交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)電控系統(tǒng)的問(wèn)題及解決

張加波

摘要：交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)不僅具有 SCR直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的優(yōu)異性能，還有諸多顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)，因此在油田推廣應(yīng)用的力度越來(lái)越大，但由于國(guó)內(nèi)交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)電控廠(chǎng)家電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了鉆井生產(chǎn)。為滿(mǎn)足鉆井工藝對(duì)鉆機(jī)電控系統(tǒng)的特殊要求，交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)及其它變頻鉆機(jī)應(yīng)從絞車(chē)電動(dòng)機(jī)編碼器、轉(zhuǎn)盤(pán)制動(dòng)、一體化鉆井儀表系統(tǒng)等方面入手解決。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)鉆機(jī)；電控系統(tǒng)

近幾年來(lái)，隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，交流變頻傳動(dòng)應(yīng)用于石油鉆機(jī)以替代 SCR直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)已成為一種趨勢(shì)，交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)不僅具有 SCR直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的優(yōu)異性能，還有諸多顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)，因此在油田推廣應(yīng)用的力度越來(lái)越大。但應(yīng)用過(guò)程中，由于國(guó)內(nèi)交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)電控廠(chǎng)家電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題，如電控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)適用性差、性能不穩(wěn)定等，嚴(yán)重影響了鉆井生產(chǎn)，對(duì)其可靠性、經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了置疑，對(duì)先進(jìn)的交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)的推廣應(yīng)用也越來(lái)越慎重。

一、電控系統(tǒng)主要存在的問(wèn)題

1、由于絞車(chē)電動(dòng)機(jī)未安裝編碼器，電控系統(tǒng)采用無(wú)編碼器矢量控制方式，司鉆操作手柄打至中位無(wú)法實(shí)現(xiàn)絞車(chē)懸停，出現(xiàn)大鉤緩慢向下游動(dòng)現(xiàn)象，游動(dòng)速度隨懸重增加而加快。而在較小懸重下雖能實(shí)現(xiàn)懸停，但游車(chē)緩慢減速后才停止運(yùn)動(dòng)，懸停制動(dòng)時(shí)間超長(zhǎng)，沒(méi)有起到精確制動(dòng)作用，易發(fā)生上碰下砸情況。

2、由于常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)采用氣胎離合器慣剎，如果井內(nèi)鉆具發(fā)生嚴(yán)重阻卡，轉(zhuǎn)盤(pán)電動(dòng)機(jī)便發(fā)生堵轉(zhuǎn)，若轉(zhuǎn)盤(pán)慣剎投入不及時(shí)，便容易產(chǎn)生倒開(kāi)鉆具的事故。在取心鉆進(jìn)時(shí)如遇礫石層等較硬地層，由于地層的沖擊，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩不穩(wěn)定，無(wú)法保證正常取芯作業(yè)，嚴(yán)重影響取芯收獲率。

3、一體化鉆井儀表存在諸多問(wèn)題：大鉤高度、鉆壓、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩等參數(shù)顯示滯后、不準(zhǔn)確； 隨鉆井工況變化需頻繁設(shè)置修改參數(shù)； 鉆井儀表對(duì)司鉆操作指導(dǎo)性差等。由于上述問(wèn)題的存在，導(dǎo)致交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中溜鉆、頓鉆及倒開(kāi)鉆具等事故發(fā)生，同時(shí)由于部分設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致操作維護(hù)不便，嚴(yán)重影響了鉆井生產(chǎn)。

二、解決方案和完善措施

為滿(mǎn)足鉆井工藝對(duì)鉆機(jī)電控系統(tǒng)的特殊要求，交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)及其它變頻鉆機(jī)應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手解決：

1、絞車(chē)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)和懸停在電動(dòng)鉆機(jī)使用過(guò)程中，司鉆操作無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制手柄零位懸停功能，單電動(dòng)機(jī)高速提升或下放懸重過(guò)大時(shí)，控制手柄零位懸停不住，出現(xiàn)溜鉆現(xiàn)象。而且出現(xiàn)游車(chē)緩慢向下游動(dòng)現(xiàn)象，懸停制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間超長(zhǎng)，無(wú)精確制動(dòng)效果，易發(fā)生上碰下砸情況，是潛在的安全隱患。究其原因，由于鉆機(jī)絞車(chē)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有安裝編碼器，系統(tǒng)采用無(wú)編碼器矢量控制方式， 無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的能耗制動(dòng)。不能保證低速時(shí)的大扭矩輸出，而且在外力作用下，該控制會(huì)由于檢測(cè)不到細(xì)微的速度變化而產(chǎn)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng)。

