電動鉆機電機直驅技術現狀與發(fā)展趨勢*

魏超 周思柱 李美求

(長江大學機械結構強度與振動研究所)

0 引 言

鉆井承包商為了降低勘探開發(fā)成本，希望鉆機能具備更高的可靠性和更快的運移性以縮短鉆井作業(yè)周期。國內外對鉆井作業(yè)的能耗和污染物的排放相繼出臺了愈加嚴格的法規(guī)和要求[1-3]，鉆機電動化改造[4]，鉆井裝備直驅已成為鉆井裝備發(fā)展的主流方向。

鉆井泵、轉盤、頂驅及絞車是鉆機三大系統(tǒng)的核心設備，上述設備的傳動系統(tǒng)復雜、傳動鏈長，易發(fā)生故障。常規(guī)鉆井泵、絞車、頂驅及轉盤運轉時噪聲大、能耗高，傳動箱及附屬設備占據大量鉆臺空間且運移困難，電機直驅技術的應用使得上述問題得以解決。

電機直驅技術是將電機與負載直連，實現對負載的直接驅動，能簡化中間傳動環(huán)節(jié)，縮短傳動鏈，提高傳動效率。大功率電機的成功研制和電機控制技術的發(fā)展，推動了電機直驅鉆井裝備的革新，加速了電動鉆機的輕量化和自動化進程[5-6]。近年來，為了滿足新能源勘探，陸地及海洋復雜地層油氣開發(fā)作業(yè)對鉆機運移性、可靠性的需求，國內外裝備制造商相繼推出了多種型號的電機直驅鉆井裝備。為了促進國內電機直驅鉆井裝備的發(fā)展，本文詳細論述了電動鉆機直驅電機技術的現狀及直驅裝備的現狀，分析了直驅技術的不足和優(yōu)勢，指出了電機直驅技術的發(fā)展方向，給出了其發(fā)展建議。

1 電動鉆機直驅電機技術現狀

直驅電機是決定直驅絞車、直驅轉盤、直驅頂及直驅鉆井泵性能優(yōu)劣的核心。直驅鉆井裝備配備的動力機可選擇交流變頻電機或永磁同步電機。直驅電機選型的關鍵在于電機的輸出特性與負載特性之間的匹配。

交流變頻電機利用變頻調速技術可在基頻以下時變壓變頻恒轉矩調速，高于基頻時恒壓弱磁恒功率調速，調速范圍寬，啟動轉矩大，符合鉆井的負載特性，是電機直驅鉆井裝備動力機的首選。

永磁同步電機輸出功率大，功率因數高，節(jié)能效果好，應用到直驅鉆井裝備中優(yōu)勢明顯。利用矢量控制和直接轉矩控制(DTC)技術，均能實現永磁同步電機的無級調速。矢量控制技術調速范圍寬，調速過程需要復雜的旋轉坐標變換，動態(tài)響應速度弱于DTC。而DTC的控制結構簡單，響應速度快，但調速范圍小。矢量控制在永磁電機直驅鉆井裝備中更加普遍[7]。

永磁電機的調速過程需要編碼器參與[8]，但編碼器在移運過程中容易損壞，同時每次移動后需要重新標定，過程繁瑣，限制了配置永磁電機裝備的運移性；另一方面，永磁電機的發(fā)熱非常嚴重，不及時散熱會導致其他關聯(lián)零部件的過早失效，同時電機的功率也因為發(fā)熱而損耗。

目前，交流變頻電機和永磁同步電機的定轉子都能與直驅鉆井裝備的轉軸及殼體融合，移除了電機殼體和軸承等零部件，體積和質量能夠進一步減小。交流變頻電機和永磁電機均可實現鉆井裝備的直接驅動，但各有優(yōu)缺點。在經濟性層面，永磁電機受永磁體材料價格影響，配置永磁電機的成本要高于交流變頻電機；在功率及效率層面，交流變頻電機的功率和功率因數弱于永磁電機，存在“大馬拉小車”現象。

從電機生產設計角度，國內用于鉆井設備的直驅電機多依靠定制，然而定制電機難以吸引電機制造商的興趣[9]。四川宏華石油設備有限公司依托下屬電氣制造公司，研制了適用于鉆井泵、絞車及頂驅的交流變頻直驅電機，電機功率可達4 500 kW。

