稀土永磁電控技術(shù)在深孔鉆機(jī)的應(yīng)用

田 炯，劉家榮

(1.河北冀勘工程機(jī)械有限公司，石家莊 051530；2.北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 稀土永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)

稀土永磁電機(jī)是20世紀(jì)70年代初期出現(xiàn)的一種新型永磁電機(jī)，其電機(jī)轉(zhuǎn)子是釹鐵硼稀土永磁體，不需要?jiǎng)?lì)磁線圈。稀土永磁電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合遍及工程裝備、交通運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電、泵類、石油化工、采礦、航空、航海、航天、兵器等各個(gè)領(lǐng)域?！爸袊?guó)制造2025”列出的十大重點(diǎn)領(lǐng)域中有七個(gè)領(lǐng)域提出了對(duì)稀土永磁電機(jī)的要求[1-2]，“節(jié)能工程”的重點(diǎn)之一是推廣應(yīng)用稀土永磁電機(jī)。稀土永磁電機(jī)具有節(jié)能、體積小、高效率、低噪聲、維護(hù)維修成本低的優(yōu)點(diǎn)[3-4]，基于上述優(yōu)點(diǎn)，從2011年起，我們將稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)應(yīng)用于3000～7000 m鉆機(jī)中[5]。

2 永磁直驅(qū)鉆機(jī)(絞車)的技術(shù)特點(diǎn)

普通鉆機(jī)傳動(dòng)鏈比較復(fù)雜，使用時(shí)需經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)，永磁直驅(qū)鉆機(jī)直驅(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸直接驅(qū)動(dòng)絞車滾筒回轉(zhuǎn)，傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單，材料節(jié)省20%～30%。

總體來說，永磁直驅(qū)鉆機(jī)與傳統(tǒng)鉆機(jī)相比有以下特點(diǎn)：①鉆機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，相互間沒有尺寸鏈約束，組裝拆卸簡(jiǎn)便，可配套使用；②鉆機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提下鉆、送鉆均由同一套永磁電機(jī)完成；③操作簡(jiǎn)單、重量輕、運(yùn)輸成本低，絞車和頂驅(qū)由稀土永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無齒輪傳動(dòng)；④可恒速、恒壓自動(dòng)送鉆，節(jié)能環(huán)保，省電20%～30%；⑤無需盤剎和帶剎、輪轂制動(dòng)，采用能耗制動(dòng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無摩擦剎車、任意位置懸停功能；⑥司鉆作業(yè)自動(dòng)化，自動(dòng)參數(shù)記錄和監(jiān)測(cè)，電控系統(tǒng)可方便地對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造(如以后加裝頂驅(qū)、鐵鉆工及鐵架子工等)，人機(jī)交互界面友好舒適。

表1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)形式及性能對(duì)比

3 永磁直驅(qū)鉆機(jī)控制部分特點(diǎn)

3.1 鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)與負(fù)載率直接相關(guān)。當(dāng)負(fù)載率低于50%時(shí)，其效率和功率因數(shù)會(huì)急劇下降，異步電機(jī)在負(fù)載率低時(shí)，其效率和功率因數(shù)非常低；當(dāng)輸出功率不到額定功率的10%時(shí)，異步電機(jī)的效率不到40%，功率因數(shù)不到20%。地質(zhì)鉆機(jī)在大多數(shù)工況下負(fù)載率不足20%，導(dǎo)致普通電動(dòng)鉆機(jī)的提下鉆和送鉆由兩套電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)完成，兩套電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)功率相差20倍以上。因此：

(1) 鉆機(jī)提升系統(tǒng)選擇永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絞車滾筒，提下鉆和送鉆由一套電機(jī)系統(tǒng)完成，制動(dòng)方式采用能耗制動(dòng)+回饋電網(wǎng)(根據(jù)電網(wǎng)情況選用)，耗能低，易維護(hù)，見圖1。

圖1 永磁電機(jī)直驅(qū)絞車

(2) 鉆機(jī)泥漿泵采用永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，無級(jí)變速，耗能低，應(yīng)用便捷。

(3) 根據(jù)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的使用環(huán)境和特點(diǎn)，轉(zhuǎn)盤采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)濟(jì)劃算。