解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是在絞車(chē)電動(dòng)機(jī)上安裝編碼器，使變頻器工作在矢量閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)懸停功能。我公司使用的40DB也存在這樣的問(wèn)題，在懸重較大時(shí)出現(xiàn)游車(chē)緩慢向下游動(dòng)現(xiàn)象，若安裝絞車(chē)電動(dòng)機(jī)編碼器并優(yōu)化了控制系統(tǒng)，該問(wèn)題即可解決。

2、轉(zhuǎn)盤(pán)制動(dòng)

多數(shù)電動(dòng)鉆機(jī)采用氣胎離合器作為轉(zhuǎn)盤(pán)慣剎，如果井內(nèi)鉆具發(fā)生阻卡，轉(zhuǎn)盤(pán)電動(dòng)機(jī)便發(fā)生堵轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)盤(pán)電動(dòng)機(jī)扭矩限定閾值一般設(shè)定在 85%以下， 當(dāng)堵轉(zhuǎn)扭矩超過(guò)設(shè)定閾值，堵轉(zhuǎn)時(shí)間超過(guò)限定時(shí)間， 變頻柜過(guò)載跳閘， 報(bào) F015電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)故障。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)慣剎投入不及時(shí)， 易造成倒開(kāi)鉆具的事故； 即使轉(zhuǎn)盤(pán)慣剎投入及時(shí)，但由于慣剎采用氣胎式離合器，額定扭矩較小， 離合器仍然打滑， 無(wú)法防止轉(zhuǎn)盤(pán)倒轉(zhuǎn)。

此外，根據(jù)鉆井工藝要求， 在過(guò)載堵轉(zhuǎn)時(shí)保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩最大， 使電動(dòng)機(jī)在堵轉(zhuǎn)方式下工作，通過(guò)電動(dòng)機(jī)與慣性剎車(chē)聯(lián)動(dòng)工作，防止轉(zhuǎn)盤(pán)倒轉(zhuǎn)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)反扭矩在操作者的控制下釋放， 同時(shí)還應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)。

3、一體化鉆井儀表系統(tǒng)

全數(shù)字交流變頻系統(tǒng)有很強(qiáng)的擴(kuò)展和開(kāi)發(fā)能力，同時(shí)一體化鉆井儀表的性?xún)r(jià)比較好，使得一體化鉆井儀表如神開(kāi)、馬丁代克、PETRON儀表等代替常規(guī)儀表成為可能。但還存在如下問(wèn)題：儀表參數(shù)顯示滯后、不準(zhǔn)確；隨鉆井工況變化需頻繁設(shè)置修改參數(shù)；參數(shù)顯示只停留在數(shù)字顯示，使司鉆無(wú)法直觀判斷參數(shù)增減趨勢(shì)，進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防操作給定調(diào)整；對(duì)司鉆操作指導(dǎo)性差。為提高一體化鉆井儀表現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性，結(jié)合馬丁代克、PETRON儀表的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)參考錄井儀表，該系統(tǒng)應(yīng)在司鉆操作觸摸屏上顯示以下常規(guī)鉆井參數(shù)，并增加相應(yīng)的曲線(xiàn)和趨勢(shì)畫(huà)面：①電子指重表；②懸重、鉆壓及趨勢(shì)畫(huà)面；③鉆頭深度；④井深；⑤鉆進(jìn)速度；⑥噸公里；⑦每臺(tái)泵的泵沖程和沖次、總泵沖程、總沖次、排量；⑧出口流量百分比及曲線(xiàn)；⑨鉆井液罐循環(huán)鉆井液容量、儲(chǔ)備鉆井液容量；⑩轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速、扭矩、電流及轉(zhuǎn)速扭矩趨勢(shì)畫(huà)面，以及其它鉆井工程用衍生參數(shù)。

三、認(rèn)識(shí)

國(guó)內(nèi)鉆機(jī)電控系統(tǒng)集成商在交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和成套方面，尤其在系統(tǒng)軟件和參數(shù)設(shè)置方面，沒(méi)有全局考慮，兼顧系統(tǒng)的可操作性、安全性和可靠性，還沒(méi)有形成完善統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了將先進(jìn)的交流變頻控制技術(shù)和一體化控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于石油鉆機(jī)，應(yīng)不斷完善鉆機(jī)電控系統(tǒng)，統(tǒng)一一體化控制系統(tǒng)成套的硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)，并在系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化方面開(kāi)展工作， 使所生產(chǎn)的鉆機(jī)滿(mǎn)足鉆井工藝要求，充分體現(xiàn)以人為本，符合現(xiàn)代HSE管理要求，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠符合油田需要的先進(jìn)、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的鉆機(jī)。