交流變頻電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)在石油鉆井中的應(yīng)用研究

劉成文

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展，我國對能源的需求也不斷增加，石油能源開采環(huán)境也變得更加復(fù)雜惡劣，這類困難無疑增加了石油開采作業(yè)難度。本文基于交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)的應(yīng)用分析，結(jié)合交流變頻電機(jī)的自身特點(diǎn)，對石油開采中交流變頻電機(jī)的應(yīng)用可以使開采作業(yè)變得更加高效進(jìn)行了總結(jié)，加強(qiáng)交流變頻電機(jī)的運(yùn)用可以幫助我國石油開采作業(yè)越來越簡單方便高效。

關(guān)鍵詞：交流變頻;電動(dòng)機(jī);控制系統(tǒng)

1 交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)的概況

1.1 轉(zhuǎn)盤獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)概況

轉(zhuǎn)盤獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)是一款絞車與鉆井泵統(tǒng)一機(jī)械驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)盤通過交流變頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的一款鉆機(jī)，這種鉆機(jī)動(dòng)力來自很多臺(tái)柴油機(jī)的液力渦合器或者液力變矩器，其動(dòng)力經(jīng)過鏈條分并，傳送給驅(qū)動(dòng)絞車與鉆井泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤的減速與傳動(dòng)是通過一臺(tái)交流變頻電機(jī)通過齒輪或者鏈條實(shí)現(xiàn)，絞車搭配輔助驅(qū)動(dòng)裝置即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆的功能。鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)不同鉆井工藝進(jìn)行相對應(yīng)的調(diào)節(jié)并且不受鉆井沖刺的影響，同時(shí)又具備數(shù)控自動(dòng)送鉆的功能是這款鉆機(jī)的特點(diǎn)，并且這款鉆機(jī)無論是在價(jià)格還是產(chǎn)品優(yōu)越性都可碾壓其他鉆機(jī)。

1.2 機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)概況

機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)盤也是選用電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，不同的是絞車是通過交流變頻電機(jī)提供動(dòng)力，其鉆井泵的動(dòng)力仍然是來自機(jī)械驅(qū)動(dòng)，適應(yīng)鉆井工作環(huán)境在5000m以下的鉆機(jī)。這款鉆機(jī)的特點(diǎn)是動(dòng)力來自三臺(tái)柴油機(jī)通過皮帶合并共同驅(qū)動(dòng)鉆井泵，另外還可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)節(jié)能發(fā)電機(jī)，該款鉆機(jī)擁有交流變頻電動(dòng)機(jī)的全部主要功能但是價(jià)格只有交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)的三分之二，具有很好的性價(jià)比。

1.3 交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)概況

全交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)的特點(diǎn)是它的絞車、轉(zhuǎn)盤以及鉆井都是來自交流變頻電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的形式，轉(zhuǎn)盤的動(dòng)力來自電機(jī)驅(qū)動(dòng)或者電機(jī)加減速箱進(jìn)行驅(qū)動(dòng)兩種方式。絞車的動(dòng)力一般來自電機(jī)通過一級或者二級齒輪減速箱進(jìn)行提供驅(qū)動(dòng)，并且搭配有輔助形驅(qū)動(dòng)裝置。一般交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)都是單軸絞車，但是轉(zhuǎn)盤獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)是選用的多軸絞車結(jié)構(gòu)。交流變頻電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)形式為交流變頻電機(jī)通過齒輪減速箱對滾筒軸進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，用盤式剎車取代了電磁渦流剎車，通過能耗制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)輔助剎車的功能。交流變頻電動(dòng)機(jī)較為常見的調(diào)速技術(shù)為矢量控制與直接扭矩控制兩種，其中矢量控制與直接扭矩控制采用的是不同公司的變頻器。而且控制方式也因?yàn)楣ぷ餍枰煌捎貌煌刂品绞?，分為一對一單?dú)控制與一對二多種控制。

2 電機(jī)的控制系統(tǒng)

變頻點(diǎn)動(dòng)鉆機(jī)的控制系統(tǒng)是由多個(gè)系統(tǒng)控制中心組成，其中包括發(fā)電系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)目前被動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，電氣系統(tǒng)主要功能是能達(dá)到柴油機(jī)以及發(fā)電機(jī)電流的控制，通過系統(tǒng)控制能夠達(dá)到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓、穩(wěn)流的作用，對整個(gè)現(xiàn)場提供電源動(dòng)力。

