分析頂驅(qū)鉆井電機(jī)的發(fā)電狀態(tài)及其危害

于繼成

摘要：在鉆井作業(yè)過程中，頂驅(qū)鉆井電機(jī)會常常進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，制動單元頻繁導(dǎo)通，引起過熱或燒壞，造成頂驅(qū)不能正常工作，影響鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行。我們應(yīng)加強(qiáng)和鉆井隊(duì)的溝通協(xié)調(diào)，及時調(diào)整鉆井參數(shù)，使頂驅(qū)電氣設(shè)備正常運(yùn)行，保障鉆井施工的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：鉆井;頂驅(qū);電機(jī);發(fā)電;危害

頂驅(qū)是機(jī)電液一體化集成度很高的鉆井裝置，作為一種高效、安全的鉆井方式，大幅度縮短了起下鉆時間，減少井下復(fù)雜，提高鉆井效率。頂驅(qū)對于欠平衡井、水平井、叢式井、定向井、套管鉆井、不間斷循環(huán)泥漿鉆井等特殊工藝井技術(shù)發(fā)展有重大意義，石油勘探開發(fā)采用頂驅(qū)是大勢所趨。頂驅(qū)在鉆遇礫石層、夾層、不勻質(zhì)層等復(fù)雜地層時，鉆井扭矩在較大范圍內(nèi)劇烈波動，頂驅(qū)鉆井電機(jī)頻繁進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，造成變頻器制動單元頻繁導(dǎo)通工作，引起過熱甚至燒壞。當(dāng)制動單元過熱保護(hù)或燒壞時，頂驅(qū)逆變器保護(hù)，沒有輸出電壓，鉆井電機(jī)無法運(yùn)轉(zhuǎn)，影響正常鉆井施工。因此研究頂驅(qū)鉆井電機(jī)的發(fā)電狀態(tài)，避免制動單元頻繁導(dǎo)通工作，保障頂驅(qū)正常運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。我們以變頻調(diào)速、矢量控制的北石DQ70BSC頂驅(qū)為例說明。

1頂驅(qū)鉆井電機(jī)發(fā)電原因

1.1電動機(jī)發(fā)電狀態(tài)

電力拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時，主要特點(diǎn)：①系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速下做等速運(yùn)行;②系統(tǒng)的各轉(zhuǎn)矩間處于平衡狀態(tài);即：TM =TL+To ≈ TL（其中TM：電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由電流和磁場間相互作用而得的，故稱為電磁轉(zhuǎn)矩TM;TL：負(fù)載大多數(shù)情況下呈現(xiàn)為阻轉(zhuǎn)矩，用TL表示;Tn：摩擦轉(zhuǎn)矩、風(fēng)阻轉(zhuǎn)矩等，統(tǒng)稱損耗轉(zhuǎn)矩用Tn表示;如果電力拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩之間不平衡，則TM>TL+TO時n ↑，系統(tǒng)加速;當(dāng)TM

1.2異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理

異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩TM由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生;定子主磁通以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速no=60f/p;轉(zhuǎn)子繞組里的電流是繞組本身切割定子旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線感應(yīng)產(chǎn)生的，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速no和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nM同方向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速no大于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nM時，為電動機(jī)狀態(tài);而當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速nn小丁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nM時，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的方向和電動機(jī)狀態(tài)時正好相反，變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)。

1.3變頻調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)發(fā)電原因

變頻調(diào)速系統(tǒng)降速基本方法是通過逐漸降低給定頻率實(shí)現(xiàn)。拖動系統(tǒng)慣性較大，變頻器給定頻率又下降得較快時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速nm下降將跟不上同步轉(zhuǎn)速no下降，出現(xiàn)nM比no大得多的情況。這時轉(zhuǎn)子繞組切割定子旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的速度加快，轉(zhuǎn)子電動勢和電流增大，形成再生過電流。同時泵升電壓也增大。電動機(jī)再生電流通過和逆變管并聯(lián)的續(xù)流二極管進(jìn)行全波整流后，返回至直流電路，使直流電壓上升。上升部分稱為“泵升電壓”。再生電流和泵升電壓之間的關(guān)系：再生電流大，泵升電壓也大，但反過來，泵升電壓大，將對再生電流起抑制作用，使再生電流減小。因此降速過快，常出現(xiàn)“過電壓”故障。

