劉文革 王愛新 田亞鋒 李 珊

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司裝備與銷售分公司，河北 滄州 062552)

變頻電源技術(shù)在鉆進(jìn)式井壁取心器上的應(yīng)用

劉文革 王愛新 田亞鋒 李 珊

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司裝備與銷售分公司，河北 滄州 062552)

詳細(xì)介紹了變頻電源技術(shù)在SRCT6701鉆進(jìn)式井壁取心儀器上應(yīng)用的原理，并從實(shí)用的角度說明變頻電源改善了取心儀器電機(jī)的機(jī)械特性，實(shí)現(xiàn)了取心過程控制智能化的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)變頻電源的使用取得了擴(kuò)展取心器適用的地層溫度、硬度范圍的良好應(yīng)用效果，對(duì)鉆進(jìn)式井壁取心儀器技術(shù)的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。

變頻電源技術(shù)；鉆進(jìn)式井壁取心器；應(yīng)用

0 引言

鉆進(jìn)式井壁取心器的井下儀器采用單相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，通過液壓傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鑲金剛石空心鉆頭垂直井壁鉆取巖心。所取巖心呈規(guī)則圓柱狀，直接用于巖層的巖性及含油性觀察，同時(shí)可用于巖層的巖性、電性、物性、含油性分析化驗(yàn)以及含油飽和度、孔隙度、滲透率等油氣儲(chǔ)積層參數(shù)的求取[1]。

單相異步電機(jī)有兩種工作方式：一種是電容運(yùn)轉(zhuǎn)方式，井下儀器電機(jī)采用單相電源，啟動(dòng)電容必須放在井下線路中，井下高溫環(huán)境對(duì)電容的技術(shù)指標(biāo)要求很高，此技術(shù)受到很大限制；另一種是兩相電源運(yùn)轉(zhuǎn)方式，取心器用兩箱體結(jié)構(gòu)線性電源，三相電經(jīng)調(diào)壓箱再經(jīng)升壓箱變?yōu)橄辔徊顬?0°的兩相電，通過電纜供給井下電機(jī)，能提供較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但電源設(shè)備笨重、體積大[2]。

1 國(guó)內(nèi)外鉆進(jìn)式井壁取心器電機(jī)供電電源現(xiàn)狀

1985年，哈里伯頓推出采用液壓技術(shù)的鉆進(jìn)式井壁取心器，采用兩相電源運(yùn)轉(zhuǎn)方式。1994年河南石油勘探局聯(lián)合其他單位研制的鉆進(jìn)式井壁取心器以及目前國(guó)內(nèi)其他廠家也都是采用兩相電源運(yùn)轉(zhuǎn)方式。

2008年，中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司首次將變頻電源技術(shù)應(yīng)用到SRCT6701鉆進(jìn)式井壁取心器上。取心變頻電源的主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1) 改善電機(jī)啟動(dòng)機(jī)械特性。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)、制動(dòng)；低頻小電壓、小電流啟動(dòng)，減小啟動(dòng)電流沖擊。

(2) 擴(kuò)大了取心器使用的液壓油的適用溫度范圍。

(3) 實(shí)現(xiàn)了取心時(shí)鉆頭的自動(dòng)化保護(hù)。

(4) 提高了輸入電源功率因數(shù)，降低了取心器對(duì)附屬設(shè)備的不利影響。

2 取心變頻電源工作原理

取心變頻電源是鉆進(jìn)式井壁取心器給井下儀器電機(jī)供電的專用變頻器，采用AC—DC—AC變頻器模式，對(duì)電網(wǎng)或輸入電源相當(dāng)于一個(gè)理想的阻性負(fù)載，有理想的功率因數(shù)，對(duì)其所供電的電機(jī)接近于理想交流電源。

取心變頻電源工作原理：在中央控制模塊控制下，首先，功率因數(shù)校正模塊PFC將輸入的工頻交流電變?yōu)?60 V直流電，再輸入BUCK調(diào)壓模塊，以提高輸入電源的功率因數(shù)。其次，BUCK調(diào)壓模塊控制開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，得到輸出為0～360 V的直流電壓。再次，BUCK調(diào)壓模塊將直流電壓送到高頻正弦調(diào)制升壓模塊，將直流信號(hào)調(diào)制成按正弦規(guī)律變化的高頻信號(hào)，輸入高頻升壓變壓器T原邊，在T副邊得到高壓高頻信號(hào)，再經(jīng)過整流和低通濾波，得到低頻的半波正弦高壓信號(hào)。最后，逆變換向模塊將接收來(lái)的低頻半波正弦高壓信號(hào)送入全橋電路，產(chǎn)生出按照正弦波周期變化的電壓和電流A，其作為變頻電源的一相電輸出。

變頻電源的中央控制模塊控制A、B兩路相關(guān)模塊的低頻正弦調(diào)制波形相位，得到相位差為90°的A、B兩相正弦波形電壓和電流，輸出給取心井下儀器電機(jī)滿足其需要。

