淺談石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的最新發(fā)展

王施權(quán)，劉冰，鐘志偉

（1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830013；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，遼寧 盤錦 124010）

在世界經(jīng)濟的深入發(fā)展下，世界范圍內(nèi)各個國家對石油資源的需求日益增大，同時，在先進科學(xué)技術(shù)的支持下，石油開采技術(shù)也不斷增多，其中，鉆井技術(shù)是石油開采的主要技術(shù)形式，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)是石油開采的基礎(chǔ)電氣設(shè)備，在該系統(tǒng)設(shè)備的支持下能夠集合石油化工企業(yè)發(fā)展實際情況來調(diào)整系統(tǒng)運作轉(zhuǎn)矩、鉆壓和轉(zhuǎn)速。為此，本文結(jié)合石油化工企業(yè)發(fā)展實際情況，就石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計問題予以分析。

1 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)內(nèi)容

石油鉆機是石油資源開采的重要設(shè)備，石油鉆機性能優(yōu)劣直接關(guān)系到石油化工企業(yè)的油氣資源開采效率。在石油資源開采中，石油鉆機電動傳動系統(tǒng)是石油資源開采利用的重要電氣設(shè)備，也是石油資源合理化利用的重要技術(shù)力量支持，在石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的作用下，能夠根據(jù)所有企業(yè)現(xiàn)有資源情況來調(diào)整系統(tǒng)的運作速度。從石油資源開采工作發(fā)展實際情況來看，石油鉆機電氣傳動控制系統(tǒng)是影響設(shè)備應(yīng)用性能的重要因素，在處理不同巖石的時候，需要根據(jù)巖石的強度和硬度來確定鉆機設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度，因地制宜的調(diào)整鉆機的運轉(zhuǎn)速度，從而為石油資源開采提供更有力的支持。根據(jù)鉆探場地實際情況和鉆具參數(shù)來調(diào)整設(shè)備的轉(zhuǎn)速。在石油鉆井中，帶動鉆具破碎巖石，向地下鉆進，鉆出規(guī)定深度的井眼，供采油機或采氣機獲取石油或天然氣。石油開采鉆機電動傳動系統(tǒng)包含傳動機械設(shè)備、動力機、輔助設(shè)備共同組成，輔助性的還會牽扯到水龍頭、天車、鉆井泵、動力機械設(shè)備、聯(lián)動設(shè)備等。

在社會發(fā)展對油氣資源需求日益增多的背景下，石油開采鉆井深度加大，一些油井的深度甚至超過了15000m，在這樣的背景下，鉆定向斜井、水平井等鉆井方式和鉆井工藝陸續(xù)出現(xiàn)，在這些工藝支持下有效提升了石油化工企業(yè)的油氣資源開采能力，由此也對鉆井機械設(shè)備提出了更高的要求。

想要更好的適應(yīng)時代發(fā)展對石油鉆井機械的全新要求，需要相關(guān)人員立足社會發(fā)展對油氣資源的需要來實現(xiàn)對石油鉆機控制系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)，在石油鉆機系統(tǒng)中引入電氣傳動控制系統(tǒng)。

在系統(tǒng)構(gòu)成上，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)是石油鉆機的控制中心，具體劃分為傳動控制系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)電等模塊。石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)整合了多個先進的技術(shù)形式，在技術(shù)的支持下融合了多系統(tǒng)的功能，最終使得石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展顯示出了不可比擬的優(yōu)勢。

2 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

當前，國內(nèi)外的石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)處于一種相對成熟的狀態(tài)，國外有很多鉆機生產(chǎn)廠家，自主研發(fā)了石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)運作的先進技術(shù)，也在石油化工企業(yè)打造出了獨具自身特點的鉆機系統(tǒng)。石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的動力裝置和控制裝置擁有成套供貨廠家，其中，世界上主要的鉆機生產(chǎn)廠家集中在美國，生產(chǎn)的鉆機是世界上多數(shù)開采石油的國家引進的，也是當前石油機械重力獲得最多的、品種最齊全、系統(tǒng)最完善、功率最大的石油機械動力設(shè)備。