2 電機直驅裝備現狀

2.1 直驅鉆井泵

常規(guī)鉆井泵普遍存在以下問題：①變速箱易發(fā)生故障且故障點多；②變速箱、柴油機及油料等輔助設備占地面積大、體積大，運移麻煩；③污染物排放和噪聲不易滿足環(huán)保要求。

電動直驅鉆井泵取消了膠帶傳動裝置及齒輪箱等設備，交流變頻電機與泵的小齒輪軸直連，通過AC-VFD-AC轉換調節(jié)電機電流的輸入頻率，進而調節(jié)電機轉速。直驅電機發(fā)熱量大，通常需要在鉆井泵動力端的外殼上加裝通風機給電機強制風冷散熱，避免電機損壞[10]。

根據文獻[11]報道，NOV公司展示了一臺12-P-160型電動直驅鉆井泵，如圖1所示。該型鉆井泵動力端原齒輪箱處配置了2臺永磁電機，電機與小齒輪軸直連，最大功率可達1 176 kW(1 600 hp)，總體積和質量減小了約20%，但直驅電機上卻未見散熱設備。

圖1 12-P-160型電機直驅鉆井泵Fig.1 12-P-160 direct-drive mud pump

國內直驅鉆井泵產品較為成熟，多個廠家具備研制能力，且部分產品已形成系列化。河北永明地質工程機械有限公司推出的3NB-350DBZ鉆井泵采用1臺永磁同步電機直驅，同時配備專用變頻控制系統(tǒng)保護電機。

西安寶美電氣工業(yè)公司研制了可配套F系列鉆井泵的新型直驅AC變頻電機和控制系統(tǒng)[12]，并規(guī)范了鉆井泵水馬力與直驅電機的規(guī)格和數量的匹配關系，對F系列直驅鉆井泵的標準化具有指導意義?？刂葡到y(tǒng)可實現人機交互，能實時采集泵組運行參數，與鉆機控制系統(tǒng)集成后可提高電動鉆機的自動化和智能化程度。

北京探礦工程研究所將永磁直驅控制系統(tǒng)應用于F-1300型鉆井泵[13]，見圖2。永磁電機功率達到1 000 kW。相對于表1中的交流變頻電機規(guī)格，1臺大功率永磁電機即可滿足F-1300型鉆井泵負載，既節(jié)省空間，又能降低能耗，提高效率。

圖2 F-1300型永磁直驅鉆井泵Fig.2 F-1300 permanent magnet direct-drive mud pump

表1 直驅鉆井泵交流變頻電機規(guī)格Table 1 Specifications of AC variable-frequency motor for direct-drive mud pump

其他未介紹的國內外直驅鉆井泵僅改變了動力機類型，在總體結構上并無明顯差別。

四川宏華石油設備有限公司研制了一種明顯有別國內外產品的一體化5缸電機直驅鉆井泵[14]，如圖3所示，機電一體化程度高。該新型直驅鉆井泵電機與鉆井泵完全集成，規(guī)避了直驅電機主軸與鉆井泵小齒輪軸連接方式，將人字齒調整為2個斜齒輪并置于泵兩側，交流變頻電機轉軸與小齒輪軸一體化，動力通過小齒輪與泵主軸上的齒輪傳遞，電機主體置于鉆井泵頂部。目前形成了HH直驅鉆井泵系列產品，最高功率達到2 205 kW(3 000 hp)。這種高集成度的設計使得泵組的體積和質量均減小40 %以上。該一體化電機直驅技術在電動壓裂泵的研制中也得到了應用[15]。

圖3 一體化電機直驅5缸鉆井泵Fig.3 Integrated motor direct-drive 5-cylinder mud pump

2.2 電機直驅頂部驅動鉆井裝置

頂部驅動鉆井裝置是鉆井技術史上最具創(chuàng)新的技術突破之一。經40 a的發(fā)展，其動力經歷了直流電機驅動、交流電機驅動、液壓馬達驅動及現階段的液壓或電機直接驅動。

統(tǒng)計表明[16]，40%的常規(guī)頂驅失效與齒輪箱和其附屬部件有關。國外裝備制造商決定取消變速箱及其他輔助設備，采用電機直驅技術提高頂部驅動鉆井裝置的工作效率。國內外直驅頂驅的結構大體上相同，其主要技術特征在于將大功率電機的轉軸與動力水龍頭的空心軸一體化，電機定子布置在動力水龍頭箱體內側。直驅技術的應用還可避免潤滑和密封問題，能進一步提高頂驅的可靠性。

