石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用

石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用

危成 ,王军

中石化西南工程公司钻井一分公司 四川成都 610500

摘要：随着中国对石油能源需求的增加，石油开采的环境变得越来越复杂，增加了石油开采的难度。在石油开采过程中，交流变频电机的应用可以使石油开采更加简单高效，因此有必要加强对交流变频电机的分析。

关键词：石油钻机；交流变频电机；控制设备；

被广泛应用于现代工业的交流变频电机，拥有无法被替代的优势，以该电机为研究对象，以石油钻机为切入点，围绕电机和控制系统的应用，展开了系统而深入的分析，内容涉及交流变频电机驱动的优点分析，交流变频电机控制系统分析等方面，望能够给有关人员以启发，使交流变频电机所具有的积极作用在钻井作业中得到充分发挥。

一、交流变频电动机

交流变频电动机是一种特殊的变频电动机，交流变频电动机在具体应用中与一般变频电动机相比具有以下特点：（1）在设计中所使用的绝缘材料采用的为抵抗变频器谐波突破的特殊材料，提高交变频电动机的性能。（2）结构设计和电磁设计与一般变频电机相比较特殊。在石油钻井中应用交流变频电动机与直流钻机和机械钻机相比，在钻井过程中，对交流变频调速技术进行合理应用，可以很好的适应石油钻井在工艺上的具体要求，并且使钻机的机械结构得到了进简化，减少了对钻井机械的保养，使设备的可靠性和安全性得到进一步提高。此外，交流变频电动机还具有质量轻、体积小、故障少等诸多优点，因此在石油钻井中需要加强对其的应用，提高石油钻井的工作效率。

二、交流变频电动机及其控制系统的应用

1.交流变频石油钻机。（1）石油钻机钻进原理。石油钻机用于石油或天然气资源的钻采过程，运行过程中钻机带动钻具击碎岩石向下钻进，辅助完成地下资源的开采。现阶段，国内外石油开采中常用的钻井方式为旋转钻井，即将钻头旋转击碎岩石，形成钻井结构。然后利用钻杆将钻头探入到钻井底部，通过转盘或驱动装置带动钻头及钻杆旋转，钻井泵向井内输送钻井液，并将井底碎石带回到地面，再利用吊车等大型设备完成钻具安置。（2）交流变频石油钻机。传统石油钻机采用机械驱动的方式，其存在诸多技术缺陷，如传动机与工作机之间能量分配及运动转换困难、控制系统复杂、传递效率不高等。为适应石油行业发展需求，在此基础上研发出交流变频石油钻机，该钻机中融入交流变频电动机和自动控制系统，钻进过程自动化程度及传动效果大幅度提高。交流变频石油钻机主体构成包括传动系统、控制系统、升降系统、动力系统、循环系统等多个系统模块。其中，传动系统负责能量传递、分配以及运动状态的转换，如设备减速、变速等。控制系统借助总线技术，将数字化设备整合到同一系统当中，并在各个系统间建立稳定的信息传输关系，方便控制中心实时获取钻机系统内各设备的运行状态信息，通过信息监测，及时发展运行异常并开展故障诊断、处理工作。升降系统负责钻具、套管的下放和提升，以调整钻压、钻头等设备姿态，该系统主要构成为井架、绞车等。动力系统为交流变频电机的驱动系统，利用柴油发电机向钻机提供运行动力。循环系统负责钻井过程中的清洁工作，控制钻井液的泵送以及井底碎石的清理，由钻井液泵、控制单元、各类管线构成。（3）交流变频钻机优化。交流变频石油钻机设计过程中，可根据实际石油开采需求对钻机各项参数进行调整。以某型号超深井交流变频石油钻机的优化设计为例。该型号钻机适用于超深井的钻进工作，有效钻进深度达到9000m，能够满足石油、天然气、水井等多种能源开采情境的需求。该类型交流变频石油钻机的技术创新点如下：第一，创新性的使用全数字化的控制技术，在钻机系统内安装PLC控制器及可触摸显示屏，将控制器与显示屏与各类仪器仪表设计为一体化结构，钻机运行过程中，系统可将井下作业情况以及钻机运行状态参数实时传输回地面，对钻进过程做全程监控。第二，使用模块化的设计方案，给系统预留了足够的升级、改造方案，可结合具体钻进需求，对系统模块进行调整、组合，使得该钻机具备较广的适用范围。另外钻机结构设计上也充分重视便捷性，添加的设备模块数量非常有限，结构排布清晰整齐，为钻机系统转移、搬运过程提供了极大便利。同时，钻机系统结构简化也使得维护保养能够便捷化开展。第三，钻机绞车传动原理为单滚筒齿轮传动，采用无级调速，其传动原理简单，故障率较低；使用液压盘刹车机构，辅助刹车则为电机能耗制动，利用计算机系统，可对制动扭矩做量化调整，使得钻机控制过程更为精确。绞车配备单独的电子送钻装置，可完成自动送钻。第四，钻机司钻控制房单独设置，电、气、液的控制可一体化进行，同时融入可视化通讯系统，利用PLC控制器，能够对钻井过程做全程监控。另外，控制房还可提供数据存储、报表打印等功能，便于开展各项管理活动。钻机控制终端、仪器仪表等均集中设置在司钻房内部，可控性较高。第五，钻机净化系统也采用了集中化设计理念，将净化设备集成安装，经实践验证，改造后的交流变频石油钻机循环系统，在清洁能力方面显著提升。随着交流变频石油钻机相关技术的进一步发展及能源开发环境的复杂化，该类型钻机将在深井、超深井、海洋水井等石油勘探中得到越来越频繁的应用，进一步提高石油资源开发技术能力。

