摘要：本文介紹了風(fēng)光牌變頻器在石油鉆機(jī)的應(yīng)用。對(duì)鉆機(jī)工藝特點(diǎn)，變頻器控制方案做了簡要論述。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光牌變頻器 石油鉆機(jī) 應(yīng)用

1 引言

石油鉆機(jī)是油田生產(chǎn)的最主要的設(shè)備之一，隨著鉆進(jìn)井深的增加，鉆桿會(huì)越來越長，重量越來越重，每鉆進(jìn)9m，須接換鉆桿一次，就要將鉆桿提升下放一次，絞車作業(yè)時(shí)間的比例越來越大；在鉆進(jìn)的過程中，隨著所鉆進(jìn)地質(zhì)條件的變化，要相應(yīng)調(diào)節(jié)鉆進(jìn)的壓力和轉(zhuǎn)速，以提高鉆進(jìn)速度和防止卡鉆的發(fā)生。因此對(duì)鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的性能有很高的要求。采用高性能交流變頻調(diào)速傳動(dòng)是解決這一問題的最理想、最有效的途徑。

2 鉆井工藝簡介

鉆井過程分為起落井架，鉆進(jìn)，泥漿循環(huán)，鉆具更換，下套管，測井等幾大工序。主要分為絞車，轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等。絞車由滾筒、齒輪箱、離合器、制動(dòng)器、電機(jī)和控制設(shè)備組成，用來起落井架，提升和下方鉆桿、套管。隨著井深的增加，鉆具越來越長，重量迅速加大，絞車的負(fù)載也越來越大。我國目前已有7000m深的油井，其鉆具近600t重。由于每轉(zhuǎn)進(jìn)約 9m 就要提升下放鉆桿1次，因此絞車作業(yè)時(shí)間也隨著井深的增加而占整個(gè)作業(yè)時(shí)間的比例越來越大。為降低成本，希望在野外或海上的作業(yè)時(shí)間越短越好，這不僅要求絞車寧高速運(yùn)行，平穩(wěn)起停，以保證不損壞鉆井設(shè)備并提高井的質(zhì)量，還要求驅(qū)動(dòng)設(shè)備具有良好的動(dòng)態(tài)特性。如果在內(nèi)線井區(qū)作業(yè)，電源可與井區(qū)電網(wǎng)相連，下放鉆桿時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，能量可回饋電網(wǎng)，節(jié)能效果顯著。

轉(zhuǎn)盤和絞車可共用同一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)，鉆桿加長后，驅(qū)動(dòng)部分切換到轉(zhuǎn)盤，由轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，實(shí)施鉆進(jìn)作業(yè)，司鉆工通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和壓力來改變鉆進(jìn)速度。轉(zhuǎn)盤正常工作時(shí)為正轉(zhuǎn)，處理卡鉆時(shí)需反轉(zhuǎn)以收回鉆頭，為防止鉆桿正轉(zhuǎn)時(shí)折斷或反轉(zhuǎn)時(shí)脫扣，要求電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，調(diào)節(jié)靈活且設(shè)定限幅值，同時(shí)電機(jī)的剎車部件也是必不可少的。

泥漿泵相當(dāng)于整個(gè)鉆井設(shè)備的心臟，它所輸出的泥漿的作用類似于人體內(nèi)的血液。泥漿從鉆桿內(nèi)部自上而下注入，流過鉆頭后，再從鉆桿和井壁的縫隙自下而上流出，在這一過程中，泥漿協(xié)助鉆頭沖擊地殼，冷卻鉆頭，帶出碎屑，而更重要的是通過在泥漿中滲入重晶石粉等物質(zhì)可保持井下一定的壓力，以避免井噴，象血液在人體內(nèi)循環(huán)，運(yùn)送營養(yǎng)，帶走廢物。泥漿泵的壓力和沖數(shù)分別與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和速度成正比。

3風(fēng)光變頻器在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用

3.1絞車用變頻器

大慶市石油管理局井下鉆井公司有一套可打3000m深度的鉆井設(shè)備。該設(shè)備控制系統(tǒng)主要包括三大部分：動(dòng)力系統(tǒng)（由2×500kW柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，2臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)于3相，380V/50Hz交流母線）；泥漿循環(huán)系統(tǒng)；鉆井傳動(dòng)系統(tǒng)（包括1套500kW電機(jī)轉(zhuǎn)盤和絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、4臺(tái)45kW液壓泵等）。針對(duì)原控制系統(tǒng)存在工作效率低，操作復(fù)雜等諸多問題，新風(fēng)光電子公司配合大慶市石油管理局井下鉆井公司對(duì)該油田鉆機(jī)絞車進(jìn)行了變頻改造。

鉆機(jī)絞車用變頻器系統(tǒng)組成框圖如圖1示。

圖1鉆機(jī)絞車用變頻器系統(tǒng)組成框圖

3.1.1絞車用變頻器系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)包括四部分∶

(1)進(jìn)線開關(guān)柜

開關(guān)柜的主要功能是負(fù)責(zé)設(shè)備供電、變頻器外圍設(shè)備的過電流保護(hù)以及變頻器控制電源的濾波。主要由萬能斷路器、交流接觸器和控制電源的濾波組成。

(2) 變頻柜

變頻器由兩個(gè)交-直-交逆變單元組成，采用單元并聯(lián)技術(shù)，增大了變頻器容量；采用公共直流母排方案;采用獨(dú)特的吸收電路，減小了di/dt，保護(hù)了功率模塊，增大了安全系數(shù)。