美國LeToumeau公司從2004年開始研發(fā)直驅頂驅，在2008年便已形成2 500、3 500、5 000、7 500和10 000 kN額定鉤載的系列化產品，如圖4所示。該系列直驅頂驅為滿足更高的扭矩和轉速，交流變頻電機設計了高密度的繞組和更多銅鐵含量的翼形槽，通過浸漬工藝增強繞組線圈之間的絕緣性。兩臺風機強制散熱保證頂驅在連續(xù)作業(yè)和過載工況下的效率與穩(wěn)定性。

圖4 LeToumeau公司直驅頂驅Fig.4 LeToumeau direct-drive top drive

2009年，我國首臺適用于中小型鉆機且擁有自主知識產權的DQ-30LHTY-Z直驅頂驅完成工業(yè)試驗。四川宏華石油設備有限公司開發(fā)的AC電機直驅頂驅(見圖5)在2011年通過鑒定[17]，現已形成DQ250Z～DQ1000Z系列化產品，額定功率范圍330～1 580 kW，最大工作扭矩134 000 N·m，可滿足4 000～12 000 m深度的鉆井作業(yè)，動力輸出和旋轉頭定位精度等均優(yōu)于NOV公司同規(guī)格頂驅[18]。

圖5 宏華DQ1000Z直驅頂驅Fig.5 Honghua DQ1000Z direct-drive top drive

國外在2013年公開了永磁同步電機直驅頂驅(見圖6)專利[19]，其技術特征為將定子置于動力水龍頭殼體內側，轉子與空心軸連接且轉子的外壁面上布置沿環(huán)向等間隔的永磁鐵，定子上的繞組與轉子上的永磁鐵相對布置。2014北京探礦工程研究所也開發(fā)了永磁電機直驅頂驅，并與河北建勘鉆探設備有限公司聯(lián)合研制了ZJ40DB系列永磁直驅頂驅鉆機[20]，其中ZJ40D鉆機于2018年通過驗收[21]，同系列永磁直驅鉆機現已應用于雄安新區(qū)地熱、廣東惠熱1井及浙江頁巖氣井的鉆探，節(jié)能效果可達20%～30%。

圖6 永磁電機直驅頂驅Fig.6 Permanent magnet motor direct-drive top drive

綜合看來，國內外交流變頻電機直驅頂驅在結構形式上大同小異，都能提供系列化產品，滿足不同的鉆井需求。永磁電機直驅頂驅在國內已推出系列化產品，國外同類產品則尚未見到供應。

2.3 直驅絞車

電機直驅技術的應用有利于復雜地形絞車的運輸，提高鉆機的運移性，解放海洋及陸地鉆機鉆臺空間。國內電動直驅絞車的研制相對于上述直驅裝備的研制要早。在2005年中石化JC30DB直驅絞車研制成功[22]。該型絞車采用單軸滾筒設計，2個交流變頻電機與滾筒軸直連，移除了機械換擋機構，利用變頻技術實現無級調速，能耗制動剎車，調速范圍0～390 r/min，最大拉力1 700 kN。但該型號絞車推出時間較早，自動送鉆系統(tǒng)并沒有集成，仍需要再配置1臺小功率電機以驅動獨立送鉆系統(tǒng)。

后續(xù)絞車電機直驅技術的進步主要集中于自動送鉆系統(tǒng)等功能的集成和機電液一體化設計。

2011年，寶雞石油機械有限責任公司研制了國內首臺永磁電機直驅的JC-15D直驅絞車。該型絞車采用了1臺350 kW永磁電機直驅與滾筒軸連接，相對于JC30DB直驅絞車集成了自動送鉆功能[23]，最大拉力900 kN，調速范圍0～300 r/min。

最具特色的直驅產品屬于四川宏華石油設備有限公司2017年研制的JC-50DBZ絞車，其最大拉力3 400 kN，質量減小了12%～26%，傳動效率提高了6%。圖7為一體化直驅絞車圖。一體化直驅絞車采用2臺交流變頻電機提供動力，并未將獨立電機直連，而是將電機的定轉子系統(tǒng)與絞車殼體及滾筒一體化設計。電機的轉子套裝于滾筒軸上，定子則安裝于絞車的墻板上，徹底地取消了電機與滾筒軸之間的聯(lián)軸器。電機與滾筒軸有一個軸承共用，減少了軸承數量，整體結構緊湊，提高了整體的可靠性?，F已形成系列化產品，可滿足9 000 m鉆井需求，最大拉力6 750 kN。

