電動(dòng)鉆機(jī)司鉆房電氣控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)

劉肖

摘 要：電氣控制系統(tǒng)是電動(dòng)鉆機(jī)的動(dòng)力源和自動(dòng)控制中心。屬于石油鉆井裝備中最關(guān)鍵的設(shè)備。它不僅為鉆機(jī)提供全套高品質(zhì)動(dòng)力能源，而且是整臺(tái)鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的精神中樞。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)鉆機(jī)；絞車控制；轉(zhuǎn)盤控制；電氣控制

一、石油鉆機(jī)的概述

現(xiàn)代石油鉆機(jī)是一套龐大的聯(lián)合機(jī)組，包括內(nèi)容廣，涉及的種類多，它隨著鉆井方法、鉆井技術(shù)的發(fā)展而不斷的發(fā)生變化和完善。本章首先介紹石油鉆機(jī)的要求及鉆機(jī)的組成和原理，然后介紹石油鉆機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

（一）鉆井工藝對(duì)鉆機(jī)的要求

鉆井工藝對(duì)機(jī)械設(shè)備的基本要求有以下幾個(gè)方面：

1、要有足夠起升功率：即有足夠的起重能力，保證起得動(dòng)，起得快。

2、要有旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的能力：要求能為鉆具提供一定的鉆速和扭矩，并保持一定的鉆壓。

3、要有清除巖屑的能力：要求能提供具有一定壓力和流量的鉆井液，有效的沖洗井底，并將巖屑攜帶出井外。

此外，鉆機(jī)要適應(yīng)不同地區(qū)的鉆井需要，如沙漠、沼澤、海洋等。同時(shí)因鉆機(jī)的流動(dòng)性大，要求設(shè)備容易安裝、拆卸和運(yùn)輸。鉆機(jī)的操作和維修工作必須簡(jiǎn)單易行，易損件便于更換。

（二）鉆機(jī)的組成

1、起升系統(tǒng)。起升系統(tǒng)在鉆井過程中的主要作用是起下鉆具、下套管、懸持鉆具和鉆頭送進(jìn)等。這套設(shè)備由鉆井絞車、輔助剎車、游動(dòng)系統(tǒng)和井架組成。

2、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在鉆井中的主要作用是帶動(dòng)井中鉆具旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)鉆頭破碎巖石。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括的主要設(shè)備有轉(zhuǎn)盤和水龍頭。

3、循環(huán)系統(tǒng)。循環(huán)系統(tǒng)在鉆井中的主要作用是循環(huán)鉆井液，使其及時(shí)清洗井底，攜帶走被鉆頭破碎的巖屑，保護(hù)井壁并冷卻鉆頭。其主要設(shè)備包括鉆井泵（在鉆井現(xiàn)場(chǎng)習(xí)慣稱為泥漿泵）、地面高壓管匯、鉆井液凈化及調(diào)配設(shè)備等。

上述3大系統(tǒng)設(shè)備是直接服務(wù)于鉆井生產(chǎn)的，是鉆機(jī)的3大工作機(jī)組。

4、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為了供應(yīng)3大工作機(jī)組及其它輔助機(jī)組（如空氣壓縮機(jī)）的動(dòng)力，鉆機(jī)必須配備動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備及其輔助裝置。這種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備可是內(nèi)燃機(jī)及其供油設(shè)備，也可以是交流電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)及其供電、保護(hù)、控制設(shè)備等。

5、傳動(dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是連接發(fā)動(dòng)機(jī)和工作機(jī)組，實(shí)現(xiàn)從驅(qū)動(dòng)設(shè)備到工作機(jī)組的能量傳遞、分配及運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)換。傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)包括減速、并車、轉(zhuǎn)向、倒轉(zhuǎn)及變速機(jī)構(gòu)等。

現(xiàn)代鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)除機(jī)械傳動(dòng)外，還有液力傳動(dòng)（液力耦合器、液力變矩器）、液壓傳動(dòng)、電傳動(dòng)等形式。

6、控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)顯示儀表。控制系統(tǒng)是鉆機(jī)自動(dòng)化程度高低的一個(gè)重要標(biāo)志，它的主要作用是指揮各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。常用的控制系統(tǒng)有機(jī)械控制、氣控制、液控制和電、氣、液聯(lián)合控制。

監(jiān)測(cè)顯示儀表的主要作用是記錄和顯示地面設(shè)備和井下設(shè)備的工況，為控制系統(tǒng)提供控制依據(jù)，常用的儀表有指重表、轉(zhuǎn)盤扭矩等。

