王施權，劉冰，鐘志偉

（1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830013；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，遼寧 盤錦 124010）

在世界經濟的深入發(fā)展下，世界范圍內各個國家對石油資源的需求日益增大，同時，在先進科學技術的支持下，石油開采技術也不斷增多，其中，鉆井技術是石油開采的主要技術形式，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)是石油開采的基礎電氣設備，在該系統(tǒng)設備的支持下能夠集合石油化工企業(yè)發(fā)展實際情況來調整系統(tǒng)運作轉矩、鉆壓和轉速。為此，本文結合石油化工企業(yè)發(fā)展實際情況，就石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設計問題予以分析。

1 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)內容

石油鉆機是石油資源開采的重要設備，石油鉆機性能優(yōu)劣直接關系到石油化工企業(yè)的油氣資源開采效率。在石油資源開采中，石油鉆機電動傳動系統(tǒng)是石油資源開采利用的重要電氣設備，也是石油資源合理化利用的重要技術力量支持，在石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的作用下，能夠根據所有企業(yè)現有資源情況來調整系統(tǒng)的運作速度。從石油資源開采工作發(fā)展實際情況來看，石油鉆機電氣傳動控制系統(tǒng)是影響設備應用性能的重要因素，在處理不同巖石的時候，需要根據巖石的強度和硬度來確定鉆機設備的運轉速度，因地制宜的調整鉆機的運轉速度，從而為石油資源開采提供更有力的支持。根據鉆探場地實際情況和鉆具參數來調整設備的轉速。在石油鉆井中，帶動鉆具破碎巖石，向地下鉆進，鉆出規(guī)定深度的井眼，供采油機或采氣機獲取石油或天然氣。石油開采鉆機電動傳動系統(tǒng)包含傳動機械設備、動力機、輔助設備共同組成，輔助性的還會牽扯到水龍頭、天車、鉆井泵、動力機械設備、聯動設備等。

在社會發(fā)展對油氣資源需求日益增多的背景下，石油開采鉆井深度加大，一些油井的深度甚至超過了15000m，在這樣的背景下，鉆定向斜井、水平井等鉆井方式和鉆井工藝陸續(xù)出現，在這些工藝支持下有效提升了石油化工企業(yè)的油氣資源開采能力，由此也對鉆井機械設備提出了更高的要求。

想要更好的適應時代發(fā)展對石油鉆井機械的全新要求，需要相關人員立足社會發(fā)展對油氣資源的需要來實現對石油鉆機控制系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)，在石油鉆機系統(tǒng)中引入電氣傳動控制系統(tǒng)。

在系統(tǒng)構成上，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)是石油鉆機的控制中心，具體劃分為傳動控制系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)電等模塊。石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)整合了多個先進的技術形式，在技術的支持下融合了多系統(tǒng)的功能，最終使得石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展顯示出了不可比擬的優(yōu)勢。

2 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展現狀

2.1 國外石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展現狀

當前，國內外的石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)處于一種相對成熟的狀態(tài)，國外有很多鉆機生產廠家，自主研發(fā)了石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)運作的先進技術，也在石油化工企業(yè)打造出了獨具自身特點的鉆機系統(tǒng)。石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的動力裝置和控制裝置擁有成套供貨廠家，其中，世界上主要的鉆機生產廠家集中在美國，生產的鉆機是世界上多數開采石油的國家引進的，也是當前石油機械重力獲得最多的、品種最齊全、系統(tǒng)最完善、功率最大的石油機械動力設備。

2.2 國內石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展現狀

石油資源的合理化利用離不開石油鉆井技術的支持，在20世紀70年代中后期，我國石油開采工作開始發(fā)展，國家也為油氣資源的開采利用提供了足夠多的人力、物力和財力支持。在此支持下，為了能夠讓石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)更好地適應國內地質條件，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)在建設的時候會注重引進國外的先進鉆機技術，并在多次試驗分析之后研發(fā)具有中國特色的新型石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)，在系統(tǒng)的支持下實現了我國石油開采的跨越式發(fā)展。我國獨立研發(fā)的各個型號的鉆機設備被廣泛的應用到我國各個地質條件的油田中，經過時間的考驗，鉆機設備的安全屬性和性能水平得到了提升，在鉆機的支持下我國石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)也發(fā)展到一個新的高度水平。