圖7 一體化直驅絞車Fig.7 Integrated direct-drive winch

蘭石石油裝備工程股份有限公司在2020年研制了JC70DB直驅絞車產品[24]，從設計角度來看，與前述JC15DB和JC30DB直驅產品沒有差異。從滿足鉆井需求角度，實現了超越5 000 m井深直驅絞車作業(yè)。滾筒的兩側配備了2臺1 000 kW的交流變頻電機，但質量相較于同型號的一體化直驅絞車多了1 500 kg。采用永磁電機提供動力的絞車在地質勘探鉆機上更為普遍。北京探礦工程研究所研制的ZJ30～70DBZ系列永磁直驅頂驅鉆機上配備了永磁直驅絞車，滿足7 000 m井深的勘探開發(fā)作業(yè)要求，最大拉力可達4 500 kN，與交流變頻電機直驅絞車的性能相當。2臺永磁直驅電機通過聯(lián)軸器與滾筒軸連接(見圖8)，電機與絞車本體相互獨立，輔助剎車的剎車盤與滾筒實現了一體化。

圖8 永磁直驅電機直連圖Fig.8 Direct connection diagram of permanent magnet direct-drive motor

2.4 直驅轉盤

鉆機平臺上的常規(guī)轉盤傳動鏈冗長，中間傳動環(huán)節(jié)故障會直接導致鉆井作業(yè)中斷，并且轉盤體積過大給整體式鉆臺鋼結構設計帶來諸多不便。國內裝備制造商有意向研制電機直驅轉盤，但大部分仍處于設計論證階段。2009年，我國首臺直驅ZP275DB轉盤(見圖9)在勝利油田完成現場試驗[25]。該直驅轉盤在常規(guī)電驅動轉盤的外側配置了1臺450 kW的大扭矩交流變頻電機，電機轉軸通過萬向節(jié)與轉盤的小錐齒輪軸連接。這種設計并沒有將電機與轉盤真正意義上的直連，仍然保留了轉盤內1級齒輪傳動，所以存在繼續(xù)改進的可能。

1—ZP275轉盤；2—萬向節(jié)；3—慣性剎車；4—交流異步電機。圖9 直驅ZP275DB轉盤Fig.9 Direct-drive ZP275DB rotary table

2014年，江漢石油機械公司公開了1項電機直驅轉盤方案[26]。該方案中永磁電機與轉盤一體化設計，將空心轉軸作為電機轉軸，滾筒軸表面貼有磁鋼，帶繞組鐵芯的定子置于滾筒殼體上。相對于直驅鉆井泵、直驅頂驅和直驅絞車，該方案并未體現出必要的散熱、潤滑和制動系統(tǒng)，詳細的設計及樣機試驗仍有一段距離。

寶雞石油機械有限責任公司在2016年也公開了一種直驅轉盤方案(見圖10)[27]，從結構上看，該設計比江漢石油機械公司的直驅轉盤方案更具體。轉盤主軸設計成雙層U形結構，電機的轉子安裝于轉軸外側的表面，定子安裝于轉盤殼體內壁。在雙層U形轉軸的夾層處則安裝有軸承。這種設計同樣沒有體現出必備的潤滑、散熱和制動系統(tǒng)。但就結構上來看，將電機與軸承放置于不同的腔室，能夠減弱電機繞組發(fā)熱引發(fā)的高溫對軸承潤滑效果的負面影響。

1—定子；2—空心轉軸；3—軸承；4—轉子。圖10 直驅轉盤Fig.10 Direct-drive rotary table

大連創(chuàng)為電機公司2020年公開的直驅轉盤方案則表現出了更加完整的直驅轉盤設計[28]。圖11為帶制動系統(tǒng)的直驅轉盤圖。從圖11可以看出，相對于前述3種直驅轉盤，該方案利用轉盤面上的2組卡鉗與轉盤固連的剎車片實現制動，剎車片與軸承擋圈之間迷宮密封，避免雜物和鉆井液進入電機腔室。

1—液壓卡鉗；2—定子；3—轉子；4—轉軸；5—轉盤；6—蓋板。圖11 帶制動系統(tǒng)的直驅轉盤Fig.11 Direct-drive rotary table with brake system

