Abstract: Improving the technical level of oilfield equipment, reducing the cost of oil production, and realizing the energy saving and consumption reduction of oil drilling system are important measures to cope with the persistent downturn in international oil prices. Shengli oil field after years of research and practice, successfully pure electric single axis electric driven variable frequency rig has been applied in oil drilling production, introduces the uniaxial electric field application principle, the advantages of variable frequency drive rig, and the application effect is assessed. The practice proved that, the pure electric single axis electric driven variable frequency rig in the energy-saving emission reduction, noise reduction, reducing the labor intensity of workers shows outstanding advantages, the successful application of new drilling in oil production, has a broad market prospect and development potential.

Key words: Single shaft; Electric drive; Variable frequency drilling rig; Oilfield; Application; Energy saving

【中图分类号】TE08 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）08-0000-00

1 引言

    电驱动交流变频钻机是国外新发展起来的一种先进的电动石油钻机。这种钻机在满足石油钻井工艺要求方面与传统机械驱动钻机和直流驱动钻机相比，具有很多优越性能[1]。它的核心技术就是采用交流变频调速技术，是现场高新技术与石油钻井机械的有机结合，具有强大的生命力，是当代石油钻井技术的发展趋势。近几年来，随着交流变频调速技术的迅猛发展，可自关断全控技术、脉宽调制技术、电机控制技术、矢量控制技术以及直接力矩控制技术得到大量应用，使得交流变频调速性能完全能满足石油钻井工艺对钻井驱动传输系统调速性能的要求[2]。胜利油田经过多年的研究实践，成功地将纯电动单轴电驱动变频钻机在油田钻井生产中得到应用，并取得良好的现场应用效果。

2 单轴电驱动变频钻机的工作原理

2.1 变频钻机的变频工作原理

    该变频钻机变频控制方式采用PWM技术和矢量控制技术。其变频工作原理是：为了能使油田电网供电工频输出后成为可变频率，通常采用整流技术，把工频经过整流变成直流，再通过逆变，把直流变成可调的交流。原来采用不可自关断的半控器件，需要强迫换流来实现逆变，而强迫换流需要辅助直流电源。用于换流的电源器件、电感和电容，造成逆变电路体积庞大、投资增大、换流损耗大、逆变效率低、可靠性差和由于半控器件开关频率低很难采用脉宽调制技术等问题。应用可关断全控技术以后，由于可关断器件不需要辅助换流电路、全控器件开关频率高、可靠性高、电压控制、驱动功率小、驱动电路容易实现等优越性能，克服了采用不可自关断半控器件造成逆变电路的一系列问题。PWM技术的应用，使电机脉动力矩减小，谐波份量减少，满足了交流电机的供电要求。另外，PWM技术在调节频率的同时，通过控制输出电压脉冲的宽度，调节输出交流电压的幅值，实现在逆变桥同时调节输出频率及电压。矢量控制技术通过对三相电机的3/2变换把三相的量，解耦成类似直流电机的励磁分量及转矩分量，并对其量独立控制，再经过2/3变换成交流供电的三相量来控制电机，保证了力矩控制的线性关系，从而达到直流电机的控制特性。附图为变频器工作的主电路原理图。

 

2.2 单轴电驱动变频钻机控制系统的工作原理

    该单轴电驱动变频钻机控制系统为分布式，其主控系统可以实时处理各种操作指令，监控各子系统的运行，及时处理故障，通过网络同各子系统进行数据交换，通过互联网完成同外界的信息交换。该钻机有以下各子系统：扭矩控制系统（顶驱或转盘控制系统）、刹车控制系统、平衡控制系统、游车控制系统、灌注控制系统、钻井泵及能量回馈控制系统等。各子系统同主控制系统共同实现高级控制策略。各子系统采用闭环控制系统，每个子系统具有智能化和自适应功能。各子系统通过各算法程序保证钻机在各种复杂工况下实现最佳工作，如扭矩控制系统的结构是：交流电机、交流变频器、可编程序控制器、光电编码器。当系统闭环后，该控制能保证钻具平稳，减少钻具振动（软扭矩控制），并能保证钻具在零转速下实现满转矩输出，同时实时与主控系统进行数据、指令、状态的传输，实现现场控制。当钻机的控制系统运行时，司钻能通过TV显示器了解各种参数的变化，并实时自检各系统的工作状态。当发生故障时，能及时报警，在报警的同时，能检测出发生故障的子系统及模块代码，并对故障同时进行智能分级处理。出现严重故障时，能自动启动辅助系统，保证钻机正常工作运行，同时，根据故障代码使系统快速恢复。

