分析石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用

张鹏

(大庆钻探工程公司钻井一公司项目一部50256钻井队，黑龙江 大庆 163000）

1 交流变频电动机

（1）作为特殊的交流变频电机，它采用的是转盘独立的电驱动钻机，能够不受钻井泵冲次的制约，它的绝缘材料是一种特殊的能抵抗变频器谐波的材料，大大提高了电动机的功能。它的体积、质量也比一般电机轻便，因为对保养方面进行了改进，所以安全性就有了保障，这样变频电机在进行石油钻井中的工作效率得到了大幅度提高。20世纪90年代后期，在石油钻采设备中，我国的科学技术人员和相关单位将交流变频调速技术应用其中，现在很受青睐的钻机也就是电驱动机，也是交流变频调速技术的一种。

（2）转盘独立电驱动钻机。转盘采用的交流变频电动机的单独驱动，就是使用的转盘独立电驱动钻机，还有绞车和钻井泵也是采用的机械统一驱动的钻机。此型号的钻机是通过多台柴油机经过液力耦合器或者液力变矩器来输出动力。要驱动绞车和钻井泵，就要经过链条并车，才能实现这一操作；1台交流变频电机可以通过链条或齿轮将转盘减速转动，自动送钻功能可以通过绞车配辅助驱动装置来实现。它很大的一个特点是转盘的转速可以不受钻井泵冲刺的制约，可以直接根据钻井工艺的需求来调节。还可以得到交流变频电动钻机的各种优秀的性能，而且还是很接近机械钻机的价格，以较低的价格得到很高的性价比，还有数控恒钻压自动送钻功能。

（3）机电复合驱动钻机。钻井泵一直采用机械驱动，而绞车则是采用交流变频电机驱动，这些都是基于转盘在采用电机独立驱动的基础上使用机电复合驱动钻机。在5000m以下的钻机，才适用于上述方案通过皮带并车驱动钻井泵的两到三台柴油机，还可以驱动一台节能发电机。而且这又是一个性价比极高的钻机，它以全交流变频电动钻机的百分之六、七十的价格，就可以实现交流变频电动机的主要功能，还具有更加优秀的运行经济性。

（4）全交流变频电动钻机。电机直接驱动和电机加减速箱驱动，是转盘传送的主要方式，而绞车钻井泵和转盘采用的都是交流变频电机驱动。这些绞车等也都是说的全交流变频电动钻机的绞车等。绞车有采用一级齿轮减速箱方案，但是大部分采用通过二级齿轮用两台电机来进行减速箱驱动，并配合辅助驱动装置。交流变频电动机除了采用机械的多轴绞车的转盘独立电驱动钻机之外，通常大部分采用的都是单轴绞车结构。它的传动形式是齿轮减速箱来对交流变频电机滚筒抽进行直接驱动。为了实现辅助刹车的功能，采用了能耗制动，取消了电磁涡流车，用盘式刹车作为主刹车的方式。矢量控制和直接转矩控制是交流变频电动钻机经常采用的调速技术。Siemens公司的变频器是矢量控制的主要变频器，而直接转矩控制则和它不同，采用的变频器是ABB公司的。这些控制方式有两种：①一对一控制；②一对二控制。这两种控制需要的变频柜也不一样，一对一就是每台电机需要对应一个变频柜，一对二控制就不一样了，可以设置两个变频柜，控制转盘可以根据需要与否来切换钻井泵和绞车的变频柜。

2 交流变频电机控制系统

（1）发电系统的应用。发电机、控制柜组成了发电系统；变频柜、制动柜组成了交流传动系统；PLC柜、司钻操作台、远程计算机等组成了控制网络；还有交流电机控制中心共同组成了变频电动钻机控制系统。控制网络、交流传统系统和发电系统组成了交流变频电机的控制系统。控制系统对于电机来说是重中之重，对控制系统做好分析研究，才能使变频电机充分发挥作用，广泛应用在石油钻井的应用上。现在交流变频电机中广泛应用的是SIEMENS电气控制和ROSS HILL电气控制系统，这两种系统功能基本相同。短路保护，柜内故障自检、过频保护、过压过流保护、还有功率限制和逆功保护等功能，是发电机控制的各种优秀功能，能提高发动机的性能。在工作运行中，不管是全部或者是任意几台机器同时上线时，负荷都可以根据工况的需要平稳运行均衡分配，这都是因为设置了并网控制电路，这个电路的控制电柜让电动机能够承受因为运行而产生的冲击。上述两个电气控制系统通过对发电机的励磁电流和柴油机转速的控制，以600V、50Hz的稳频稳压电流来稳定井场需要的稳定电源。

