分析石油鉆井中交流變頻電動機(jī)及其控制系統(tǒng)的應(yīng)用

張鵬

(大慶鉆探工程公司鉆井一公司項(xiàng)目一部50256鉆井隊(duì)，黑龍江 大慶 163000）

1 交流變頻電動機(jī)

（1）作為特殊的交流變頻電機(jī)，它采用的是轉(zhuǎn)盤獨(dú)立的電驅(qū)動鉆機(jī)，能夠不受鉆井泵沖次的制約，它的絕緣材料是一種特殊的能抵抗變頻器諧波的材料，大大提高了電動機(jī)的功能。它的體積、質(zhì)量也比一般電機(jī)輕便，因?yàn)閷ΡｐB(yǎng)方面進(jìn)行了改進(jìn)，所以安全性就有了保障，這樣變頻電機(jī)在進(jìn)行石油鉆井中的工作效率得到了大幅度提高。20世紀(jì)90年代后期，在石油鉆采設(shè)備中，我國的科學(xué)技術(shù)人員和相關(guān)單位將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用其中，現(xiàn)在很受青睞的鉆機(jī)也就是電驅(qū)動機(jī)，也是交流變頻調(diào)速技術(shù)的一種。

（2）轉(zhuǎn)盤獨(dú)立電驅(qū)動鉆機(jī)。轉(zhuǎn)盤采用的交流變頻電動機(jī)的單獨(dú)驅(qū)動，就是使用的轉(zhuǎn)盤獨(dú)立電驅(qū)動鉆機(jī)，還有絞車和鉆井泵也是采用的機(jī)械統(tǒng)一驅(qū)動的鉆機(jī)。此型號的鉆機(jī)是通過多臺柴油機(jī)經(jīng)過液力耦合器或者液力變矩器來輸出動力。要驅(qū)動絞車和鉆井泵，就要經(jīng)過鏈條并車，才能實(shí)現(xiàn)這一操作；1臺交流變頻電機(jī)可以通過鏈條或齒輪將轉(zhuǎn)盤減速轉(zhuǎn)動，自動送鉆功能可以通過絞車配輔助驅(qū)動裝置來實(shí)現(xiàn)。它很大的一個(gè)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速可以不受鉆井泵沖刺的制約，可以直接根據(jù)鉆井工藝的需求來調(diào)節(jié)。還可以得到交流變頻電動鉆機(jī)的各種優(yōu)秀的性能，而且還是很接近機(jī)械鉆機(jī)的價(jià)格，以較低的價(jià)格得到很高的性價(jià)比，還有數(shù)控恒鉆壓自動送鉆功能。

（3）機(jī)電復(fù)合驅(qū)動鉆機(jī)。鉆井泵一直采用機(jī)械驅(qū)動，而絞車則是采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動，這些都是基于轉(zhuǎn)盤在采用電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動的基礎(chǔ)上使用機(jī)電復(fù)合驅(qū)動鉆機(jī)。在5000m以下的鉆機(jī)，才適用于上述方案通過皮帶并車驅(qū)動鉆井泵的兩到三臺柴油機(jī)，還可以驅(qū)動一臺節(jié)能發(fā)電機(jī)。而且這又是一個(gè)性價(jià)比極高的鉆機(jī)，它以全交流變頻電動鉆機(jī)的百分之六、七十的價(jià)格，就可以實(shí)現(xiàn)交流變頻電動機(jī)的主要功能，還具有更加優(yōu)秀的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（4）全交流變頻電動鉆機(jī)。電機(jī)直接驅(qū)動和電機(jī)加減速箱驅(qū)動，是轉(zhuǎn)盤傳送的主要方式，而絞車鉆井泵和轉(zhuǎn)盤采用的都是交流變頻電機(jī)驅(qū)動。這些絞車等也都是說的全交流變頻電動鉆機(jī)的絞車等。絞車有采用一級齒輪減速箱方案，但是大部分采用通過二級齒輪用兩臺電機(jī)來進(jìn)行減速箱驅(qū)動，并配合輔助驅(qū)動裝置。交流變頻電動機(jī)除了采用機(jī)械的多軸絞車的轉(zhuǎn)盤獨(dú)立電驅(qū)動鉆機(jī)之外，通常大部分采用的都是單軸絞車結(jié)構(gòu)。它的傳動形式是齒輪減速箱來對交流變頻電機(jī)滾筒抽進(jìn)行直接驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)輔助剎車的功能，采用了能耗制動，取消了電磁渦流車，用盤式剎車作為主剎車的方式。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是交流變頻電動鉆機(jī)經(jīng)常采用的調(diào)速技術(shù)。Siemens公司的變頻器是矢量控制的主要變頻器，而直接轉(zhuǎn)矩控制則和它不同，采用的變頻器是ABB公司的。這些控制方式有兩種：①一對一控制；②一對二控制。這兩種控制需要的變頻柜也不一樣，一對一就是每臺電機(jī)需要對應(yīng)一個(gè)變頻柜，一對二控制就不一樣了，可以設(shè)置兩個(gè)變頻柜，控制轉(zhuǎn)盤可以根據(jù)需要與否來切換鉆井泵和絞車的變頻柜。

