摘要： 本文主要介紹 國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)專用變頻器的研制與應(yīng)用。首先簡(jiǎn)要分析國(guó)外變頻器在鉆機(jī)應(yīng)用中存在的缺點(diǎn)，并與國(guó)產(chǎn)變頻器做了比較，論述了變頻鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)；隨后解析原鉆機(jī)控制系統(tǒng)中 存在的問題 ，我們針對(duì)這種 狀況在大慶 市石油管理局井下鉆井公司的 配合下 對(duì)該油田鉆機(jī)進(jìn)行了變頻改造；隨后論述了該 系統(tǒng)的 技術(shù)改造方案?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，該 變頻系統(tǒng)性能好，可靠性高，操作方便，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了 改造的 預(yù)期效果。 我們相信變頻器在油田鉆機(jī)上的成功應(yīng)用將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿Α?br />
關(guān)鍵詞： 油田鉆機(jī) 變頻系統(tǒng)
Abstract: This article mainly introduce s the development and application of the domestic inverter whose the special-purpose is drilling .First briefly analyzes the shortcoming of the overseas inverter which exists in the drilling machine application, and make the comparison with the domestically produced inverter, then elaborates the frequency conversion drilling machine merit; afterwards analyzes the question which in the original drilling machine control system exists, we have carried on the frequency conversion transformation in view of this kind of condition under Daqing petroleum administrative bureau mine shaft well drilling company‘s coordination to this oil field drilling machine; finally elaborates this system technological transformations plan. The scene movement situation indicated that this frequency conversion system performance well, which the reliability is high and the ease of operation, its each target has achieved the transformation anticipated effect. We believed the inverter will be able to have the broad market and the development potential on oil field drilling machine successfully.
Key word: oil field drilling machine frequency conversion system
一、引言
油田鉆機(jī)是油井生產(chǎn)的最主要的設(shè)備之一，它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作效率直接關(guān)系到油井的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和成井率。 由于其鉆井工藝的特殊性，對(duì)鉆機(jī)電控設(shè)備要求特別苛刻，特別在變頻器選用上非常謹(jǐn)慎，一直是國(guó)外產(chǎn)品的天下。由于國(guó)外變頻器存在價(jià)格昂貴，調(diào)試周期長(zhǎng)，維修周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，油田上因變頻器故障卻得不到及時(shí)維修造成質(zhì)量事故的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。并且國(guó)外變頻器在結(jié)構(gòu)上采用變頻器并聯(lián)的形式，占地面積大，給井隊(duì)搬家?guī)聿槐匾穆闊Ｔ谶@種形式下，我們針對(duì)鉆機(jī)的特殊工況，自主研發(fā)了可替代進(jìn)口機(jī)的高性能國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)專用變頻器。該變頻器采用單元并聯(lián)，體積小，重量輕，便于安裝、維護(hù)，調(diào)試容易，效率高，性能穩(wěn)定。
變頻驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)較傳統(tǒng)鉆機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能，操作簡(jiǎn)單，無級(jí)調(diào)速，控制精度高，工作效率高。變頻技術(shù)在油田鉆機(jī)上的開發(fā)應(yīng)用，不僅提高了鉆機(jī)的水平，改善了鉆機(jī)的操作性能，更重要的是加強(qiáng)了鉆機(jī)的作業(yè)能力，提高了鉆井效率和質(zhì)量。