3.2 控制方式

主CPU采用國(guó)外知名品牌，通信網(wǎng)絡(luò)采用Profinet，采用一體化座椅加雙觸摸屏配置，完成鉆機(jī)的控制操作、數(shù)據(jù)記錄及實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的功能。

采用集成式司鉆控制座椅司鉆可以完成所有鉆井設(shè)備的控制和監(jiān)控，以舒適的工作環(huán)境、簡(jiǎn)潔的操作界面和人性化的操作方式將司鉆從緊張、繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，使司鉆專注于鉆進(jìn)參數(shù)的變化與調(diào)控，有效地保證了鉆井的安全，提高了生產(chǎn)效率。

上位機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，下位機(jī)采用Profibus-DP和Moudbus等通信，二者之間通過網(wǎng)關(guān)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。座椅集成了視頻監(jiān)控和對(duì)講系統(tǒng)，使鉆機(jī)的操作更符合人體工程學(xué)的原理，確保了司鉆與外部的可靠溝通。

3.3 控制對(duì)象

PLC主要實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，包括絞車控制、轉(zhuǎn)盤控制及液壓站控制等，采集鉆機(jī)系統(tǒng)的鉆井參數(shù)，包括懸重、鉆壓、立管壓力、回轉(zhuǎn)扭矩、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、鉤速、送鉆速度、游車高度以及各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和電氣參數(shù)等。

3.4 調(diào)試電氣

(1)司鉆臺(tái)控制電機(jī)系統(tǒng)主動(dòng)力電纜連接開關(guān)和交流電抗器，其中兩臺(tái)伺服器控制同軸連接的絞車電機(jī)，為了保證同軸連接的兩臺(tái)絞車電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒時(shí)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩同步性，使用了光纖同步技術(shù)。

(2)設(shè)計(jì)的核心邏輯控制系統(tǒng)軟件程序用西門子PLC，通過總線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻器與PLC之間的信息交換與控制。

(3)移動(dòng)控制VFD房集裝箱內(nèi)設(shè)GGD電源柜、變頻器柜、主控制柜，同時(shí)配備空調(diào)、照明等附屬設(shè)備。司鉆房?jī)?nèi)裝工控機(jī)和操控系統(tǒng)及顯示屏。

(4)實(shí)現(xiàn)絞車電機(jī)定子溫度的傳感與顯示，回轉(zhuǎn)和絞車速度、扭矩的傳感與顯示，絞車死繩端拉力、鉆具提離孔底大鉤負(fù)荷、鉆壓的傳感與顯示，大鉤高度的傳感與顯示。

(5)系統(tǒng)同時(shí)提供機(jī)械手柄及按鈕式操作的傳統(tǒng)操作方式，改變控制變量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制?，F(xiàn)場(chǎng)斷電時(shí)，顯示屏依然可工作30 min顯示數(shù)據(jù)，恢復(fù)供電時(shí)自動(dòng)重啟，控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)的信號(hào)線保證抗干擾。

(6)液壓盤式剎車由液壓動(dòng)力源、剎車盤、液壓控制部分、安裝在支架上的安全鉗(常閉)組、管路總成等組成。

3.5 自動(dòng)送鉆

自動(dòng)送鉆系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、變頻器、懸重傳感器、速度傳感器、電機(jī)及絞車等組成。司鉆可根據(jù)鉆井參數(shù)要求設(shè)定鉆壓，自動(dòng)送鉆系統(tǒng)依據(jù)實(shí)際鉆壓的變化來控制實(shí)際送鉆速度。當(dāng)實(shí)際鉆壓小于設(shè)定鉆壓時(shí)，鉆進(jìn)速度持續(xù)增加到設(shè)定鉆進(jìn)速度，當(dāng)實(shí)際鉆壓大于設(shè)定鉆壓時(shí)，絞車快速反轉(zhuǎn)，直到實(shí)際鉆壓與設(shè)定鉆壓的差值在設(shè)定范圍內(nèi)。自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的硬件部分主要由信號(hào)檢測(cè)變送單元、控制單元、變頻器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元和上位機(jī)監(jiān)控單元等構(gòu)成，如圖2～圖5所示。