圖12為湖北環(huán)一電磁裝備工程技術有限公司提出的永磁同步電機直驅轉盤設計。該方案在空心轉軸和轉盤外殼之間的U形空腔中安裝軸承以支撐轉盤轉動。其最大的創(chuàng)新之處在于，在轉筒的臺階面上相互垂直地布置了2套轉子，相當于配置了2臺永磁電機，提高了轉盤的功率和扭矩。另一方面，2臺電機還可提高直驅轉盤的可靠性。由于配置了2臺永磁電機，發(fā)熱量大，空氣對流冷卻能力不足，轉盤殼體采用導熱金屬材質，其上設置有循環(huán)油道，利用潤滑油循環(huán)冷卻給轉盤內腔輔助散熱。

1—定子；2—轉筒；3—方補心；4—轉軸；5—卡瓦；6—轉子(磁鋼)。圖12 永磁同步電機直驅轉盤Fig.12 Permanent magnet synchronous motor direct-drive rotary table

3 電機直驅技術的優(yōu)勢與不足

從直驅技術的應用目的和效果看來，利用直驅技術改造現有的轉盤、頂驅、絞車和鉆井泵，可取消中間傳動裝置，簡化傳動鏈，提高傳動效率和可靠性。直驅技術在提高鉆井裝備可靠性方面的優(yōu)勢使它受到眾多制造商的青睞。另一方面，機電融合技術和低速大扭矩電機的開發(fā)及應用，在同等功率要求下可顯著減小體積和質量，方便拆裝和運輸。上述優(yōu)勢增強了鉆機的運移能力，加快了鉆機的模塊化、自動化和智能化進程。但是，電機直驅技術所有的優(yōu)勢多來自裝備制造商報道，也有其不足之處，具體表現在以下方面。

(1) 絞車、轉盤、鉆井泵及頂驅電機直驅時，均采用風機強制散熱緩解電機繞組的發(fā)熱問題。發(fā)熱實際上是能量的損失，會降低功率利用率。當前的直驅設備所配備的風機需要電力驅動，這便需要額外的功率用于維持風機運轉，整體功耗增加。若散熱不及時，設備內部過高的溫度會降低軸承等部件的潤滑油黏度，致使油膜破碎，振動加劇。

(2) 對于深井和超深井作業(yè)，需要直驅電機提供更高的功率，更高的功率意味著電機的體積更大，繞組線圈更多，發(fā)熱問題更嚴重，電機的成本更高。

(3) 直驅鉆井設備的電機與本體的一體化能最大程度地減小設備的體積和質量，但鉆井泵、絞車、頂驅和轉盤的一體化直驅電機形式多樣，相互之間不能通用，一體化電機難以形成批量訂單，不易找到電機制造廠商合作且定制價格高。

4 發(fā)展趨勢及建議

我國已具備系列化且擁有自主知識產權的電機直驅鉆井裝備。為適應深海、陸地深層復雜地質條件能源勘探開發(fā)需求，以及“節(jié)能、減排、降本、增效”綠色發(fā)展的新要求，大功率、綠色節(jié)能、快速運移、自動化及智能化是電動直驅鉆機的必然發(fā)展方向。實現上述目標，需要電機直驅鉆井裝備具備體積小、功率大以及易拆裝等特性。

電動鉆機電機直驅裝備的發(fā)展與大功率電機及電機控制技術密不可分。鑒于此，筆者總結了以下4點建議。

(1)研制大功率、大扭矩的交流變頻電機及永磁同步電機，以適應深海、深地油氣勘探開發(fā)。應用高強度換熱材料，減小電機尺寸和質量，增強電機散熱能力。

(2)絞車、鉆井泵、頂驅和轉盤的直驅電機一體化、模塊化設計，配置運行狀態(tài)監(jiān)控模塊，集成電機控制系統(tǒng)與鉆機控制系統(tǒng)，提高鉆機自動化和智能化水平。

(3)研制低成本大馬力液壓直驅裝備。利用液壓站統(tǒng)一供油，液壓站與鉆井平臺獨立布置，拓寬鉆臺空間。

(4)發(fā)展石油鉆機專用電機配套產業(yè)，加強鉆機設備制造商與特種電機制造商協(xié)作，開發(fā)系列化鉆井裝備用直驅電機。