浅析电机优化对钻井工程的重要性

2021-11-26夏明星蔡山顺任佳乐

工程技术与管理 2021年16期

夏明星蔡山顺任佳乐

中国石油川庆钻探工程有限公司，中国·四川成都 610000

1 引言

随着钻井工艺的不断发展，井下工具的日新月异，钻井设备的升级换代，电动钻机在现场的使用日益增多。如何使钻井设备更好地满足井下工具的要求，适应钻井工艺的不断发展，从而更合理地使用钻井设备，减少钻井设备维修率，提高设备的使用寿命，使三者之间形成一个相对的良性循环，到达钻井提述增效的目的，成为一个摆在现实面前的问题。然而电机作为钻井设备的重要组成部分，如何做好电机识别，建立精确的电机模型，加强电机的优化，使电机做到安全、可靠、连续平稳的运行，成为技术人员的工作重点。

2 全电动钻机主要电机配置

以宝石厂所生产的50DBS全电动钻机为例，需要识别优化的三相变频调速异步电动机主要集中在绞车、泥浆泵和转盘，其中绞车和转盘一共为3台600kW电机，泥浆泵为3台1200kW电机。

3 电机优化的重要性

在设备吊装安装到位之后，通常要对电机做单机起动调试，检验设备安装质量，保证设备连续工作的安全可靠性。在其调试过程中有一个环节是非常重要的，那就是“优化”。“优化”就是自学习、自辨识、自识别的过程，根据已知基本数据测试出更详细更准确的所需数据。简单点说就是用最合理的电压、电流、频率搭配来满足负荷所需要的转速，所谓合理就是能耗最低、性能最佳。电流调节器的优化，速度调节器的优化，位置调节器的优化，电机模型等效电路识别、静态识别、饱和特性识别、磁化特性识别等都是“优化”[1]。

为什么在这里特别强调做优化的重要性呢？因为这将直接影响我们调试的结果，如系统的稳定性、系统的动态响应、速度的控制精度以及转矩的控制精度等。其中最明显的表现就是电机振动、运行不平稳、声音不均匀、有明显的电磁噪音等现象。

4 电机优化步骤

变频器通过往电机的绕组中按照铭牌参数注入一定的频率、电流、电压等信号，然后在线检测电机当时所反映出来的一些电气信息，从而计算得出电机的模型参数，以达到对电机进行识别和辨识的目的。

电机的识别、测试和优化主要由三个部分组成：

①电机的静态识别和优化。此过程中，电机不运转，只通过输入电机的铭牌参数，变频器进行电机等效电路数学模型的建立，重点如图1、图2所示。

图1 电机完整检测并传送

图2 饱和特性曲线带传送

②电机的动态识别和优化。此步骤中，变频器和电机需启动，电机通过电流、变频器对电机等效电路中的各个参数进行准确的计算和确定记忆。如果是矢量控制，还要做电机磁化曲线的辨识，绘制磁化曲线的相关参数。重点如图3、图4所示。

图3 无编码器旋转检测

图4 控制优化无编码器

③调节器优化，启动变频器，电机旋转，确定和计算电机的转动惯量、调节器增益、积分时间。

上述三个步骤，第一步不做，变频器将根本不能工作；第二不做，电机运行不会正常，而且会报故障；第三步不做，电机可以工作，但转速和电流在运行时将会出现波动等不稳定的情况[2]。

总之，对电机进行识别、优化，可以更精准地实现变频器对受控电机的控制，满足实际生产使用需要。

5 电机优化在现场的应用情况

以长宁H3-5井为例，在完成对泥浆泵进行升级改造后，启动泥浆泵时，出现皮带抖动明显，电机运行声音不均匀等现象。经过多次的检查发现，问题在于未对泥浆泵电机进行相关的优化。查出问题，对症下药，及时对泥浆泵电机进行相关的辨识和优化，使其在长宁H3-5井以完钻周期33.7天等18项纪录中发挥了重要作用。

其中斯伦贝谢公司旋转导向工具PowerDrive Archer对排量、泵压和泥浆性能要求非常严格，对泥浆泵排量调节精度要求较高，以便于更好对井下工具发出相关的参数指令，所以分别对3台泥浆泵电机都进行了相应的静态、动态和优化辨识，进一步优化了泥浆泵电机性能，提高泥浆泵运行效率，以便更好地满足井下工具的要求[3]。