shù)要求不斷推動下，電動鉆機正朝著自動化、智能化、高效應(yīng)性、高經(jīng)濟效益、高可靠性、大型化等方面發(fā)展。

為了進一步開發(fā)更深地層的油氣資源，國外已經(jīng)研制出了特深井鉆機，鉆井深度可達15240m。由鉆機發(fā)展的趨勢來看，電氣控制系統(tǒng)也將朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開放化和大功率方面發(fā)展。但具有里程碑意義的將是激光石油鉆機，美國芝加哥天然氣研究所（GRI）與麻省理工學院（MIT）等正在合作研制激光鉆井技術(shù)，這將可能突破現(xiàn)代鉆機電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展范疇。但目前電動鉆機還是一個大的發(fā)展方向和趨勢。

近20多年來，電驅(qū)動鉆機獲得迅速發(fā)展。在海洋鉆井平臺上，近100%的鉆機更新為可控硅直流電驅(qū)動；在陸上，從深井超深井鉆機開始，絕大部分更新為直流電驅(qū)動，并已向中深和輕型鉆機、修井機發(fā)展。近10年來，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率變換器的高頻化和集成化，促使交流變頻電驅(qū)動鉆機日益顯示其更勝一籌的性能，交流電驅(qū)動鉆機必將取代直流電驅(qū)動鉆機。