7、鉆機(jī)底座。底座是鉆機(jī)組成部分之一。它包括鉆臺(tái)底座和機(jī)房底座，用以安裝鉆井設(shè)備，方便鉆井設(shè)備的移運(yùn)。鉆機(jī)底座用以安裝井架、轉(zhuǎn)盤，放置立根盒及必要的井口工具，多數(shù)還要安裝鉆井絞車，下方應(yīng)能容納必要的井口裝備。

8、輔助設(shè)備。為保證鉆井工作的順利運(yùn)行，鉆井設(shè)備一般都配有供氣設(shè)備（壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐）、輔助發(fā)電設(shè)備、井控設(shè)備、鉆鼠洞設(shè)備與輔助起重設(shè)備，在寒冷地帶鉆井時(shí)必須配備有保溫設(shè)備。

二、石油鉆機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望

（一）石油鉆機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于鉆機(jī)最早開始于20世紀(jì)50年代中期，隨后逐步完善和成熟。與機(jī)械驅(qū)動(dòng)相比，電驅(qū)動(dòng)具有調(diào)速特性好、經(jīng)濟(jì)性能高、可靠性強(qiáng)、故障率低、操作更安全、方便、靈活、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等一系列的優(yōu)越性。特別是全數(shù)字控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制性能更完善，可靠性更高，調(diào)整及更改功能更便捷，故障診斷及維修更方便。電驅(qū)動(dòng)還可以通過可編程控制器獲得很多機(jī)械驅(qū)動(dòng)所無法實(shí)現(xiàn)的功能，如順序操作和聯(lián)鎖功能等。

我國電動(dòng)鉆機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)70年代中期，本世紀(jì)80年代末，在借鑒國外先進(jìn)水平的前提下，生產(chǎn)出了我國第一臺(tái)直流驅(qū)動(dòng)的ZJ45D陸地自動(dòng)鉆機(jī)。并經(jīng)過十余年的技術(shù)儲(chǔ)備，我國開始了對(duì)全數(shù)字鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)的研究。近幾年將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于石油鉆井設(shè)備上，生產(chǎn)出了全數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)鉆機(jī)。

1、可控硅直流電驅(qū)動(dòng)（AC—SCR—DC）鉆機(jī)的控制構(gòu)成

可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier簡(jiǎn)稱SCR）。

2、交流變頻電驅(qū)動(dòng)（AC—VFD—AC）鉆機(jī)的控制構(gòu)成

變頻器（Variable Frequency Driver，簡(jiǎn)稱VFD） ，按變頻器分有無公共直流母線有以下兩類：

（1）變頻器無直流母線的交流變頻電驅(qū)動(dòng)形式

（2）變頻器無直流母線的交流變頻電驅(qū)動(dòng)形式

目前，國內(nèi)電動(dòng)鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)在控制技術(shù)上有模擬控制和數(shù)字控制兩種形式。驅(qū)動(dòng)方式上有直流驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)。電控裝置齊全，可滿足用戶的不同需求。在功能上增加了起、下鉆過程的位置閉環(huán)控制功能（即防止上碰下砸功能），外加盤式剎車的使用，由此既保證了設(shè)備的安全運(yùn)行，又減輕了司鉆的操作緊張程度；同時(shí)還增加了自動(dòng)送鉆功能，達(dá)到了恒速恒壓鉆井，以適應(yīng)不同巖層結(jié)構(gòu)，提高鉆井質(zhì)量。

（二）石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)日新月異，在提高鉆井效率、降低鉆井成本的技術(shù)要求不斷推動(dòng)下，電動(dòng)鉆機(jī)正朝著自動(dòng)化、智能化、高效應(yīng)性、高經(jīng)濟(jì)效益、高可靠性、大型化等方面發(fā)展。

為了進(jìn)一步開發(fā)更深地層的油氣資源，國外已經(jīng)研制出了特深井鉆機(jī)，鉆井深度可達(dá)15240m。由鉆機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)來看，電氣控制系統(tǒng)也將朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開放化和大功率方面發(fā)展。但具有里程碑意義的將是激光石油鉆機(jī)，美國芝加哥天然氣研究所（GRI）與麻省理工學(xué)院（MIT）等正在合作研制激光鉆井技術(shù)，這將可能突破現(xiàn)代鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展范疇。但目前電動(dòng)鉆機(jī)還是一個(gè)大的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

近20多年來，電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)獲得迅速發(fā)展。在海洋鉆井平臺(tái)上，近100%的鉆機(jī)更新為可控硅直流電驅(qū)動(dòng)；在陸上，從深井超深井鉆機(jī)開始，絕大部分更新為直流電驅(qū)動(dòng)，并已向中深和輕型鉆機(jī)、修井機(jī)發(fā)展。近10年來，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率變換器的高頻化和集成化，促使交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)日益顯示其更勝一籌的性能，交流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)必將取代直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。