稀土永磁电控技术在深孔钻机的应用

田 炯，刘家荣

(1.河北冀勘工程机械有限公司，石家庄 051530；2.北京探矿工程研究所，北京 100083)

1 稀土永磁直驱电动机

稀土永磁电机是20世纪70年代初期出现的一种新型永磁电机，其电机转子是钕铁硼稀土永磁体，不需要励磁线圈。稀土永磁电机应用场合遍及工程装备、交通运输、风力发电、泵类、石油化工、采矿、航空、航海、航天、兵器等各个领域。“中国制造2025”列出的十大重点领域中有七个领域提出了对稀土永磁电机的要求[1-2]，“节能工程”的重点之一是推广应用稀土永磁电机。稀土永磁电机具有节能、体积小、高效率、低噪声、维护维修成本低的优点[3-4]，基于上述优点，从2011年起，我们将稀土永磁电机及控制技术应用于3000～7000 m钻机中[5]。

2 永磁直驱钻机(绞车)的技术特点

普通钻机传动链比较复杂，使用时需经常维护保养，永磁直驱钻机直驱结构简洁，电机转子轴直接驱动绞车滚筒回转，传动链简单，材料节省20%～30%。

总体来说，永磁直驱钻机与传统钻机相比有以下特点：①钻机模块化设计，绞车、转盘、泥浆泵各自独立驱动，相互间没有尺寸链约束，组装拆卸简便，可配套使用；②钻机系统结构简单，提下钻、送钻均由同一套永磁电机完成；③操作简单、重量轻、运输成本低，绞车和顶驱由稀土永磁电机直接驱动，实现无齿轮传动；④可恒速、恒压自动送钻，节能环保，省电20%～30%；⑤无需盘刹和带刹、轮毂制动，采用能耗制动技术，可实现无摩擦刹车、任意位置悬停功能；⑥司钻作业自动化，自动参数记录和监测，电控系统可方便地对钻机进行升级改造(如以后加装顶驱、铁钻工及铁架子工等)，人机交互界面友好舒适。

表1 钻机结构形式及性能对比

3 永磁直驱钻机控制部分特点

3.1 钻机驱动方式

异步电动机的效率和功率因数与负载率直接相关。当负载率低于50%时，其效率和功率因数会急剧下降，异步电机在负载率低时，其效率和功率因数非常低；当输出功率不到额定功率的10%时，异步电机的效率不到40%，功率因数不到20%。地质钻机在大多数工况下负载率不足20%，导致普通电动钻机的提下钻和送钻由两套电机传动系统完成，两套电机传动系统功率相差20倍以上。因此：

(1) 钻机提升系统选择永磁电机直接驱动绞车滚筒，提下钻和送钻由一套电机系统完成，制动方式采用能耗制动+回馈电网(根据电网情况选用)，耗能低，易维护，见图1。

图1 永磁电机直驱绞车

(2) 钻机泥浆泵采用永磁电机直接驱动方式，无级变速，耗能低，应用便捷。

(3) 根据钻机回转系统的使用环境和特点，转盘采用异步电机驱动，经济划算。

3.2 控制方式

主CPU采用国外知名品牌，通信网络采用Profinet，采用一体化座椅加双触摸屏配置，完成钻机的控制操作、数据记录及实时视频监控的功能。

采用集成式司钻控制座椅司钻可以完成所有钻井设备的控制和监控，以舒适的工作环境、简洁的操作界面和人性化的操作方式将司钻从紧张、繁重的体力劳动中解放出来，使司钻专注于钻进参数的变化与调控，有效地保证了钻井的安全，提高了生产效率。

上位机采用工业以太网通信，下位机采用Profibus-DP和Moudbus等通信，二者之间通过网关相连，实现数据互通。座椅集成了视频监控和对讲系统，使钻机的操作更符合人体工程学的原理，确保了司钻与外部的可靠沟通。

3.3 控制对象

PLC主要实现对钻机系统的自动控制，包括绞车控制、转盘控制及液压站控制等，采集钻机系统的钻井参数，包括悬重、钻压、立管压力、回转扭矩、回转转速、钩速、送钻速度、游车高度以及各子系统的运行状态和电气参数等。

3.4 调试电气

(1)司钻台控制电机系统主动力电缆连接开关和交流电抗器，其中两台伺服器控制同轴连接的绞车电机，为了保证同轴连接的两台绞车电机驱动卷筒时的转速和转矩同步性，使用了光纤同步技术。

