摘要：本文介紹了風光牌變頻器在石油鉆機的應用。對鉆機工藝特點，變頻器控制方案做了簡要論述。

關鍵詞：風光牌變頻器 石油鉆機 應用

1 引言

石油鉆機是油田生產的最主要的設備之一，隨著鉆進井深的增加，鉆桿會越來越長，重量越來越重，每鉆進9m，須接換鉆桿一次，就要將鉆桿提升下放一次，絞車作業時間的比例越來越大；在鉆進的過程中，隨著所鉆進地質條件的變化，要相應調節鉆進的壓力和轉速，以提高鉆進速度和防止卡鉆的發生。因此對鉆機電氣傳動系統的性能有很高的要求。采用高性能交流變頻調速傳動是解決這一問題的最理想、最有效的途徑。

2 鉆井工藝簡介

鉆井過程分為起落井架，鉆進，泥漿循環，鉆具更換，下套管，測井等幾大工序。主要分為絞車，轉盤和泥漿泵等。絞車由滾筒、齒輪箱、離合器、制動器、電機和控制設備組成，用來起落井架，提升和下方鉆桿、套管。隨著井深的增加，鉆具越來越長，重量迅速加大，絞車的負載也越來越大。我國目前已有7000m深的油井，其鉆具近600t重。由于每轉進約 9m 就要提升下放鉆桿1次，因此絞車作業時間也隨著井深的增加而占整個作業時間的比例越來越大。為降低成本，希望在野外或海上的作業時間越短越好，這不僅要求絞車寧高速運行，平穩起停，以保證不損壞鉆井設備并提高井的質量，還要求驅動設備具有良好的動態特性。如果在內線井區作業，電源可與井區電網相連，下放鉆桿時電機工作在發電狀態，能量可回饋電網，節能效果顯著。

轉盤和絞車可共用同一套驅動系統和電機，鉆桿加長后，驅動部分切換到轉盤，由轉盤帶動鉆具旋轉，實施鉆進作業，司鉆工通過調節轉盤轉速和壓力來改變鉆進速度。轉盤正常工作時為正轉，處理卡鉆時需反轉以收回鉆頭，為防止鉆桿正轉時折斷或反轉時脫扣，要求電機輸出轉矩平穩，調節靈活且設定限幅值，同時電機的剎車部件也是必不可少的。

泥漿泵相當于整個鉆井設備的心臟，它所輸出的泥漿的作用類似于人體內的血液。泥漿從鉆桿內部自上而下注入，流過鉆頭后，再從鉆桿和井壁的縫隙自下而上流出，在這一過程中，泥漿協助鉆頭沖擊地殼，冷卻鉆頭，帶出碎屑，而更重要的是通過在泥漿中滲入重晶石粉等物質可保持井下一定的壓力，以避免井噴，象血液在人體內循環，運送營養，帶走廢物。泥漿泵的壓力和沖數分別與驅動電機的輸出轉矩和速度成正比。

3風光變頻器在石油鉆機上的應用

3.1絞車用變頻器

大慶市石油管理局井下鉆井公司有一套可打3000m深度的鉆井設備。該設備控制系統主要包括三大部分：動力系統（由2×500kW柴油發電機組構成，2臺機組并網于3相，380V/50Hz交流母線）；泥漿循環系統；鉆井傳動系統（包括1套500kW電機轉盤和絞車驅動系統、4臺45kW液壓泵等）。針對原控制系統存在工作效率低，操作復雜等諸多問題，新風光電子公司配合大慶市石油管理局井下鉆井公司對該油田鉆機絞車進行了變頻改造。

鉆機絞車用變頻器系統組成框圖如圖1示。

圖1鉆機絞車用變頻器系統組成框圖

3.1.1絞車用變頻器系統組成

該系統包括四部分∶

(1)進線開關柜

開關柜的主要功能是負責設備供電、變頻器外圍設備的過電流保護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

變頻器由兩個交-直-交逆變單元組成，采用單元并聯技術，增大了變頻器容量；采用公共直流母排方案;采用獨特的吸收電路，減小了di/dt，保護了功率模塊，增大了安全系數。

