交流變頻電動鉆機電控系統的問題及解決

張加波

摘要：交流變頻電動鉆機不僅具有 SCR直流電驅動鉆機的優異性能，還有諸多顯而易見的優點，因此在油田推廣應用的力度越來越大，但由于國內交流變頻電動鉆機電控廠家電控系統設計和參數設定出現了一些新的問題，嚴重影響了鉆井生產。為滿足鉆井工藝對鉆機電控系統的特殊要求，交流變頻電動鉆機及其它變頻鉆機應從絞車電動機編碼器、轉盤制動、一體化鉆井儀表系統等方面入手解決。

關鍵詞：電動鉆機；電控系統

近幾年來，隨著交流變頻調速技術及現代控制理論的快速發展，交流變頻傳動應用于石油鉆機以替代 SCR直流電驅動鉆機已成為一種趨勢，交流變頻電動鉆機不僅具有 SCR直流電驅動鉆機的優異性能，還有諸多顯而易見的優點，因此在油田推廣應用的力度越來越大。但應用過程中，由于國內交流變頻電動鉆機電控廠家電控系統設計和參數設定出現了一些新的問題，如電控系統現場適用性差、性能不穩定等，嚴重影響了鉆井生產，對其可靠性、經濟性產生了置疑，對先進的交流變頻電動鉆機的推廣應用也越來越慎重。

一、電控系統主要存在的問題

1、由于絞車電動機未安裝編碼器，電控系統采用無編碼器矢量控制方式，司鉆操作手柄打至中位無法實現絞車懸停，出現大鉤緩慢向下游動現象，游動速度隨懸重增加而加快。而在較小懸重下雖能實現懸停，但游車緩慢減速后才停止運動，懸停制動時間超長，沒有起到精確制動作用，易發生上碰下砸情況。

2、由于常規轉盤采用氣胎離合器慣剎，如果井內鉆具發生嚴重阻卡，轉盤電動機便發生堵轉，若轉盤慣剎投入不及時，便容易產生倒開鉆具的事故。在取心鉆進時如遇礫石層等較硬地層，由于地層的沖擊，導致電動機轉速和扭矩不穩定，無法保證正常取芯作業，嚴重影響取芯收獲率。

3、一體化鉆井儀表存在諸多問題：大鉤高度、鉆壓、轉盤扭矩等參數顯示滯后、不準確； 隨鉆井工況變化需頻繁設置修改參數； 鉆井儀表對司鉆操作指導性差等。由于上述問題的存在，導致交流變頻電動鉆機在現場使用過程中溜鉆、頓鉆及倒開鉆具等事故發生，同時由于部分設計缺陷導致操作維護不便，嚴重影響了鉆井生產。

二、解決方案和完善措施

為滿足鉆井工藝對鉆機電控系統的特殊要求，交流變頻電動鉆機及其它變頻鉆機應從以下幾個方面入手解決：

1、絞車電動機能耗制動和懸停在電動鉆機使用過程中，司鉆操作無法實現控制手柄零位懸停功能，單電動機高速提升或下放懸重過大時，控制手柄零位懸停不住，出現溜鉆現象。而且出現游車緩慢向下游動現象，懸停制動響應時間超長，無精確制動效果，易發生上碰下砸情況，是潛在的安全隱患。究其原因，由于鉆機絞車電動機沒有安裝編碼器，系統采用無編碼器矢量控制方式， 無法準確檢測電動機轉速信號對電動機進行準確的能耗制動。不能保證低速時的大扭矩輸出，而且在外力作用下，該控制會由于檢測不到細微的速度變化而產生輕微轉動。

解決這一問題的關鍵是在絞車電動機上安裝編碼器，使變頻器工作在矢量閉環控制方式，實現懸停功能。我公司使用的40DB也存在這樣的問題，在懸重較大時出現游車緩慢向下游動現象，若安裝絞車電動機編碼器并優化了控制系統，該問題即可解決。

2、轉盤制動

多數電動鉆機采用氣胎離合器作為轉盤慣剎，如果井內鉆具發生阻卡，轉盤電動機便發生堵轉， 轉盤電動機扭矩限定閾值一般設定在 85%以下， 當堵轉扭矩超過設定閾值，堵轉時間超過限定時間， 變頻柜過載跳閘， 報 F015電動機堵轉故障。當轉盤慣剎投入不及時， 易造成倒開鉆具的事故； 即使轉盤慣剎投入及時，但由于慣剎采用氣胎式離合器，額定扭矩較小， 離合器仍然打滑， 無法防止轉盤倒轉。

此外，根據鉆井工藝要求， 在過載堵轉時保證電動機的轉矩最大， 使電動機在堵轉方式下工作，通過電動機與慣性剎車聯動工作，防止轉盤倒轉的發生，實現轉盤反扭矩在操作者的控制下釋放， 同時還應進一步優化系統參數。

3、一體化鉆井儀表系統

全數字交流變頻系統有很強的擴展和開發能力，同時一體化鉆井儀表的性價比較好，使得一體化鉆井儀表如神開、馬丁代克、PETRON儀表等代替常規儀表成為可能。但還存在如下問題：儀表參數顯示滯后、不準確；隨鉆井工況變化需頻繁設置修改參數；參數顯示只停留在數字顯示，使司鉆無法直觀判斷參數增減趨勢，進行相應的預防操作給定調整；對司鉆操作指導性差。為提高一體化鉆井儀表現場實用性，結合馬丁代克、PETRON儀表的優點，同時參考錄井儀表，該系統應在司鉆操作觸摸屏上顯示以下常規鉆井參數，并增加相應的曲線和趨勢畫面：①電子指重表；②懸重、鉆壓及趨勢畫面；③鉆頭深度；④井深；⑤鉆進速度；⑥噸公里；⑦每臺泵的泵沖程和沖次、總泵沖程、總沖次、排量；⑧出口流量百分比及曲線；⑨鉆井液罐循環鉆井液容量、儲備鉆井液容量；⑩轉盤轉速、扭矩、電流及轉速扭矩趨勢畫面，以及其它鉆井工程用衍生參數。

三、認識

國內鉆機電控系統集成商在交流變頻電動鉆機一體化控制系統的設計和成套方面，尤其在系統軟件和參數設置方面，沒有全局考慮，兼顧系統的可操作性、安全性和可靠性，還沒有形成完善統一的標準。為了將先進的交流變頻控制技術和一體化控制系統成功應用于石油鉆機，應不斷完善鉆機電控系統，統一一體化控制系統成套的硬件和軟件標準，并在系統的標準化方面開展工作， 使所生產的鉆機滿足鉆井工藝要求，充分體現以人為本，符合現代HSE管理要求，運行經濟可靠符合油田需要的先進、實用、經濟的鉆機。