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為：

n=n0(1-S)=60f(1-S)/p

式中，n0為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；S為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；f為電源頻率；p為極對(duì)數(shù)。

異步電機(jī)端電壓U與磁通量的關(guān)系式為：

U≈E=4.44WΦf=KeΦf

式中，E為定子繞組反電勢(shì)；W為單相繞組匝數(shù)；Φ為每個(gè)磁極下的磁通量；Ke為常數(shù)。

端電壓U主要和E相平衡，E與電流的頻率和每極下的磁通量有關(guān)。變頻調(diào)速為保持電機(jī)內(nèi)磁通量基本不變，在改變頻率f時(shí)，要改變U，避免頻率f下降時(shí)，因端電壓U不變，而磁通量增加，引起電機(jī)鐵芯磁飽和，勵(lì)磁電流激增，鐵損耗增加。

取心變頻電源在基頻以下調(diào)頻，采用電壓補(bǔ)償?shù)姆椒ū３諹/f=常數(shù)，最大轉(zhuǎn)矩Tm=常數(shù)，Tm與頻率f變化無(wú)關(guān)，不同頻率的各條機(jī)械特性曲線是平行的，硬度相同，保持恒磁通變頻調(diào)速的機(jī)械特性。電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的n=f(T)機(jī)械特性曲線如圖1所示。在一定的靜差率要求下，調(diào)速范圍寬，穩(wěn)定性好，頻率連續(xù)可調(diào)，變頻調(diào)速為無(wú)級(jí)調(diào)速，平滑性好。電機(jī)在正常負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率S較小，效率較高[3-4]。

圖1 基頻以下調(diào)頻n=f(T)機(jī)械特性曲線

取心變頻電源在基頻以上調(diào)頻，由于定子繞組絕緣的限制，不允許升高電機(jī)端電壓U，采用升高頻率f上調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持U不變。這樣頻率f增加，則磁通Φ降低，屬減弱磁場(chǎng)調(diào)速類型，機(jī)械特性變軟。

此時(shí)電機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm及其臨界轉(zhuǎn)差率Sm與頻率f的關(guān)系，可近似表示為Tm∝1/f2和Sm∝1/f。電機(jī)的運(yùn)行段近似是平行的，這種調(diào)速方式可近似認(rèn)為是恒功率調(diào)速類型。高于額定頻率運(yùn)行時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩Tm隨著頻率升高而下降。電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的n=f(T)機(jī)械特性曲線如圖2所示。

圖2 基頻以上調(diào)頻n=f(T)機(jī)械特性曲線

取心變頻電源應(yīng)用了計(jì)算機(jī)運(yùn)算和控制技術(shù)，在變頻調(diào)速方式下，電機(jī)能夠平滑軟啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)沖擊電流，確保了電機(jī)安全。電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，都能在溫升允許條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化而變化。電機(jī)正反向轉(zhuǎn)換通過變頻電源改變兩相供電輸出A、B的相位關(guān)系完成。

3 變頻電源結(jié)合控制面板實(shí)現(xiàn)取心自動(dòng)控制

取心變頻電源通過串口與SRCT6701鉆進(jìn)式井壁取心儀器的取心控制面板通訊，并通過控制面板給井下儀器的電機(jī)供電。控制面板對(duì)變頻電源進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，按照設(shè)定的計(jì)算機(jī)運(yùn)算控制方法，根據(jù)取心作業(yè)時(shí)電機(jī)的電流、電壓狀態(tài)以及其他取心參數(shù)，應(yīng)地層硬度的變化，可及時(shí)退鉆或鉆進(jìn)而保護(hù)鉆頭。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

變頻電源用于SRCT6701鉆進(jìn)式井壁取心儀器，在華北、冀東、大港、長(zhǎng)慶、青海等油田，取心井深達(dá)到5 000多米，適用于不同軟硬程度的地層，操作方便，成功率高。尤其是在冬季井場(chǎng)低溫條件下能直接啟動(dòng)電機(jī)，避免了原來(lái)用線性電源必需的液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱，提高了儀器的可靠性，深受用戶歡迎。

5 結(jié)語(yǔ)

在鉆進(jìn)式井壁取心儀器系統(tǒng)中，用變頻電源取代兩箱體結(jié)構(gòu)線性電源，使電源重量和體積大為減少，操作簡(jiǎn)便，作業(yè)效率更高，提高了儀器系統(tǒng)的可靠性，使變頻電源取代兩箱體結(jié)構(gòu)線性電源成為必然。

[1]哈里伯頓.旋轉(zhuǎn)式井壁取心器用戶手冊(cè)[K]，1985

[2]田學(xué)信.HH-1型鉆進(jìn)式井壁取心器的研制與推廣應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù)，2000(4)

[3]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003

[4]孫傳森.變頻器技術(shù)[M].高等教育出版社，2009

2014-06-03

劉文革(1967—)，男，天津人，工程師，研究方向：石油測(cè)井儀器、石油測(cè)井鉆進(jìn)式井壁取心儀器。