二、原油田鉆機(jī)系統(tǒng)存在的問題
大慶市石油管理局井下鉆井公司原有一套可打 3000 米深度的鉆井設(shè)備。該設(shè)備控制系統(tǒng)主要包括三大部分：動(dòng)力系統(tǒng)（由 2 × 500KW 柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成， 2 臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)于 3 相， 380V/50Hz 交流母線）；泥漿循環(huán)系統(tǒng)；鉆井傳動(dòng)系統(tǒng)（包括 1 套 500KW 電機(jī)轉(zhuǎn)盤和絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、 4 臺(tái) 45KW 電機(jī)如液壓泵等）。
該控制系統(tǒng)存在以下問題：
（1）司鉆工只有通過不斷更換五個(gè)檔位，才能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)壓力，進(jìn)而改變鉆進(jìn)速度，工作效率低。
（2） 每次 換檔時(shí) , 電動(dòng)機(jī)要反復(fù)啟停幾次 ,在起動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生過大的啟動(dòng)電流， 對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備造成沖擊 ,常因 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大而引起發(fā)電機(jī)組電壓下降，其他設(shè)備無法正常工作。
（3） 低速提升時(shí) , 只有更換低檔位才能達(dá)到低速控制要求 ,而 電動(dòng)機(jī)在鉆井過程中處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，浪費(fèi)了大量的電能。
針對(duì)原控制系統(tǒng)存在工作效率低，操作復(fù)雜等諸多問題，我們配合大慶市石油管理局井下鉆井公司對(duì)該油田鉆機(jī)進(jìn)行了變頻改造。
三、技術(shù)改造方案
鉆井傳動(dòng)系統(tǒng)是油田鉆機(jī)系統(tǒng)中必備的組成部分，一旦傳動(dòng)系統(tǒng)不能運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失（如卡鉆），還有可能威脅到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員的人身安全（如井噴），所以對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有極高的可靠性。 我公司是國(guó)內(nèi)最早研制變頻器的公司之一，具有低壓大功率變頻器多年成功運(yùn)行的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，且性價(jià)比高。根據(jù) “經(jīng)濟(jì)、高效、可靠”的原則， 大慶市石油管理局井下鉆井公司選擇了我公司生產(chǎn)的 JD - BP32 - 500 型 （ 500KW/380V ）鉆機(jī)專用 變頻器，該 鉆機(jī)專用 變頻器配備了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上一級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，液晶觸摸操作，可對(duì)各種運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，具備完善的保護(hù)功能和定位監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高。
1 ．鉆機(jī)專用 變頻器系統(tǒng)組成框圖
該系統(tǒng)組成框圖如圖 1 示：
K 萬能斷路器
C 交流接觸器
M 絞車電機(jī)
2 ．鉆機(jī)專用 變頻器系統(tǒng)介紹
該系統(tǒng)包括四部分 ∶
（1）進(jìn)線開關(guān)柜∶
開關(guān)柜的主要功能是負(fù)責(zé)設(shè)備供電、變頻器外圍設(shè)備的過電流保護(hù)以及變頻器控制電源的濾波。主要由萬能斷路器、交流接觸器和控制電源的濾波組成。
（2） 變頻柜 ∶
變頻器由兩個(gè)交 - 直 - 交逆變單元組成，采用單元并聯(lián)技術(shù)，增大了變頻器容量；采用公共直流母排方案，共用電容器組，增大了電容器容量；采用獨(dú)特的吸收電路 （ 如圖 2 所示 ） ，減小了 di/dt, 保護(hù)了功率模塊，增大了安全系數(shù)。
因鉆機(jī)工況的特殊性，當(dāng)鉆機(jī)遇到巖石等硬質(zhì)層時(shí)，電流會(huì)在瞬間升高很大，產(chǎn)生對(duì)模塊的直接沖擊，長(zhǎng)此工作之后，會(huì)造成模塊應(yīng)力的下降，為提高模塊的使用壽命，采用了傳感器取樣和 IGBT 結(jié)壓降保護(hù)相結(jié)合的雙重保護(hù)，從而減少了特殊情況下對(duì)模塊的極限沖擊，即使輸出間直接短路模塊也能在 10us 內(nèi)及時(shí)封鎖輸出 , 保護(hù)了變頻器 , 提高了整機(jī)的安全性和使用壽命。吸收電路如圖2所示。
U+：正母線 U-：負(fù)母線 IGBT： 功率模塊 R： 電阻 D：快恢復(fù)二極管 C：電容
3） 制動(dòng)單元 ∶
該部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)快速停機(jī)時(shí)，耗掉系統(tǒng)的慣性能量，內(nèi)含剎車電阻和剎車控制系統(tǒng)，采用芯片自處理技術(shù)控制剎車界限 , 安全可靠。
