電動鉆機司鉆房電氣控制系統的簡單設計

劉肖

摘 要：電氣控制系統是電動鉆機的動力源和自動控制中心。屬于石油鉆井裝備中最關鍵的設備。它不僅為鉆機提供全套高品質動力能源，而且是整臺鉆機運轉的精神中樞。

關鍵詞：電動鉆機；絞車控制；轉盤控制；電氣控制

一、石油鉆機的概述

現代石油鉆機是一套龐大的聯合機組，包括內容廣，涉及的種類多，它隨著鉆井方法、鉆井技術的發展而不斷的發生變化和完善。本章首先介紹石油鉆機的要求及鉆機的組成和原理，然后介紹石油鉆機的發展現狀和發展趨勢。

（一）鉆井工藝對鉆機的要求

鉆井工藝對機械設備的基本要求有以下幾個方面：

1、要有足夠起升功率：即有足夠的起重能力，保證起得動，起得快。

2、要有旋轉鉆進的能力：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，鉆機要適應不同地區的鉆井需要，如沙漠、沼澤、海洋等。同時因鉆機的流動性大，要求設備容易安裝、拆卸和運輸。鉆機的操作和維修工作必須簡單易行，易損件便于更換。

（二）鉆機的組成

1、起升系統。起升系統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等。這套設備由鉆井絞車、輔助剎車、游動系統和井架組成。

2、旋轉系統。旋轉系統在鉆井中的主要作用是帶動井中鉆具旋轉，并帶動鉆頭破碎巖石。旋轉系統包括的主要設備有轉盤和水龍頭。

3、循環系統。循環系統在鉆井中的主要作用是循環鉆井液，使其及時清洗井底，攜帶走被鉆頭破碎的巖屑，保護井壁并冷卻鉆頭。其主要設備包括鉆井泵（在鉆井現場習慣稱為泥漿泵）、地面高壓管匯、鉆井液凈化及調配設備等。

上述3大系統設備是直接服務于鉆井生產的，是鉆機的3大工作機組。

4、動力驅動系統。為了供應3大工作機組及其它輔助機組（如空氣壓縮機）的動力，鉆機必須配備動力驅動設備及其輔助裝置。這種動力驅動設備可是內燃機及其供油設備，也可以是交流電動機、直流電動機及其供電、保護、控制設備等。

5、傳動系統。傳動系統的作用是連接發動機和工作機組，實現從驅動設備到工作機組的能量傳遞、分配及運動方式的轉換。傳動系統應包括減速、并車、轉向、倒轉及變速機構等。

現代鉆機傳動系統除機械傳動外，還有液力傳動（液力耦合器、液力變矩器）、液壓傳動、電傳動等形式。

6、控制系統和監測顯示儀表。控制系統是鉆機自動化程度高低的一個重要標志，它的主要作用是指揮各系統的協調工作。常用的控制系統有機械控制、氣控制、液控制和電、氣、液聯合控制。

監測顯示儀表的主要作用是記錄和顯示地面設備和井下設備的工況，為控制系統提供控制依據，常用的儀表有指重表、轉盤扭矩等。

7、鉆機底座。底座是鉆機組成部分之一。它包括鉆臺底座和機房底座，用以安裝鉆井設備，方便鉆井設備的移運。鉆機底座用以安裝井架、轉盤，放置立根盒及必要的井口工具，多數還要安裝鉆井絞車，下方應能容納必要的井口裝備。

8、輔助設備。為保證鉆井工作的順利運行，鉆井設備一般都配有供氣設備（壓縮機、儲氣罐）、輔助發電設備、井控設備、鉆鼠洞設備與輔助起重設備，在寒冷地帶鉆井時必須配備有保溫設備。

二、石油鉆機的發展現狀和展望

（一）石油鉆機的發展現狀

電驅動應用于鉆機最早開始于20世紀50年代中期，隨后逐步完善和成熟。與機械驅動相比，電驅動具有調速特性好、經濟性能高、可靠性強、故障率低、操作更安全、方便、靈活、易于實現自動控制等一系列的優越性。特別是全數字控制系統的出現，使得電驅動控制系統控制性能更完善，可靠性更高，調整及更改功能更便捷，故障診斷及維修更方便。電驅動還可以通過可編程控制器獲得很多機械驅動所無法實現的功能，如順序操作和聯鎖功能等。

我國電動鉆機的電氣控制系統的研究始于20世紀70年代中期，本世紀80年代末，在借鑒國外先進水平的前提下，生產出了我國第一臺直流驅動的ZJ45D陸地自動鉆機。并經過十余年的技術儲備，我國開始了對全數字鉆機電氣控制系統的研究。近幾年將交流變頻調速技術應用于石油鉆井設備上，生產出了全數字交流驅動電動鉆機。

1、可控硅直流電驅動（AC—SCR—DC）鉆機的控制構成

可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier簡稱SCR）。

2、交流變頻電驅動（AC—VFD—AC）鉆機的控制構成

變頻器（Variable Frequency Driver，簡稱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動形式

（2）變頻器無直流母線的交流變頻電驅動形式

目前，國內電動鉆機電氣控制系統在控制技術上有模擬控制和數字控制兩種形式。驅動方式上有直流驅動和交流驅動。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，由此既保證了設備的安全運行，又減輕了司鉆的操作緊張程度；同時還增加了自動送鉆功能，達到了恒速恒壓鉆井，以適應不同巖層結構，提高鉆井質量。

（二）石油鉆機的發展趨勢

21世紀科學技術日新月異，在提高鉆井效率、降低鉆井成本的技術要求不斷推動下，電動鉆機正朝著自動化、智能化、高效應性、高經濟效益、高可靠性、大型化等方面發展。

為了進一步開發更深地層的油氣資源，國外已經研制出了特深井鉆機，鉆井深度可達15240m。由鉆機發展的趨勢來看，電氣控制系統也將朝著智能化、網絡化、開放化和大功率方面發展。但具有里程碑意義的將是激光石油鉆機，美國芝加哥天然氣研究所（GRI）與麻省理工學院（MIT）等正在合作研制激光鉆井技術，這將可能突破現代鉆機電氣控制系統的發展范疇。但目前電動鉆機還是一個大的發展方向和趨勢。

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