1.4頂驅(qū)鉆井電機(jī)發(fā)電狀態(tài)

以北石DQ70BSC頂驅(qū)為例，鉆進(jìn)過程中，頂驅(qū)恒功率輸出，鉆井扭矩變化率過大時，頂驅(qū)鉆井電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速也會同步變化，變頻調(diào)速系統(tǒng)會頻繁變換給定頻率，使電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，定子旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速nn發(fā)生變化。而頂驅(qū)帶著鉆具旋轉(zhuǎn)慣性很大，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化跟不上旋轉(zhuǎn)磁場的變化，雖然我們沒看到電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)際上電動機(jī)會頻繁進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。制動單元頻繁導(dǎo)通過熱，就因?yàn)殂@井扭矩變化過快，造成電動機(jī)頻繁進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，回饋到直流母線，電壓升高，造成制動單元導(dǎo)通。

2頂驅(qū)鉆井電機(jī)發(fā)電的危害

2.1制動單元頻繁導(dǎo)通

頂驅(qū)鉆井電機(jī)頻繁進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，會造成變頻調(diào)速系統(tǒng)直流母線電壓升高，制動單元頻繁導(dǎo)通。頂驅(qū)直流母線工作電壓8IOV，制動單元導(dǎo)通電壓967V，制動電阻3.1 Ω，功率200kW，制動單元在峰值功率工作20秒需冷卻70秒。制動單元頻繁導(dǎo)通，容易造成制動單元過熱保護(hù)或燒壞，導(dǎo)致頂驅(qū)不能運(yùn)行，影響正常鉆井施工作業(yè)。

2.2影響電氣元件使用壽命

頂驅(qū)鉆井電機(jī)頻繁進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，使變頻調(diào)速系統(tǒng)電氣元件頻繁承受高電壓，元器件發(fā)熱，減少使用壽命，造成元器件老化損壞。

2.3潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

頂驅(qū)變頻調(diào)速系統(tǒng)制動單元燒壞后，逆變器會自動停機(jī)保護(hù)，但整流器還會正常工作，這時直流母線8IOV電壓會不受控制長時間作用在3.1Ω的制動電阻上，制動電阻就像一個電爐子很快烤著電控房，引起火災(zāi)。我公司頂驅(qū)在塔里木油田DN2-4井作業(yè)時，就因制動單元燒壞，沒有及時發(fā)現(xiàn)，引起電控房起火事件。

3頂驅(qū)鉆井電機(jī)發(fā)電的預(yù)防措施

主要措施有：①調(diào)整鉆井參數(shù)：當(dāng)頂驅(qū)鉆井電機(jī)頻繁進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，頻繁引起制動單元超溫保護(hù)，可與鉆井隊(duì)協(xié)商，適當(dāng)降低鉆壓、鉆井轉(zhuǎn)速，減輕鉆進(jìn)過程中憋跳現(xiàn)象。②加密巡檢，勤檢查：當(dāng)頂驅(qū)鉆井電機(jī)頻繁進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，頻繁引起制動單元超溫保護(hù)時，要加密崗位巡回檢查或在頂驅(qū)電控房值守，發(fā)現(xiàn)問題及時處置。

綜上所述，在鉆進(jìn)作業(yè)時，頂驅(qū)鉆井電機(jī)常常進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，為了避免電氣設(shè)備損壞，我們在加強(qiáng)巡檢的同時，還需要和鉆井隊(duì)的交流溝通，及時調(diào)整鉆井參數(shù)，以保障頂驅(qū)設(shè)備的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王進(jìn)野.電機(jī)拖動與控制[M].天津：天津大學(xué)出版社出版，2008（2）.