2 交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)

（1）發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。發(fā)電機(jī)、控制柜組成了發(fā)電系統(tǒng)；變頻柜、制動柜組成了交流傳動系統(tǒng)；PLC柜、司鉆操作臺、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)等組成了控制網(wǎng)絡(luò)；還有交流電機(jī)控制中心共同組成了變頻電動鉆機(jī)控制系統(tǒng)。控制網(wǎng)絡(luò)、交流傳統(tǒng)系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)組成了交流變頻電機(jī)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)對于電機(jī)來說是重中之重，對控制系統(tǒng)做好分析研究，才能使變頻電機(jī)充分發(fā)揮作用，廣泛應(yīng)用在石油鉆井的應(yīng)用上?，F(xiàn)在交流變頻電機(jī)中廣泛應(yīng)用的是SIEMENS電氣控制和ROSS HILL電氣控制系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)功能基本相同。短路保護(hù)，柜內(nèi)故障自檢、過頻保護(hù)、過壓過流保護(hù)、還有功率限制和逆功保護(hù)等功能，是發(fā)電機(jī)控制的各種優(yōu)秀功能，能提高發(fā)動機(jī)的性能。在工作運(yùn)行中，不管是全部或者是任意幾臺機(jī)器同時(shí)上線時(shí)，負(fù)荷都可以根據(jù)工況的需要平穩(wěn)運(yùn)行均衡分配，這都是因?yàn)樵O(shè)置了并網(wǎng)控制電路，這個(gè)電路的控制電柜讓電動機(jī)能夠承受因?yàn)檫\(yùn)行而產(chǎn)生的沖擊。上述兩個(gè)電氣控制系統(tǒng)通過對發(fā)電機(jī)的勵磁電流和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，以600V、50Hz的穩(wěn)頻穩(wěn)壓電流來穩(wěn)定井場需要的穩(wěn)定電源。

（2）控制網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字控制和模擬控制是現(xiàn)在司鉆控制系統(tǒng)主要運(yùn)用的兩種控制。變頻電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行可以通過顯示屏等進(jìn)行監(jiān)控，以便我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并進(jìn)行改進(jìn)。PLC控制系統(tǒng)是通過編碼器，變送器等數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)來完成的。經(jīng)過編程計(jì)算處理，鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、泵沖泵壓、出口返回量等鉆機(jī)參數(shù)都可以通過觸摸屏等設(shè)備顯現(xiàn)出來，這樣就能更好地了解各種參數(shù)，從而對變頻電機(jī)進(jìn)行更好地控制，給井場提供照明和控制壓氣機(jī)房、井場的鉆臺、水罐區(qū)等區(qū)域的電動機(jī)。同時(shí)，這也是電動機(jī)控制中心的中心功能。為了方便對機(jī)器的修理更換，MCC柜則選用了分裝式。

