變頻鉆機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)研究

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（1.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020；2.渤海鉆探第五鉆井工程分公司，河北河間062465）

變頻鉆機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)研究

朱奇先1，張貴華2，張振中1，李亞博1

（1.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020；2.渤海鉆探第五鉆井工程分公司，河北河間062465）

結(jié)合鉆井工藝下鉆要求，簡(jiǎn)單介紹了變頻鉆機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)、單元構(gòu)成，制動(dòng)單元和電阻的配置原則。以常見的ZJ50/70DB鉆機(jī)、幾個(gè)特定鉆井參數(shù)、特定斬波單元為例，按照一般工況、絞車輸入功率、最大鉤載3種情況，計(jì)算了下鉆過程中的回饋能量、功率等制動(dòng)系統(tǒng)選型參數(shù)；提出了變頻鉆機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)配置算法。

變頻鉆機(jī)；能耗制動(dòng)；回饋能量（功率）；選型算法

變頻鉆機(jī)帶有能耗制動(dòng)功能，已是鉆機(jī)裝備行業(yè)普遍的共識(shí)。但究竟該配置多大的制動(dòng)能力，由于價(jià)格、布局等因素的影響，各用戶及電控系統(tǒng)供應(yīng)商做法不一，差別較大。如果能力配置較小，雖然價(jià)格較低，制造容易，但使用時(shí)對(duì)某一類鉆井好用，換一類井或一口井可能就不好用；如果滿足了對(duì)任何類井都好用而加大能力，則必然導(dǎo)致價(jià)格昂貴、制造困難、制動(dòng)能力有可能經(jīng)常閑置。因此依據(jù)什么計(jì)算、配置比較合理，既不造成投資浪費(fèi)，又能滿足絕大多數(shù)鉆井工藝要求就非常必要，本文從3個(gè)不同的角度給出典型的配置算法，供電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和用戶參考、研究。

1 能耗制動(dòng)

下鉆為油氣勘探鉆井作業(yè)中重要的一環(huán)，是指將每柱約27 m的鉆桿，從二層臺(tái)一次次下放到鉆臺(tái)面、直到將所有鉆桿柱下到井底預(yù)想位置的過程。在下鉆過程中，鉆桿柱在重力作用下不斷落入井中，將其已儲(chǔ)存起來的高勢(shì)能釋放出來，驅(qū)動(dòng)游動(dòng)系統(tǒng)、絞車滾筒、拖動(dòng)電機(jī)等，在變頻器的控制作用下，交流電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換樞紐一直處于制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)，將鉆柱的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能回饋給變頻器；由于變頻器沒有足夠的儲(chǔ)能能力，回饋能量將使其中直流電壓升高，升高到保護(hù)閥值后將停止工作。為了使變頻器能夠正常工作，需要將這些能量隨每一個(gè)下鉆過程逐次轉(zhuǎn)移出去。變頻鉆機(jī)的能耗制動(dòng)就是指電控系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)移、消耗這個(gè)能量的環(huán)節(jié)和過程。

與能耗制動(dòng)有關(guān)的系統(tǒng)單元示意圖如圖1所示。

圖1與能耗制動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)的單元Fig.1The units that related to dynamic braking system

圖1 中，DC810 V指變頻系統(tǒng)的直流母線，VFD1，VFD2為絞車拖動(dòng)電機(jī)DWA，DWB的控制變頻器，BK為制動(dòng)單元，R為制動(dòng)電阻。

2 配置原則

由圖1可知，雖然VFD1，VFD2，直流母線及相關(guān)的電機(jī)等與制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)系密切，但其選型參數(shù)相對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)來說已經(jīng)確定，因此配置能耗制動(dòng)系統(tǒng)最主要的環(huán)節(jié)就是選擇制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻。制動(dòng)單元既可以用三相逆變器，也可以用單相斬波器，配置原則為只要單元的能量通流（導(dǎo)通閥值時(shí)在規(guī)定的時(shí)間流過規(guī)定的電流）能力足夠即可；與此對(duì)應(yīng)，制動(dòng)電阻也有三相和單相之分，為保證能量消耗與下鉆周期同步，配置的原則為既要保證能量的消耗速度（但不使單元電流過載），又要保證表面溫度不能過高而引起明火。

