交流變頻電驅動鉆機

石文明

摘 要：交流變頻電驅動鉆機（AC—VFD—AC）是由國外新發展起來的一種先進的電動石油鉆機，這種鉆機與傳統機械驅動鉆機和直流驅動鉆機相比具有較多優越性能。分析了交流變頻電驅動鉆機的原理，分類以及特點，介紹了該裝備當前的發展現狀，對起升系統和自動送鉆系統進行了研究，對未來交流變頻電驅動鉆機在國內的發展提出了建議和展望。

關鍵詞：電驅動鉆機;工作原理;起升系統;自動送鉆系統

1 前言

石油工業鉆機的水平是一個國家工業能力的體現，經過多年的探索和研究，我國在該領域內取得了一定的成果和發展，例如由我國研制的鉆井深度達1.2萬米的陸地石油鉆機、海洋石油981深水半潛式鉆井平臺、適合122米海深的自動升降海上石油鉆井平臺、容量可達30萬噸的浮式儲油輪以及大型天然氣（LNG）壓縮管運輸船等。近年來，相關電子行業和計算技術得到了長足的發展，交流變頻動力系統開始成為工業領域應用的標志性技術，隨著該項技術的迅猛發展，脈寬調制技術、矢量控制技術、可自關斷全控技術、電機控制技術、以及直接力矩控制技術得到大量應用，使得交流變頻調速性能完全能滿足石油鉆井工藝對鉆井驅動傳輸系統調速性能的要求。

2 交流變頻電驅動鉆機分類及其工作原理

交流變頻鉆機通過采用PWN技術和矢量技術進行變頻控制，其原理是通過整流技術把油田電網供電工頻變成直流，然后進行逆變變成可調的交流，如圖1所示。通過應用可關斷全控技術，由于可關斷器件不需要輔助換流電路、全控器件開關頻率高、可信度高、驅動電路容易實現等優越性能，避免了以往容易形成逆變電路等相關問題。通過采用PWN技術可以使電機脈動力矩減小，諧波份量減少，進而滿足了供電要求。除此之外，PWM技術在調節頻率的同時，通過控制輸出電壓脈沖的寬度，調節輸出交流電壓的幅值，實現在逆變橋同時調節輸出頻率及電壓。矢量控制技術通過對三相電機的3/2變換把三相的量，解耦成類似直流電機的勵磁分量及轉矩分量，并對其量獨立控制，再經過2/3變換成交流供電的三相量來控制電機，保證了力矩控制的線性關系，從而達到直流電機的控制特性。圖1所示為變頻器工作的主電路原理圖。

3 交流變頻電驅動鉆機起升系統

起升系統是鉆機的主要機組之一，它是一個復雜的機械振動系統。鉆機起升系統是指柴油機―減速器―離合器―滾筒―鋼絲繩―井架―天車―游車―大鉤―鉆柱。鉆機的起升系統是鉆機的核心，它的工作性能直接影響到整個鉆機的工作性能。交流變頻電驅動鉆機與傳統機械驅動鉆機的起升系統相比，它的起升系統中絞車采用的是電機驅動方式，不是傳統機械驅動鉆機通過柴油機和鏈條傳動箱傳動方式。鉆機在起下鉆的初始運動階段，隨著加速的作用對鉆柱的沖擊同時所伴隨的振動是十分突出的。基于交流變頻電驅動鉆機的特性，電機可以安裝在鉆井平臺上，其傳動效率以及動力特性相較傳統機械驅動鉆機有很大的優勢。通過相關研究發現，交流變頻電驅動鉆機在起升過程中存在一定的動載，而且動載系數隨著起升條件的改變而改變。

4 交流變頻電驅動鉆機自動送鉆技術

目前世界上最先進的鉆井設備基本是由美國相關的公司設計制造的，Varco公司生產了采用交流變頻技術的絞車，其最大額定功率5300kW在同類產品中屈指可數，自動送鉆系統工作原理如圖2所示，國內通過引進和借鑒國外的先進經驗，在全數字交流鉆機研制方面也取得了較大的成果。隨著人工智能在能源領域的不斷發展，未來如何大規模，集中式的對幾百臺自動送鉆系統進行控制。實現智能化、網絡化的自動送鉆群控系統將成為主要的研究目標。同時可以對鉆井過程中得到的一些數據整理為相關數據庫，進而進行相關的深度學習。

5 結論和建議

交流變頻電驅動鉆機優越的控制及操作性能，尤其是等功率調速與能耗制動非常適合絞車工況要求，在起升系統以及自動送鉆技術方面展現出明顯的優勢，勢必成為將來石油鉆機發展的趨勢，因此我國應當結合目前的人工智能技術，著眼未來優先布局交流變頻電驅動鉆機的快速發展，在該領域搶占國際市場的制高點。

參考文獻

[1]王煥宇. 交流變頻石油鉆井自動鉆進的模糊PID控制研究[D].蘭州理工大學，2018.

[2]朱益飛. 單軸電驅動變頻鉆機在油田的應用[J]. 變頻器世界， 2018，（08）：108-110.

[3]董懷榮， 王聯合， 李海營， 等. 交流變頻電驅動鉆機起升系統的模擬[J]. 石油鉆探技術， 2009，37（3）：69-72.

[4]輕型平臺鉆機電力系統變頻技術及鉆井智能化操作[J]. 中國海洋平臺， 2010，25（6）：47-51.