3 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的電力驅動

3.1 交流電驅動

交流驅動是石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的早期驅動模式，后來在先進技術的支持下，大功率變頻設備開始被人們廣泛的應用到石油開采領域，具體劃分為異步式交流電動機和同步式交流電動機。

石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)交流電動機的調速方式包含3種，分別是級別變動調速系統(tǒng)、級別明確的調配系統(tǒng)、變頻調速系統(tǒng)。在系統(tǒng)運作的時候可以通過調節(jié)繞組的方式來調整電機子的數量，最終完成變級調速。在系統(tǒng)運作的時候可以根據繞線轉子的數量來在其中添加阻隔器，在多個阻隔器的作用下來實現對電動機運作的合理化調控。交流電動機可以通過可控硅變頻內部設備來完成變頻調速控制，根據需要來調節(jié)電力的供應，改變電流的性質。在電流性質被改變之后

交流電經晶閘管的蒸流電路轉變?yōu)橐环N可調控的直流電。借助逆變器會根據需要來調節(jié)逆變器設備中的電力資源。級別變動調速系統(tǒng)、級別明確的調配系統(tǒng)、變頻調速系統(tǒng)的配合會為電力資源的高效率開采利用提供必要的基礎設備支持，由此充分提升各項資源的綜合利用率，促進整個系統(tǒng)的穩(wěn)定建設發(fā)展。

3.2 直流電力驅動

石油電驅動鉆井機會借助用于電磁力的通電導體來完成電力供應。大型直流電動機械設備是支持石油資源開采利用的關鍵設備，該設備會圍繞定子套組來完成電力資源的使用和調配，之后使得導體生成穩(wěn)定的磁場，在電磁力的作用下實現通電導體的連續(xù)性供電。

在石油鉆機系統(tǒng)運作中，直流電動機的調速可以通過以下3個方式來實現。

（1）在勵磁場的電路系統(tǒng)中借助電阻力量去調節(jié)電動機系統(tǒng)中的主磁設備。串勵直流電動機會在勵磁圈的周圍并入電阻器，這個期間并入的可調節(jié)電阻器會出現無極調速性能，并入有極的電阻器會產生具有調級速的性能。

（2）在小型直流電動機的中樞系統(tǒng)中安排串聯電阻器，根據需要自主調節(jié)電流。

（3）借助可調控的直流電源來改變之前中樞線路系統(tǒng)中的輸入電壓。在實施操作的時候，可以調控的直流電源可以通過以下2個方式獲取，一個是通過觸發(fā)晶閘管的導通角來將交流電轉變?yōu)榭梢哉{控的直流電。另外一個是使用直流發(fā)電機完成發(fā)電。

在直流系統(tǒng)完成直流電的整流之后，系統(tǒng)的功率因素會降低，開采場地也不再有專門的設備來完成功率補償。在這樣的情況下會使得大小一樣的直流系統(tǒng) 鉆機發(fā)電機組設備容量增大。為了彌補這個問題，需要強化對技術的補救研發(fā)，在現場無功補償裝置的作用下加入持續(xù)性的調控系統(tǒng)和快速反應系統(tǒng)，最終充分體現供電系統(tǒng)的功率因素。

4 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的結構設計

一般情況下，電力是電力驅動石油機的重要動力，在系統(tǒng)運作的時候，動力控制系統(tǒng)會被直接接入到600V的電網中，在多個發(fā)電機組的配合下來完成信息傳遞。

在具體實施操作上，動力控制系統(tǒng)負責石油鉆機設備鉆洞速度控制、電壓控制、做功控制、功率限制、繼電維護等工作。在此期間，為了能夠保證系統(tǒng)控制的精準度，動力控制系統(tǒng)需要在以往的基礎上采取更為完善的軟硬件控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)打造好之后利用現場總線技術形式來實現分布控制，同時各個模塊單元還需要設置通信接口，在通信接口的作用下來實現對各個模塊單元的精準控制，在發(fā)現系統(tǒng)故障的時候及時采取措施予以處理。

從石油鉆機的動力控制系統(tǒng)來看，不管是動力發(fā)電機組還是直接接入到工業(yè)電網，都會向交流母排輸出交流電，之后在驅動系統(tǒng)矢量裝置的作用下控制交流變頻調速裝置。考慮到動力系統(tǒng)對石油鉆機工作效率的影響，需要在動力系統(tǒng)中引入現場總線技術形式。在現場總線技術的支持下會對動力系統(tǒng)運行參數和運行故障進行全面的采集和分析。