（2）控制网络。数字控制和模拟控制是现在司钻控制系统主要运用的两种控制。变频电动机控制系统的设备运行可以通过显示屏等进行监控，以便我们及时发现问题，并进行改进。PLC控制系统是通过编码器，变送器等数据采集环节来完成的。经过编程计算处理，钻压、转盘转速、泵冲泵压、出口返回量等钻机参数都可以通过触摸屏等设备显现出来，这样就能更好地了解各种参数，从而对变频电机进行更好地控制，给井场提供照明和控制压气机房、井场的钻台、水罐区等区域的电动机。同时，这也是电动机控制中心的中心功能。为了方便对机器的修理更换，MCC柜则选用了分装式。

（3）交流传统系统。将50Hz恒压、600V电压转变成了0～750V可以连续调控的交流电，这样可以在实际操作中对钻井泵、绞车和转盘进行以一拖一甚至是以一拖二的的方式进行驱动。多个变频柜组成了驱动控制，这样更有利于实现上述的驱动方式。具有反转功能的转盘电动机和绞车，可以不限制扭矩的调节范围，任意转动区间的数值。Siemens变频器是在石油钻机中应用最广泛的变频器，而且应用效果惊人，在实际操作中，成效显著。采用IGBT元件、全数字技术的SIMOVERT master DRIVE矢量控制变频器是一种电压源型变频器。可以对这种变频器加强推广，在实际工作中增加更广泛的应用，让交流传统系统在油田钻井中有着很好的服务。自动送钻变频柜是把400V、50Hz恒压、恒频的交流电压变流成为了连续可调的0～400V的交流电压。想要自动送钻操作利用恒压完成，可以试着用恒压的方式来完成这个工作。以恒速方式运行的具有正反转功能的送钻电动机，能够对井架和钻具有一个应急的起放功能，同时还可以进行恒速送钻。送钻电动机还可以用一种一拖一的驱动方式来完成相关的操作。

（4）控制单元。要想在实际工作操纵中对绞车制动，就要使电动机进入一个发电状态，然后逆变器会通过电流将机械能转化成电能，将电流传到直流母线当中，电动机会形成一个与旋转方向的制动力矩帮助电能的转化。当系统电压的最高阀值低于直流母线上的电压时，制动电阻就会通过制动控制单元自动接通，使电压在直流母线上维持一个恒定，这种恒定需要制动电阻的消耗，这种消耗需要多余电能也就是直流母线之间的电容器储存的多余电能。这就是能耗制动的一个基本原理，这种能耗制动可以使电压大小在直流母线中处于恒定的的状态。这都是制动单元和存在于变频房外的制动电阻在实际运行过程中起到的功能。能耗制动也可以运用于自动送钻系统的制动单元。

3 变频钻机及其控制系统的发展趋势和前景

钻井这项工作辛苦和有一定危险性，条件恶劣，这就对特殊钻井工艺有了更高的要求，变频电机将朝着更好地方向和高标准的方向发展。数字化、信息自动化还有智能化的变频电机，正在飞速发展中，这也少不了交流变频的通讯和计算机的发展，运行的安全性也需要大幅度的提高，同时也要注意性价比的问题，使经济性能也得到很大的提升。经过对钻机的研究，我们可以发现，它的发展趋势正在朝着智能化加速发展，我们由此也可以看出，电气控制也会朝着开放性，大功率的方向稳定发展。

4 结语

以前的钻井工艺无法实现现在的钻井工作，难以满足现代社会对钻井工程的需求。所以，这就对我们提出了更高的要求，我们应该根据实际情况，来对钻井工作进行研究，考虑到实际情况对变流变频电动机的要求，对此进行探索发现，注意总结经验。钻井环境的变化越来越大，需求也越来越多，因此提高我们的钻井技术迫在眉睫。近些年来，我国的石油开采技术正在高速发展，以求跟上钻井工作环境改变的脚步。

交流变频电机极大地改善了我国的石油开采技术，同时，我们要加强交流变频电机在钻井工作中的应用，在我国钻井的大环境下，加强电机的应用也是符合当下的环境的。通过这些年对交流变频电机在石油钻井中的应用，可以看出交流变频电机的应用前景是非常良好的，我们可以对交流变频电机着重发展，改善石油钻井工作。