(2)设计的核心逻辑控制系统软件程序用西门子PLC，通过总线通讯技术实现变频器与PLC之间的信息交换与控制。

(3)移动控制VFD房集装箱内设GGD电源柜、变频器柜、主控制柜，同时配备空调、照明等附属设备。司钻房内装工控机和操控系统及显示屏。

(4)实现绞车电机定子温度的传感与显示，回转和绞车速度、扭矩的传感与显示，绞车死绳端拉力、钻具提离孔底大钩负荷、钻压的传感与显示，大钩高度的传感与显示。

(5)系统同时提供机械手柄及按钮式操作的传统操作方式，改变控制变量，实现系统控制。现场断电时，显示屏依然可工作30 min显示数据，恢复供电时自动重启，控制系统和传感系统的信号线保证抗干扰。

(6)液压盘式刹车由液压动力源、刹车盘、液压控制部分、安装在支架上的安全钳(常闭)组、管路总成等组成。

3.5 自动送钻

自动送钻系统主要由触摸屏、PLC、变频器、悬重传感器、速度传感器、电机及绞车等组成。司钻可根据钻井参数要求设定钻压，自动送钻系统依据实际钻压的变化来控制实际送钻速度。当实际钻压小于设定钻压时，钻进速度持续增加到设定钻进速度，当实际钻压大于设定钻压时，绞车快速反转，直到实际钻压与设定钻压的差值在设定范围内。自动送钻系统的硬件部分主要由信号检测变送单元、控制单元、变频器、执行机构单元和上位机监控单元等构成，如图2～图5所示。

图2 变频自动送钻原理

图3 司钻主界面

图4 绞车工作界面

图5 转盘工作界面

井下至地面无钻压信息直接传递，均为计算值，因此采用多轮组绳系的绞车钻压误差范围大。为了防止恒速送钻过程中发生事故，采用了钻压保护、钻进扭矩保护以及操作绞车手柄时自动送钻失效三重保护。如若触发保护条件，绞车悬停不再送钻，并有相应报警进行提示。

4 应用实例

4.1 浙江临安LC-1井(图6)

图6 永磁直驱钻机在浙江临安施工2328 m全孔取心页岩气孔

2015—2016年,成功研制的3000 m永磁直驱顶驱钻机应用于浙江临安页岩气勘查LC-1井的全孔取心钻探工程中[5]，0～1500 m为沉积岩，下部为花岗岩，完钻井深2328 m。与相距20 km同类型的LC-2井施工钻机相比，节约电能超过30%，钻机自动化水平及人机友好水平受钻探一线好评。

4.2 广东惠州惠热1井(图7)

图7 永磁直驱钻机在广东惠州施工3009 m惠热1井干热岩井

2017～2018年，3000 m永磁直驱顶驱钻机应用于中国地质调查局承担的国家惠热1井地热井勘探工程，完钻井深3009 m，地层为花岗岩，是广东省最深地热井，井口放喷温度达127 ℃，进一步验证了永磁直驱顶驱钻机的节能、可靠、实用和经济，拥有巨大的推广价值。

4.3 河北雄安D20井(图8)

图8 永磁直驱电动钻机在雄安新区施工3000 m地热井

2019年，利用永磁直驱技术成功研制的新一代4000 m永磁直驱顶驱钻机、固控设备系统和永磁直驱泥浆泵系统，应用于中国地质调查局雄安新区清洁能源评价调查项目D20井3000 m深的钻探工作中，在类似的工况下，比周围传统钻机施工同类井节能30%以上。

4.4 安徽淮南岳张集矿(图9)

图9 永磁直驱钻机在安徽淮南岳张集矿施工

2021年,4000 m永磁直驱电动钻机服务安徽淮南岳张集矿东-1煤上采区灰岩水害区域治理工程。工程30个近水平分支孔，钻探工作量3万多米，工期900天，垂直孔深1000 m，水平段1000 m。

图10 司钻控制房

截至2021年11月底，钻进进尺10 000 m，90%的进尺用恒压自动送钻方式完成。与传统钻机相比，ZJ-40DBZ电动变频直驱钻机在淮南矿区展现了明显优势：操控简单、平均节省电能30%、精确送钻、自动化程度高等。钻机绞车和主力泥浆泵采用节能的稀土永磁电机直驱，传动效率高，对井场的电力容量要求小于同类钻机，节能效果明显。

5 结论

第四代永磁同步全数字直驱电动钻机是可靠性高、能够应对复杂井况、操作简单、技术先进、节能的新一代钻井设备，为世界首台将稀土永磁变频电机及精确控制技术成功应用于深孔钻探的设备。由传统钻机用普通电机或液压马达通过齿轮、链轮传动，发展为用低速、大扭矩、大功率稀土永磁同步变频电动机直接驱动绞车和钻具回转，实现机械设备间的无齿轮传动，简化了钻机结构，减轻了钻机重量，提高了传动效率，减少了使用维护成本，并可节约电能20%～30%。