（4）遠(yuǎn)程系統(tǒng)：
該部分主要實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)的遠(yuǎn)控操作和監(jiān)控以及提供對(duì)外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。
3．系統(tǒng)主要控制功能
（1）電機(jī)啟動(dòng) / 停止
（2）電機(jī)正轉(zhuǎn) / 反轉(zhuǎn)
（3）變頻系統(tǒng)復(fù)位
（4）頻率調(diào)節(jié)
（5）電機(jī)電流電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示
（6）變頻器運(yùn)行指示
（7）變頻器故障指示
以上 7 點(diǎn)功能在工控機(jī)觸摸屏上均能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)能提供對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，留有 16 路數(shù)字輸入接口， 10 路數(shù)字輸出接口，同時(shí)留有一路 RS232 通訊接口，方便與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換。
4． 變頻系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo) :
額定功率 500KW
額定輸入電壓 380VAC 3 相
輸入電壓波動(dòng) ±20%
額定輸入頻率 50Hz
頻率波動(dòng) ±5%
額定輸出電壓 380VAC 3 相
額定輸出頻率 33 . 5Hz
額定輸出電流 940A
過載電流 1 . 5 倍電流 1 分鐘
輸出短路電流 2.0 倍電流立即保護(hù)
工作方式連續(xù)
最高輸出頻率 50Hz
5． 系統(tǒng)特殊性能：
石油鉆機(jī)專用變頻器與一般變頻器相比較，性能主要有以下不同點(diǎn)：
（1）變頻器能夠從 “零”開始調(diào)速，方便變速箱換檔，從而避免掛換檔時(shí)反復(fù)啟停電機(jī)的情況，即當(dāng)變頻器頻率低于 2 Hz時(shí)，此時(shí)電機(jī)無扭矩，處于自由狀態(tài)。
（2）當(dāng) 鉆井堵鉆時(shí)，變頻器能及時(shí)斷開電機(jī)，保護(hù)動(dòng)力設(shè)備，避免轉(zhuǎn)矩過大扭斷鉆具，因此變頻器設(shè)置了負(fù)載限制功能。
（3）在低速提升時(shí)，變頻器能最大限度的發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，提供 220% 轉(zhuǎn)矩 輸出。
四、應(yīng)用舉例：在取心井上的應(yīng)用
取心井，顧名思義是把巖心從井下取出，目的為研究地質(zhì)構(gòu)造和原油分布層次。由我公司生產(chǎn)的 JD-BP32-500 變頻器于 2004 年 6 月在大慶市井下鉆井大隊(duì) 30102 隊(duì)一口取心井安裝調(diào)試。此井設(shè)計(jì)井深 2130 米，自 1542 米到 1605 米下限為取心段，共取心 8 筒，收獲率均達(dá) 99% 以上。在正常打井時(shí)用二檔，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 280 轉(zhuǎn) / 分，變頻輸出電流在 200 — 800A 之間。提升時(shí)頻率為 7Hz 左右，最大提升電流不超過 1000A 。整個(gè)鉆井過程中電流變化如下表1：
鉆井過程中，減少了換檔次數(shù)，減少了大的啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)的沖擊，同時(shí)也減輕了司鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了整個(gè)井隊(duì)的工作效率。且低頻取心提升時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速只有 120 轉(zhuǎn) / 分，據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用變頻改造后，打一口井節(jié)省柴油 15t 。
五、改造效果
系統(tǒng)變頻運(yùn)行，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車。鉆機(jī)起停平穩(wěn)，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命和維修周期，避免了電機(jī)燒毀等經(jīng)濟(jì)損失，減少了維修費(fèi)用。系統(tǒng)采用過流、過壓、欠壓、短路、缺相、溫升、失速等多種保護(hù)，更加安全可靠。通過改造，減少了鉆機(jī)的作業(yè)時(shí)間，提高了鉆機(jī)的工作效率。本系統(tǒng)良好的驅(qū)動(dòng)性能，保護(hù)了鉆井設(shè)備并提高鉆井的質(zhì)量，用戶給予了很高的評(píng)價(jià)，經(jīng)過近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，該系統(tǒng)性能好，可靠性高，操作方便，達(dá)到了 改造的 預(yù)期效果。
六、結(jié)束語(yǔ)
在鉆機(jī)的更新改造中，就其控制系統(tǒng)方案而言，采用交流變頻驅(qū)動(dòng)，代表著鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。而變頻器具有的諸多優(yōu)點(diǎn)可大大提高油田鉆機(jī)的裝備水平。變頻器在油田鉆機(jī)上的應(yīng)用，有著廣闊的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