3 選型算法

由上節(jié)敘述可知，在導(dǎo)通閥值時(shí)，無論確定單元的通流能力還是電阻的阻值及功率，都需要確切知道直流母線上需要消耗的實(shí)際能量或者功率，而這些又和實(shí)際的工作過程密切相關(guān)，工作過程又和地質(zhì)情況、鉆井工藝參數(shù)、司鉆操作水平等息息相關(guān)，因此無法進(jìn)行精確的計(jì)算。沒有根據(jù)的配置不僅使工作人員無所適從，而且過小時(shí)還不能滿足安全鉆井的要求，且會(huì)嚴(yán)重影響到使用時(shí)的鉆探效率。下面以普通鉆井工藝參數(shù)為例，對(duì)ZJ50/70DB鉆機(jī)的回饋能量和制動(dòng)系統(tǒng)單元參數(shù)選擇的依據(jù)，按實(shí)際運(yùn)行參數(shù)（Ⅰ）、絞車輸入軸額定功率（Ⅱ）、最大鉤載（0.4 m/s鉤速）（Ⅲ）3個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的數(shù)據(jù)見表1。計(jì)算條件為：忽略游動(dòng)系統(tǒng)自重，鉆柱鋼材的相對(duì)密度γs=7.85，井筒中鉆井液的相對(duì)密度γy=1.2，井斜0～5°、井深5 000～7 000 m時(shí)鉆桿柱與井壁的摩察系數(shù)Kf=1.4～1.5；提升時(shí)鋼絲繩拉力：Q=QLKf(1-γy/γd)=(1.2～1.3)QL；下放時(shí)鋼絲繩拉力：Q=QL(1-γy/γd)/Kf=(0.56～0.61)QL，每米鉆柱在空氣中的平均重量q=36 kg/m；整流、逆變控制裝置按S120系列、制動(dòng)單元按單相直流斬波器裝置考慮。其余符號(hào)代表的意義見表1。

表1 三種情況下計(jì)算的回饋能量和制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1Energy feedback and braking system parameters under three working conditions

續(xù)表1

4 配法比較

由計(jì)算條件和計(jì)算結(jié)果看，方法Ⅰ針對(duì)的是井深小于5 000 m或7 000 m、鉆井液比重不小于1.2等幾個(gè)特定參數(shù)的工況，由于最大鉆柱重量只有1次，其余所有的都比它小，因此這種配法具有非常高的實(shí)用價(jià)值，缺點(diǎn)是低于實(shí)用條件時(shí)能力不夠，而且沒有進(jìn)一步提高最低鉤速、鉆井時(shí)效的潛力。方法Ⅱ不考慮任何實(shí)用情況，只以絞車動(dòng)力輸入端在提升和下放時(shí)功率達(dá)到額定值為依據(jù)，雖然在任何情況下都能發(fā)揮絞車設(shè)計(jì)能力的優(yōu)點(diǎn)，但大多數(shù)正常工況下制動(dòng)能力閑置，造成一定的浪費(fèi)。方法Ⅲ的結(jié)果介于前二者之間，可以滿足最大鉤載、一次最大鉆桿柱的特殊工況，也有在大多數(shù)正常工況下提高鉤速、鉆井時(shí)效的潛力，比較合理。但在按照計(jì)算表中規(guī)定的斬波單元選型時(shí)，與方法Ⅱ數(shù)量一樣，只是說明選型配置方法，當(dāng)有更多規(guī)格的三相逆變器或斬波器可供選用時(shí)，方法Ⅱ在數(shù)量和價(jià)格上具有優(yōu)勢(shì)。

5 實(shí)際應(yīng)用

渤海鉆探塔里木四勘的70157鉆井隊(duì)，在2004年底設(shè)計(jì)制造的一套7 000 m變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。對(duì)應(yīng)圖1，與能耗制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的單元配置為：DWA、 DWB 800 kW，VFD1、VFD2 870 kW，考慮到成本和用戶要求，BK的功率配置為800 kW，這是按方法Ⅰ計(jì)算，只滿足最低鉆井參數(shù)的工況并有20%的裕量。在2005～2010年的使用中，由于油田對(duì)時(shí)效要求一般，因此司鉆操作的下鉆速度較小，BK單元運(yùn)行正常；2010年后，油田要求各鉆井隊(duì)大提速，當(dāng)下鉆速度提高加上鉆井參數(shù)發(fā)生大的變化后，BK單元因能力限制，下鉆時(shí)經(jīng)常因來不及制動(dòng)使母線電壓過高導(dǎo)致變頻器保護(hù)而停機(jī)，或因強(qiáng)制制動(dòng)使BK單元處于過載、過溫而停止工作，這都將嚴(yán)重影響到時(shí)效的提高和安全鉆井。2011年對(duì)能耗制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，按照方法Ⅲ并根據(jù)用戶提供的鉆井參數(shù)計(jì)算，在成本增加不多的前提下，將BK單元功率配置為1 200 kW，制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行到現(xiàn)在再也沒有出現(xiàn)過能力不足的故障。

［1］陳如恒、沈家駿.鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995.

［2］顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［3］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Research on Dynamic Braking System of Variable Frequency Drilling Rig

ZHU Qi?xian1，ZHANG Gui?hua2，ZHANG Zhen?zhong1，LI Ya?bo1
（1.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui741020，Gansu，China；2.The 5th Drilling Company of BHDC，Hejian062465，Hebei，China）

According to requirements of feed drilling technology，focused on main parts and constitutions of dynamic braking system of variable frequency drilling rig and also distributing principles of brake unit and resistance. Took ZJ50/70DB rigs，certain drilling parameters and chopper unit as an example，it calculated energy feedback and power during feed drilling from three aspects that normal working condition，DW input power，max.hookload，which finally work out distributing calculation of dynamic braking system of variable frequency drilling rig.

variable frequency drilling rig；dynamic braking；energy feedback（power）；selection algorithm

TE922

A

2014-07-16

朱奇先（1963-），男，學(xué)士，正高級(jí)工程師，Email：zhuqixiananling@sina.com

修改稿日期：2015-01-05