3 单轴电驱动变频钻机的优点

    该单轴电驱变频钻机与以往的双轴或三轴钻机相比，单轴电驱变频钻机采取无级变速方式，取消了大型齿轮减速箱和变速器，具有结构简单、易于操作、维护保养简单方便、控制精度强、钻机低转速大扭矩时稳定性高、系统效率高、噪音低、节能效果好、高精度、高可靠性、人工智能化、自动化和可控制等优点。其优点主要体现在以下几个方面：

（1）采用无级变速，调速度范围宽。钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调速度范围宽，能以极低的速度恒扭矩输出，对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、小钻井液排量作业、优选钻井参数作业十分有利。

    （2）扭矩大。可使电动机的短时增矩倍数达到1.15～2以上，大大提升了钻机的提升能力和事故处理能力。

    （3）钻机机械结构简单。由于具有恒功率宽调速特性，故可大大简化钻机的机械结构。

    （4）可靠性高。具有转盘扭矩限制功能，可有效防止钻具或机件扭断。

    （5）对电机具有良好的保护功能。交流变频调速技术对电动机具有良好的安全保护功能。

    （6）电机功率因数高。负载功率因数高，接近于1，具有软启动功能，可降低供电电源容量。

    （7）节能效果好。在带载运行情况下，可平稳启动、停止和调速；在下钻时，可实现对电网能量回馈，减少制动装置能量损失，节约能源。

    （8）易于操作管理。交流电机体积小，单机容量大，价格便宜，没有碳刷换向器，不需制成防爆型，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理。

    （9）自动化程度高，具有自适应控制功能。该钻机控制系统容易实现候机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制。

（10）易于安装、搬迁和安装。该钻机安装、拆卸、搬迁方便灵活。

4 现场应用情况

    由胜利油田研制开发的JC40DB-WZ纯电动单轴电驱动变频钻机在油田生产中得到广泛应用，已累计实现钻井102口，取得了良好2的现场应用效果。该电驱动变频钻机采用国产JD-BP32-500Z变频器所有部分装在配电柜内，不需要另外的电抗器、滤波器等设备装置，其变频装置具有体积小，结构紧凑，安装简单，现场配线少，调试周期短，投进生产快等特点， 变频器拖动电机选用石油钻机专用电动机YP2-355L-6BJ，电机运行平稳，启动时无冲击电流，无机械冲击，噪音较小。变频器采用WINDOWS界面，运行过程中，各种参数在界面上直接显示，也可以通过触摸屏进行操纵，轻易把握。故障发生时，变频器进行保护，同时提供故障信息，便于设备的维护。变频器自投运以来，转速调节平滑，电压和电流稳定，变频器功率因数达到0.95以上，具有良好的节能降耗效果。该钻机在正常打井时用二档，转盘转速在280转/分钟左右，变频输出电流在200A至800A之间。提升时频率为10Hz左右，最大提升电流不超过1000A。在整个钻井过程中，通过应用电驱动变频装置，减少了钻机的换档次数，减少了启动电流对电机的冲击，同时也减轻了司钻的劳动强度，提升了钻井的工作效率。

5 应用效果评价

    通过应用单轴电驱动变频钻机，实现了油田钻井技术的升级改造。该新型钻井采用纯电动单轴交流变频驱动，代表着钻机驱动技术的发展方向。钻机电控系统的变频运行，电机实现了软启动、软停机。钻机起停平稳，延长了电机的使用寿命，避免了电机在钻井过程中因电机过流烧坏而造成的经济损失，减少了钻井设备的故障率和维修维护费用。该新型钻机电控系统具有过流、过压、欠压、缺相、短路、温升、失速等多种保护功能，同时具有良好的驱动性能，提升了石油钻井设备的运行质量。经过近5年的现场生产应用表明，该新型钻机性能好，可靠性高，操作方便，完全能满足油田生产现场工作要求。

6 结束语

    交流变频电驱动钻机与传统机械钻机以及直流钻机相比，具有诸多优点，代表着钻机驱动技术的发展方向。实践证明，纯电动单轴电驱动变频钻机在节能减排、降噪、降低工人劳动强度方面显示出突出优势，该新型钻机在油田生产上的成功应用，对提升油田钻井装备质量具有十分重要的意义，且有着广阔的市场前景和发展潜力。

参考文献

[1]佟超伦.变频器绿色节能技术在石油钻机中的应用[J].中国石油和化工标准与质量,2012,32(5):112-113.

[2]孙庆祜,沈铁,闯家峰,刘伟,刘禹泰.浅谈石油钻机节能技术[J].科技资讯2011,9(25):191-192.

作者简介

朱益飞 高级工程师 研究方向为生产过程自动化专业