(3)制動單元

該部分主要負責系統快速停機時，耗掉系統的慣性能量，內含剎車電阻和剎車控制系統，采用芯片自處理技術控制剎車界限,安全可靠。因為鉆具提升下放中，電動機有發電狀態，造成變頻器母線電壓升高，對主電路器件安全造成威脅，所以需要外加能耗制動單元，將母線電壓保持在安全范圍以內。當母線電壓高于設定值時，剎車控制芯片輸出占空比隨母線電壓成線性變化的PWM信號，這就使剎車比較平穩，傳動系統沒有沖擊，延長了設備壽命。

(4)遠程系統

該部分主要實現變頻系統的遠控操作和監控以及提供對外部進行數據交換的接口。

3.1.2絞車用變頻系統主要技術指標

3.2 泥漿泵用變頻器

2007年5月，勝利渤海鉆井公司選用新風光電子公司變頻器型號為JD-BP33-1200Z用在90變頻電鉆機（可打9000m深鉆井）的泥漿泵上。泥漿泵供電系統組成框圖如圖2示。

圖2 F-1600泥漿泵供電系統圖

（1）變頻調速異步電動機參數

（2）泥漿泵用變頻系統主要技術指標

4風光石油鉆機專用變頻器主要技術性能

（1）矢量控制技術

風光石油鉆機專用變頻器采用矢量控制技術，通過測量和控制交流電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對交流電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制交流電動機轉矩的目的。啟動轉矩大，轉矩動態響應快，調速精度高，帶負載能力強。

圖3 風光變頻器矢量控制框圖

（2）單元并聯技術

風光石油鉆機變頻器拖動的電機容量一般比較大，為了得到更大的功率輸出，變頻器采用多個變頻單元并聯輸出，如圖4所示。

圖4 多單元并聯接線圖

這種方法與功率器件直接并聯方式相比，采用同樣的器件，用單元并聯的方法可以得到比器件直接并聯更大的輸出。1200kW/600V變頻器采用八個變頻單元并聯輸出，各單元電流的差值在5%以下，均流系數為0.96。

（3）主電路拓撲技術

在PWM電壓型380V級變頻器中，采用兩電平電路。若用兩電平電路實現600V的輸出，勢必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯結構，由于器件串聯動態均壓問題不易解決，應盡量避免。在1200kW/600V變頻器中，逆變電路部分采用三電平電路或稱中點箝位(NeturalPointClamped—Npc)方式，如圖5所示，它不但能輸出較高電壓，而且能降低輸出諧波和電壓變化率（dv/dt）。三相輸入電壓經全波整流后由兩組大電容器相串聯組成濾波器，兩組電容器的連接點即本電路的中心點（三電平的中間電平）。

圖5 三電平逆變電路拓撲結構

其輸出波形為具有五個電平的三相SPWM波，即寬度按正弦規律分布的矩形脈沖波。這種波直接送給電動機，由于電機是感性負載，所以能獲得近似的正弦波形。因此對電機和電纜無特殊要求，可直接用于普通異步電動機。三電平逆變電路輸出波形如圖6所示。

圖6 三電平逆變電路輸出波形

（4）靈活的PLC控制方式

風光石油鉆機變頻器內置PLC，易于改變控制邏輯關系，可靈活選擇現場控制和遠程控制，即可以從司鉆房操作，也可以從MCC房變頻器側操作。同時，PLC預留一路通訊接口，可與上位機（商用PC機）進行通訊，可對變頻器進行全部操作，包括參數設定、功能設定、運行操作、故障報警等等。

（5）具備完善的保護功能

風光石油鉆機變頻器具有短路、過流、過壓、欠壓、過載、缺相、溫升、失速等多種保護，提高了整機的安全性和可靠性。

5結束語

變頻鉆機不管在沙漠、平原、丘陵、山區、海洋等地區都有很強的適應性。目前風光變頻鉆機在30DB\40DB\50DB\70DB\90DB在多個鉆探公司得到了廣泛應用，新風光電子公司石油鉆機專用變頻器在土耳其、蘇丹、蒙古、哈沙克斯坦等國都使用效果良好。交流變頻電驅動鉆機是現代高新技術與石油鉆井機械的有機結合，這種鉆機在滿足石油鉆井工藝要求方面與現有機械驅動鉆機和直流電驅動鉆機相比，具有無可比擬的優越性能。是今后石油鉆機的發展趨勢。

參考文獻

新風光電子使用手冊[Z] 新風光電子科技股份有限公司。

作者簡介：

田利潤 男，技術支持工程師，供職于新風光電子科技股份有限公司。