(3)制動(dòng)單元

該部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)快速停機(jī)時(shí)，耗掉系統(tǒng)的慣性能量，內(nèi)含剎車電阻和剎車控制系統(tǒng)，采用芯片自處理技術(shù)控制剎車界限,安全可靠。因?yàn)殂@具提升下放中，電動(dòng)機(jī)有發(fā)電狀態(tài)，造成變頻器母線電壓升高，對(duì)主電路器件安全造成威脅，所以需要外加能耗制動(dòng)單元，將母線電壓保持在安全范圍以內(nèi)。當(dāng)母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，剎車控制芯片輸出占空比隨母線電壓成線性變化的PWM信號(hào)，這就使剎車比較平穩(wěn)，傳動(dòng)系統(tǒng)沒有沖擊，延長了設(shè)備壽命。

(4)遠(yuǎn)程系統(tǒng)

該部分主要實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)的遠(yuǎn)控操作和監(jiān)控以及提供對(duì)外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。

3.1.2絞車用變頻系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

3.2 泥漿泵用變頻器

2007年5月，勝利渤海鉆井公司選用新風(fēng)光電子公司變頻器型號(hào)為JD-BP33-1200Z用在90變頻電鉆機(jī)（可打9000m深鉆井）的泥漿泵上。泥漿泵供電系統(tǒng)組成框圖如圖2示。

圖2 F-1600泥漿泵供電系統(tǒng)圖

（1）變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)

（2）泥漿泵用變頻系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

4風(fēng)光石油鉆機(jī)專用變頻器主要技術(shù)性能

（1）矢量控制技術(shù)

風(fēng)光石油鉆機(jī)專用變頻器采用矢量控制技術(shù)，通過測量和控制交流電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)。

圖3 風(fēng)光變頻器矢量控制框圖

（2）單元并聯(lián)技術(shù)

風(fēng)光石油鉆機(jī)變頻器拖動(dòng)的電機(jī)容量一般比較大，為了得到更大的功率輸出，變頻器采用多個(gè)變頻單元并聯(lián)輸出，如圖4所示。

圖4 多單元并聯(lián)接線圖

這種方法與功率器件直接并聯(lián)方式相比，采用同樣的器件，用單元并聯(lián)的方法可以得到比器件直接并聯(lián)更大的輸出。1200kW/600V變頻器采用八個(gè)變頻單元并聯(lián)輸出，各單元電流的差值在5%以下，均流系數(shù)為0.96。

（3）主電路拓?fù)浼夹g(shù)

在PWM電壓型380V級(jí)變頻器中，采用兩電平電路。若用兩電平電路實(shí)現(xiàn)600V的輸出，勢必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于器件串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓問題不易解決，應(yīng)盡量避免。在1200kW/600V變頻器中，逆變電路部分采用三電平電路或稱中點(diǎn)箝位(NeturalPointClamped—Npc)方式，如圖5所示，它不但能輸出較高電壓，而且能降低輸出諧波和電壓變化率（dv/dt）。三相輸入電壓經(jīng)全波整流后由兩組大電容器相串聯(lián)組成濾波器，兩組電容器的連接點(diǎn)即本電路的中心點(diǎn)（三電平的中間電平）。

圖5 三電平逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其輸出波形為具有五個(gè)電平的三相SPWM波，即寬度按正弦規(guī)律分布的矩形脈沖波。這種波直接送給電動(dòng)機(jī)，由于電機(jī)是感性負(fù)載，所以能獲得近似的正弦波形。因此對(duì)電機(jī)和電纜無特殊要求，可直接用于普通異步電動(dòng)機(jī)。三電平逆變電路輸出波形如圖6所示。

圖6 三電平逆變電路輸出波形

（4）靈活的PLC控制方式

風(fēng)光石油鉆機(jī)變頻器內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程控制，即可以從司鉆房操作，也可以從MCC房變頻器側(cè)操作。同時(shí)，PLC預(yù)留一路通訊接口，可與上位機(jī)（商用PC機(jī)）進(jìn)行通訊，可對(duì)變頻器進(jìn)行全部操作，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運(yùn)行操作、故障報(bào)警等等。

（5）具備完善的保護(hù)功能

風(fēng)光石油鉆機(jī)變頻器具有短路、過流、過壓、欠壓、過載、缺相、溫升、失速等多種保護(hù)，提高了整機(jī)的安全性和可靠性。

5結(jié)束語

變頻鉆機(jī)不管在沙漠、平原、丘陵、山區(qū)、海洋等地區(qū)都有很強(qiáng)的適應(yīng)性。目前風(fēng)光變頻鉆機(jī)在30DB\40DB\50DB\70DB\90DB在多個(gè)鉆探公司得到了廣泛應(yīng)用，新風(fēng)光電子公司石油鉆機(jī)專用變頻器在土耳其、蘇丹、蒙古、哈沙克斯坦等國都使用效果良好。交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)是現(xiàn)代高新技術(shù)與石油鉆井機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，這種鉆機(jī)在滿足石油鉆井工藝要求方面與現(xiàn)有機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)相比，具有無可比擬的優(yōu)越性能。是今后石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)

新風(fēng)光電子使用手冊(cè)[Z] 新風(fēng)光電子科技股份有限公司。

作者簡介：

田利潤 男，技術(shù)支持工程師，供職于新風(fēng)光電子科技股份有限公司。