2.1 交流傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1.1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是有很多個(gè)變頻柜組合形成的一個(gè)系統(tǒng)，它的主要作用就是將恒壓及交流電壓轉(zhuǎn)換為連續(xù)可調(diào)節(jié)的交流電壓，對鉆井泵、絞車以及轉(zhuǎn)盤提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，同時(shí)絞車和轉(zhuǎn)盤的電動(dòng)機(jī)具備了反轉(zhuǎn)功能，在0%-100%扭矩范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，石油鉆機(jī)中矢量變頻器元件是采用的“IGBT”屬于一種全數(shù)字技術(shù)型電壓變頻器。

2.1.2 聯(lián)合制動(dòng)控制單元。制動(dòng)柜力的制動(dòng)單元以及變頻房外的制動(dòng)電阻主要功能是對絞車提供制動(dòng)，其工作原理為，絞車運(yùn)作時(shí)，制動(dòng)電機(jī)運(yùn)作進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)作時(shí)是反向旋轉(zhuǎn)以此產(chǎn)生制動(dòng)力矩，當(dāng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能后產(chǎn)生的電通過逆變器傳到直流柜母線上，當(dāng)電壓高于閥門值的時(shí)候，制動(dòng)控制單元會(huì)自動(dòng)接通制動(dòng)電阻。這種配合制動(dòng)方式也是俗稱的能耗制動(dòng)，另外自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的制動(dòng)也是采用了同樣的方法。

2.1.3 自動(dòng)送鉆系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是由多個(gè)變頻柜一并組合而成，實(shí)際操作的過程是將恒壓與電壓轉(zhuǎn)換為可以連續(xù)調(diào)節(jié)控制的交流電壓，并且對鉆井泵以及鉆盤驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力，以恒壓的方式來實(shí)現(xiàn)恒壓自動(dòng)送鉆的目的。在系統(tǒng)中鉆盤以及絞車具體應(yīng)用的過程中，使其能夠具有反轉(zhuǎn)功能，可以在發(fā)生緊急突發(fā)意外情況時(shí)對井架或者鉆具的起放能力。

2.2 控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

目前司鉆的控制系統(tǒng)主要分為模擬控制與數(shù)字控制兩種方式，對絞車可以進(jìn)行無極調(diào)速，對位置速度進(jìn)行控制，以及懸重限制的保護(hù)，包括自動(dòng)送鉆、轉(zhuǎn)盤鉆井泵的無級調(diào)速，轉(zhuǎn)矩泵壓限制保護(hù)等，通過屏幕對控制系統(tǒng)所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控控制，如圖一：司鉆室也成為了點(diǎn)動(dòng)鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

2.3 控制系統(tǒng)

所有傳感器的數(shù)據(jù)采集后通過控制中心系統(tǒng)處理計(jì)算會(huì)將鉆機(jī)所有數(shù)據(jù)，包括鉆壓、井深以及各種轉(zhuǎn)速等一系列數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上面，方便集中監(jiān)控控制。

2.4 配電控制系統(tǒng)

交流電機(jī)控制中心主要是對整個(gè)井場的交流電機(jī)進(jìn)行控制的同時(shí)并且提供了照明電源的作用，超過30kw以上的電機(jī)交流電機(jī)中心系統(tǒng)都采用軟起的方式，另外機(jī)柜為了方便維修以及更換都選用分裝式結(jié)構(gòu)。

3 總結(jié)

隨著我國石油開采技術(shù)在不斷的發(fā)展，鉆井的環(huán)境會(huì)越來越艱難復(fù)雜，變頻電機(jī)也會(huì)跟隨著鉆井環(huán)境逐漸往高適應(yīng)性發(fā)展，交流變頻技術(shù)。計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也會(huì)對變頻電機(jī)往數(shù)字、信息、智能以及自動(dòng)化發(fā)展提供了很大的幫助。為滿足我國石油開采中惡劣環(huán)境，幫助石油開采變得便攜，滿足鉆井作業(yè)的需求，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)運(yùn)用變頻電機(jī)的運(yùn)用，為我國石油開采技術(shù)提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 惠山青.石油鉆井中交流變頻電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].科學(xué)與財(cái)富，2019（18）.

[2] 張鵬.分析石油鉆井中交流變頻電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程，2018（22）.

（作者單位：川慶鉆探川東鉆探公司）