（3）交流傳統(tǒng)系統(tǒng)。將50Hz恒壓、600V電壓轉(zhuǎn)變成了0～750V可以連續(xù)調(diào)控的交流電，這樣可以在實(shí)際操作中對鉆井泵、絞車和轉(zhuǎn)盤進(jìn)行以一拖一甚至是以一拖二的的方式進(jìn)行驅(qū)動。多個(gè)變頻柜組成了驅(qū)動控制，這樣更有利于實(shí)現(xiàn)上述的驅(qū)動方式。具有反轉(zhuǎn)功能的轉(zhuǎn)盤電動機(jī)和絞車，可以不限制扭矩的調(diào)節(jié)范圍，任意轉(zhuǎn)動區(qū)間的數(shù)值。Siemens變頻器是在石油鉆機(jī)中應(yīng)用最廣泛的變頻器，而且應(yīng)用效果驚人，在實(shí)際操作中，成效顯著。采用IGBT元件、全數(shù)字技術(shù)的SIMOVERT master DRIVE矢量控制變頻器是一種電壓源型變頻器。可以對這種變頻器加強(qiáng)推廣，在實(shí)際工作中增加更廣泛的應(yīng)用，讓交流傳統(tǒng)系統(tǒng)在油田鉆井中有著很好的服務(wù)。自動送鉆變頻柜是把400V、50Hz恒壓、恒頻的交流電壓變流成為了連續(xù)可調(diào)的0～400V的交流電壓。想要自動送鉆操作利用恒壓完成，可以試著用恒壓的方式來完成這個(gè)工作。以恒速方式運(yùn)行的具有正反轉(zhuǎn)功能的送鉆電動機(jī)，能夠?qū)芎豌@具有一個(gè)應(yīng)急的起放功能，同時(shí)還可以進(jìn)行恒速送鉆。送鉆電動機(jī)還可以用一種一拖一的驅(qū)動方式來完成相關(guān)的操作。

（4）控制單元。要想在實(shí)際工作操縱中對絞車制動，就要使電動機(jī)進(jìn)入一個(gè)發(fā)電狀態(tài)，然后逆變器會通過電流將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，將電流傳到直流母線當(dāng)中，電動機(jī)會形成一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向的制動力矩幫助電能的轉(zhuǎn)化。當(dāng)系統(tǒng)電壓的最高閥值低于直流母線上的電壓時(shí)，制動電阻就會通過制動控制單元自動接通，使電壓在直流母線上維持一個(gè)恒定，這種恒定需要制動電阻的消耗，這種消耗需要多余電能也就是直流母線之間的電容器儲存的多余電能。這就是能耗制動的一個(gè)基本原理，這種能耗制動可以使電壓大小在直流母線中處于恒定的的狀態(tài)。這都是制動單元和存在于變頻房外的制動電阻在實(shí)際運(yùn)行過程中起到的功能。能耗制動也可以運(yùn)用于自動送鉆系統(tǒng)的制動單元。

3 變頻鉆機(jī)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和前景

鉆井這項(xiàng)工作辛苦和有一定危險(xiǎn)性，條件惡劣，這就對特殊鉆井工藝有了更高的要求，變頻電機(jī)將朝著更好地方向和高標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展。數(shù)字化、信息自動化還有智能化的變頻電機(jī)，正在飛速發(fā)展中，這也少不了交流變頻的通訊和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，運(yùn)行的安全性也需要大幅度的提高，同時(shí)也要注意性價(jià)比的問題，使經(jīng)濟(jì)性能也得到很大的提升。經(jīng)過對鉆機(jī)的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，它的發(fā)展趨勢正在朝著智能化加速發(fā)展，我們由此也可以看出，電氣控制也會朝著開放性，大功率的方向穩(wěn)定發(fā)展。

4 結(jié)語

以前的鉆井工藝無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在的鉆井工作，難以滿足現(xiàn)代社會對鉆井工程的需求。所以，這就對我們提出了更高的要求，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，來對鉆井工作進(jìn)行研究，考慮到實(shí)際情況對變流變頻電動機(jī)的要求，對此進(jìn)行探索發(fā)現(xiàn)，注意總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。鉆井環(huán)境的變化越來越大，需求也越來越多，因此提高我們的鉆井技術(shù)迫在眉睫。近些年來，我國的石油開采技術(shù)正在高速發(fā)展，以求跟上鉆井工作環(huán)境改變的腳步。

交流變頻電機(jī)極大地改善了我國的石油開采技術(shù)，同時(shí)，我們要加強(qiáng)交流變頻電機(jī)在鉆井工作中的應(yīng)用，在我國鉆井的大環(huán)境下，加強(qiáng)電機(jī)的應(yīng)用也是符合當(dāng)下的環(huán)境的。通過這些年對交流變頻電機(jī)在石油鉆井中的應(yīng)用，可以看出交流變頻電機(jī)的應(yīng)用前景是非常良好的，我們可以對交流變頻電機(jī)著重發(fā)展，改善石油鉆井工作。