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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的功能。它的體積、質(zhì)量也比一般電機(jī)輕便，因?yàn)閷?duì)保養(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(guó)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(dòng)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(dòng)鉆機(jī)。轉(zhuǎn)盤采用的交流變頻電動(dòng)機(jī)的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，就是使用的轉(zhuǎn)盤獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)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(dòng)的鉆機(jī)。此型號(hào)的鉆機(jī)是通過(guò)多臺(tái)柴油機(jī)經(jīng)過(guò)液力耦合器或者液力變矩器來(lái)輸出動(dòng)力。要驅(qū)動(dòng)絞車和鉆井泵，就要經(jīng)過(guò)鏈條并車，才能實(shí)現(xiàn)這一操作；1臺(tái)交流變頻電機(jī)可以通過(guò)鏈條或齒輪將轉(zhuǎn)盤減速轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)送鉆功能可以通過(guò)絞車配輔助驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)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(lái)調(diào)節(jié)。還可以得到交流變頻電動(dòng)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(dòng)送鉆功能。

（3）機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。鉆井泵一直采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)，而絞車則是采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這些都是基于轉(zhuǎn)盤在采用電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上使用機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。在5000m以下的鉆機(jī)，才適用于上述方案通過(guò)皮帶并車驅(qū)動(dòng)鉆井泵的兩到三臺(tái)柴油機(jī)，還可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)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(dòng)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(dòng)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(dòng)鉆機(jī)。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和電機(jī)加減速箱驅(qū)動(dòng)，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(dòng)。這些絞車等也都是說(shuō)的全交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)的絞車等。絞車有采用一級(jí)齒輪減速箱方案，但是大部分采用通過(guò)二級(jí)齒輪用兩臺(tái)電機(jī)來(lái)進(jìn)行減速箱驅(qū)動(dòng)，并配合輔助驅(qū)動(dòng)裝置。交流變頻電動(dòng)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(dòng)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(dòng)形式是齒輪減速箱來(lái)對(duì)交流變頻電機(jī)滾筒抽進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)輔助剎車的功能，采用了能耗制動(dòng)，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(dòng)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(duì)一控制；②一對(duì)二控制。這兩種控制需要的變頻柜也不一樣，一對(duì)一就是每臺(tái)電機(jī)需要對(duì)應(yīng)一個(gè)變頻柜，一對(duì)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(lái)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(dòng)柜組成了交流傳動(dòng)系統(tǒng)；PLC柜、司鉆操作臺(tái)、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(dòng)鉆機(jī)控制系統(tǒng)?？刂凭W(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(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)是重中之重，對(duì)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(guò)頻保護(hù)、過(guò)壓過(guò)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(dòng)機(jī)的性能。在工作運(yùn)行中，不管是全部或者是任意幾臺(tái)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(dòng)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(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(lái)穩(wěn)定井場(chǎng)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行可以通過(guò)顯示屏等進(jìn)行監(jiān)控，以便我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并進(jìn)行改進(jìn)。PLC控制系統(tǒng)是通過(guò)編碼器，變送器等數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)來(lái)完成的。經(jīng)過(guò)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(guò)觸摸屏等設(shè)備顯現(xiàn)出來(lái)，這樣就能更好地了解各種參數(shù)，從而對(duì)變頻電機(jī)進(jìn)行更好地控制，給井場(chǎng)提供照明和控制壓氣機(jī)房、井場(chǎng)的鉆臺(tái)、水罐區(qū)等區(qū)域的電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，這也是電動(dòng)機(jī)控制中心的中心功能。為了方便對(duì)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(duì)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(dòng)。多個(gè)變頻柜組成了驅(qū)動(dòng)控制，這樣更有利于實(shí)現(xiàn)上述的驅(qū)動(dòng)方式。具有反轉(zhuǎn)功能的轉(zhuǎn)盤電動(dòng)機(jī)和絞車，可以不限制扭矩的調(diào)節(jié)范圍，任意轉(zhuǎn)動(dòng)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?？梢詫?duì)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(dòng)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(dòng)送鉆操作利用恒壓完成，可以試著用恒壓的方式來(lái)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(dòng)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(dòng)機(jī)還可以用一種一拖一的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)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(duì)絞車制動(dòng)，就要使電動(dòng)機(jī)進(jìn)入一個(gè)發(fā)電狀態(tài)，然后逆變器會(huì)通過(guò)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(dòng)機(jī)會(huì)形成一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向的制動(dòng)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(dòng)電阻就會(huì)通過(guò)制動(dòng)控制單元自動(dòng)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(dòng)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(chǔ)存的多余電能。這就是能耗制動(dòng)的一個(gè)基本原理，這種能耗制動(dòng)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(dòng)單元和存在于變頻房外的制動(dòng)電阻在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中起到的功能。能耗制動(dòng)也可以運(yùn)用于自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的制動(dòng)單元。

3 變頻鉆機(jī)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)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(dòng)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(wèn)題，使經(jīng)濟(jì)性能也得到很大的提升。經(jīng)過(guò)對(duì)鉆機(jī)的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，它的發(fā)展趨勢(shì)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(huì)朝著開放性，大功率的方向穩(wěn)定發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

以前的鉆井工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在的鉆井工作，難以滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)鉆井工程的需求。所以，這就對(duì)我們提出了更高的要求，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，來(lái)對(duì)鉆井工作進(jìn)行研究，考慮到實(shí)際情況對(duì)變流變頻電動(dòng)機(jī)的要求，對(duì)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(lái)越大，需求也越來(lái)越多，因此提高我們的鉆井技術(shù)迫在眉睫。近些年來(lái)，我國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)這些年對(duì)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(duì)交流變頻電機(jī)著重發(fā)展，改善石油鉆井工作。