圖2 變頻自動(dòng)送鉆原理

圖3 司鉆主界面

圖4 絞車工作界面

圖5 轉(zhuǎn)盤工作界面

井下至地面無鉆壓信息直接傳遞，均為計(jì)算值，因此采用多輪組繩系的絞車鉆壓誤差范圍大。為了防止恒速送鉆過程中發(fā)生事故，采用了鉆壓保護(hù)、鉆進(jìn)扭矩保護(hù)以及操作絞車手柄時(shí)自動(dòng)送鉆失效三重保護(hù)。如若觸發(fā)保護(hù)條件，絞車懸停不再送鉆，并有相應(yīng)報(bào)警進(jìn)行提示。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 浙江臨安LC-1井(圖6)

圖6 永磁直驅(qū)鉆機(jī)在浙江臨安施工2328 m全孔取心頁巖氣孔

2015—2016年,成功研制的3000 m永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)應(yīng)用于浙江臨安頁巖氣勘查L(zhǎng)C-1井的全孔取心鉆探工程中[5]，0～1500 m為沉積巖，下部為花崗巖，完鉆井深2328 m。與相距20 km同類型的LC-2井施工鉆機(jī)相比，節(jié)約電能超過30%，鉆機(jī)自動(dòng)化水平及人機(jī)友好水平受鉆探一線好評(píng)。

4.2 廣東惠州惠熱1井(圖7)

圖7 永磁直驅(qū)鉆機(jī)在廣東惠州施工3009 m惠熱1井干熱巖井

2017～2018年，3000 m永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)應(yīng)用于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局承擔(dān)的國(guó)家惠熱1井地?zé)峋碧焦こ蹋赉@井深3009 m，地層為花崗巖，是廣東省最深地?zé)峋?，井口放噴溫度達(dá)127 ℃，進(jìn)一步驗(yàn)證了永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)的節(jié)能、可靠、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)，擁有巨大的推廣價(jià)值。

4.3 河北雄安D20井(圖8)

圖8 永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)在雄安新區(qū)施工3000 m地?zé)峋?/p>

2019年，利用永磁直驅(qū)技術(shù)成功研制的新一代4000 m永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)、固控設(shè)備系統(tǒng)和永磁直驅(qū)泥漿泵系統(tǒng)，應(yīng)用于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局雄安新區(qū)清潔能源評(píng)價(jià)調(diào)查項(xiàng)目D20井3000 m深的鉆探工作中，在類似的工況下，比周圍傳統(tǒng)鉆機(jī)施工同類井節(jié)能30%以上。

4.4 安徽淮南岳張集礦(圖9)

圖9 永磁直驅(qū)鉆機(jī)在安徽淮南岳張集礦施工

2021年,4000 m永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)服務(wù)安徽淮南岳張集礦東-1煤上采區(qū)灰?guī)r水害區(qū)域治理工程。工程30個(gè)近水平分支孔，鉆探工作量3萬多米，工期900天，垂直孔深1000 m，水平段1000 m。

圖10 司鉆控制房

截至2021年11月底，鉆進(jìn)進(jìn)尺10 000 m，90%的進(jìn)尺用恒壓自動(dòng)送鉆方式完成。與傳統(tǒng)鉆機(jī)相比，ZJ-40DBZ電動(dòng)變頻直驅(qū)鉆機(jī)在淮南礦區(qū)展現(xiàn)了明顯優(yōu)勢(shì)：操控簡(jiǎn)單、平均節(jié)省電能30%、精確送鉆、自動(dòng)化程度高等。鉆機(jī)絞車和主力泥漿泵采用節(jié)能的稀土永磁電機(jī)直驅(qū)，傳動(dòng)效率高，對(duì)井場(chǎng)的電力容量要求小于同類鉆機(jī)，節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)論

第四代永磁同步全數(shù)字直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)是可靠性高、能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜井況、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能的新一代鉆井設(shè)備，為世界首臺(tái)將稀土永磁變頻電機(jī)及精確控制技術(shù)成功應(yīng)用于深孔鉆探的設(shè)備。由傳統(tǒng)鉆機(jī)用普通電機(jī)或液壓馬達(dá)通過齒輪、鏈輪傳動(dòng)，發(fā)展為用低速、大扭矩、大功率稀土永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絞車和鉆具回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備間的無齒輪傳動(dòng)，簡(jiǎn)化了鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，減輕了鉆機(jī)重量，提高了傳動(dòng)效率，減少了使用維護(hù)成本，并可節(jié)約電能20%～30%。