5 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的控制方式

5.1 控制方式

從當前實際應用情況來看，電驅動石油鉆機電氣傳動控制系統(tǒng)的樣式處于一種多元化的發(fā)展狀態(tài)。電驅動石油鉆機電氣傳動控制系統(tǒng)模式有的是一對一的，有的是一對二的，基本上不會出現一對多的情況。

一對一的連接控制模式體現在控制柜和電機的連接上，電機和控制單元柜的使用存在一對一的現象，彼此之間的運轉控制具有針對性。這個期間，其他的電機不會被影響。在這樣的背景下，電動鉆機內部進需要配備和控制電機數量相同的控制柜，而且還需要為單獨轉盤配備轉動柜。一對二的控制模式具體是指由一臺控制柜來對兩個電機進行控制。一對二的控制模式會使用比較多的電機，控制柜內部所需要處理的電流數量也會比一對一所需要處理的電流量多。

現階段，在石油鉆機系統(tǒng)常用的電氣傳動控制系統(tǒng)會靈活的選擇控制模式，即能夠在一對一、一對二的兩個控制模式中自由轉換，并通過電力切換的方式來對不同電機進行控制，最終提升電機控制的靈活性和適應性。

5.2 控制對象

石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)串勵電動機的定子繞組和電樞繞組處于一種串聯的狀態(tài)，在不需要單獨安裝勵磁裝置的情況下就能夠實現控制。

在電動機輸出功率增加的情況下，控制柜的負載電流也會隨之提升，由此會加大石油 鉆機傳動系統(tǒng)的功率，從而在真正意義上提升電機的功率，在真正意義上發(fā)揮出一對二控制模式的優(yōu)勢作用。

他勵電動控制機制適合應用一對一的控制模式，電動機系統(tǒng)中偶氮勵磁性電流能夠實現單獨供應，石油鉆機系統(tǒng)中的電氣傳動系統(tǒng)會使用單獨的勵磁設備來完成供應，轉矩運轉速度和電力樞紐會呈現出密切的關聯，電機轉動速度和電機輸出電壓數值呈現出正相關的關系。通過這樣的設置能夠實現勵磁電流和電樞電流的高度統(tǒng)一，在石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)運作的時候還能夠維持電機負荷的平衡。

6 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的未來發(fā)展

伴隨石油資源在各個國家發(fā)展地位的提升，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的創(chuàng)新應用得到了人們的關注，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)運作時的關聯技術也得到了進一步的發(fā)展。在國外，關于石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的研究主要體現在石油開采鉆機型控制和系統(tǒng)控制上，即通過合理的石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)控制來達到節(jié)約原料和節(jié)省鉆井成本的目的。另外，在未來，提升油氣資源開采率、提高油田產量、延長產油時長是石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)未來發(fā)展方向。而從實際發(fā)展情況來看，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)運作所遭受的環(huán)境影響比較明顯，單單憑借個人以往經驗和能力是無法完成系統(tǒng)操作的。因此，需要石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)中引入更多先進的技術形式，在先進技術的支持下實現石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)更加方便、快捷和多元的發(fā)展，在智能化控制系統(tǒng)的支持下會實現對多個能源的交叉控制，在控制系統(tǒng)的作用下對石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)發(fā)電機組的能力、負荷需求、調度時間段、儲能裝置等電荷情況進行全面的控制，最終來提升電能調度的精準度。

7 結語

綜上所述，在石油鉆井中，帶動鉆具能夠對不同鉆石實施鉆破處理，在實施操作之后會獲得所需要的一系列資源?；谑豌@機構成的復雜，為了能夠更好的發(fā)揮出各個系統(tǒng)設備在油氣資源開采利用中的作用，在新時期，需要石油開采和關聯技術人員立足實際來積極引進更為先進的技術形式去創(chuàng)新石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)，打造出完善化、系統(tǒng)化、全面化、自動化、智能化的石油鉆機電氣傳動軟硬件系統(tǒng)，在真正意義上實現石油鉆機電力驅動對石油鉆機機械驅動的替代，全面提升我國油氣資源的開采利用率。