2.交流变频电机控制系统。（1）动力系统。交流变频系统的动力电源由网电或柴油发电机机组提供。以600VAC/50Hz供电系统为例，发电机控制柜通过速度控制模块、电压控制模块、信号检测模块等，控制柴油机转速、励磁电流，获得600VAC、3φ、50Hz稳压稳频交流电源。每台发电机控制柜都含有单独的同步并网控制回路，处于在线运行状态的柴油发电机组，能够以具体工况为依据，自动实现负载分配转移达到负载分配均衡，可以提高工作效率。此外，发电系统还有过频/欠频、过压/欠压、接地故障检测、功率限制等保护功能，充分保障了电源的稳定性及可靠性。（2）驱动系统。驱动系统采用全数字矢量控制交流变频调速装置，由整流单元将交流母排上的600VAC交流电转换成810VDC直流电，输出到公共直流母排上，再由多台逆变单元将直流母排上的810VDC直流电转换成电压0～600VAC、频率0～150Hz连续可调的交流电，采用一对一控制方式驱动交流变频电动机。驱动系统采用多传动变频调速装置，依负载需求，可配置不同数量的整流及逆变单元，有很好的扩展性及适用性。（3）能耗制动系统。在下钻作业中，游动系统的悬重通过滚筒拖动主电机反转，使主电机处于发电状态。将动能通转化为电能，电能通过变频器的制动单元及制动电阻转化为热能散发,使钻具以设定的速度平稳安全地下放。该技术的应用使盘刹仅作为游动系统的安全驻车和紧急制动使用，并实现了绞车刹车系统的自动控制，可使操作平稳、安全、可靠。能耗制动系统用于绞车、转盘制动控制，在需要制动的工况下，自动投入工作并产生能耗制动，实现绞车下钻速度平稳可调及钻具悬停。（3）控制网络。控制系统以PLC为控制核心，依托编码器及各种传感器对信号进行采集，通过现场总线将数字化设备组成PROFIBUS-DP网络，实现变频器、智能远程司钻等控制系统间的高速通讯。上位工控机储存各个系统的运行状态并提供故障时的诊断报文。IPC、PLC、现场数字传动级和司钻操作台通过PROFIBUS-DP网络连接，参数双向传递，为钻井工程创建数字化、信息化、智能化的管理平台。

总之，随着油气开采难度的提升，传统的钻井装备无法满足钻井作业的要求，随着自动化技术、变频技术的不断进步，给钻井装备带来技术革新，电驱钻井技术已经得到了普遍的认可。交流变频电驱钻机在应用过程中，取得了满意的效果，具备很好的应用和推广前景，需要科研人员不断加强对交流变频技术研发力度，制造出更好性能的电驱钻井产品。

参考文献：

[1]张萍.石油电动钻机驱动技术浅述.2020.

[2]李海英.浅谈石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用.2022.