2.2 國內(nèi)石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

石油資源的合理化利用離不開石油鉆井技術(shù)的支持，在20世紀70年代中后期，我國石油開采工作開始發(fā)展，國家也為油氣資源的開采利用提供了足夠多的人力、物力和財力支持。在此支持下，為了能夠讓石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)更好地適應(yīng)國內(nèi)地質(zhì)條件，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)在建設(shè)的時候會注重引進國外的先進鉆機技術(shù)，并在多次試驗分析之后研發(fā)具有中國特色的新型石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)，在系統(tǒng)的支持下實現(xiàn)了我國石油開采的跨越式發(fā)展。我國獨立研發(fā)的各個型號的鉆機設(shè)備被廣泛的應(yīng)用到我國各個地質(zhì)條件的油田中，經(jīng)過時間的考驗，鉆機設(shè)備的安全屬性和性能水平得到了提升，在鉆機的支持下我國石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)也發(fā)展到一個新的高度水平。

3 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的電力驅(qū)動

3.1 交流電驅(qū)動

交流驅(qū)動是石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的早期驅(qū)動模式，后來在先進技術(shù)的支持下，大功率變頻設(shè)備開始被人們廣泛的應(yīng)用到石油開采領(lǐng)域，具體劃分為異步式交流電動機和同步式交流電動機。

石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)交流電動機的調(diào)速方式包含3種，分別是級別變動調(diào)速系統(tǒng)、級別明確的調(diào)配系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)。在系統(tǒng)運作的時候可以通過調(diào)節(jié)繞組的方式來調(diào)整電機子的數(shù)量，最終完成變級調(diào)速。在系統(tǒng)運作的時候可以根據(jù)繞線轉(zhuǎn)子的數(shù)量來在其中添加阻隔器，在多個阻隔器的作用下來實現(xiàn)對電動機運作的合理化調(diào)控。交流電動機可以通過可控硅變頻內(nèi)部設(shè)備來完成變頻調(diào)速控制，根據(jù)需要來調(diào)節(jié)電力的供應(yīng)，改變電流的性質(zhì)。在電流性質(zhì)被改變之后

交流電經(jīng)晶閘管的蒸流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可調(diào)控的直流電。借助逆變器會根據(jù)需要來調(diào)節(jié)逆變器設(shè)備中的電力資源。級別變動調(diào)速系統(tǒng)、級別明確的調(diào)配系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)的配合會為電力資源的高效率開采利用提供必要的基礎(chǔ)設(shè)備支持，由此充分提升各項資源的綜合利用率，促進整個系統(tǒng)的穩(wěn)定建設(shè)發(fā)展。

3.2 直流電力驅(qū)動

石油電驅(qū)動鉆井機會借助用于電磁力的通電導(dǎo)體來完成電力供應(yīng)。大型直流電動機械設(shè)備是支持石油資源開采利用的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備會圍繞定子套組來完成電力資源的使用和調(diào)配，之后使得導(dǎo)體生成穩(wěn)定的磁場，在電磁力的作用下實現(xiàn)通電導(dǎo)體的連續(xù)性供電。

在石油鉆機系統(tǒng)運作中，直流電動機的調(diào)速可以通過以下3個方式來實現(xiàn)。

（1）在勵磁場的電路系統(tǒng)中借助電阻力量去調(diào)節(jié)電動機系統(tǒng)中的主磁設(shè)備。串勵直流電動機會在勵磁圈的周圍并入電阻器，這個期間并入的可調(diào)節(jié)電阻器會出現(xiàn)無極調(diào)速性能，并入有極的電阻器會產(chǎn)生具有調(diào)級速的性能。

（2）在小型直流電動機的中樞系統(tǒng)中安排串聯(lián)電阻器，根據(jù)需要自主調(diào)節(jié)電流。

（3）借助可調(diào)控的直流電源來改變之前中樞線路系統(tǒng)中的輸入電壓。在實施操作的時候，可以調(diào)控的直流電源可以通過以下2個方式獲取，一個是通過觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通角來將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢哉{(diào)控的直流電。另外一個是使用直流發(fā)電機完成發(fā)電。

在直流系統(tǒng)完成直流電的整流之后，系統(tǒng)的功率因素會降低，開采場地也不再有專門的設(shè)備來完成功率補償。在這樣的情況下會使得大小一樣的直流系統(tǒng) 鉆機發(fā)電機組設(shè)備容量增大。為了彌補這個問題，需要強化對技術(shù)的補救研發(fā)，在現(xiàn)場無功補償裝置的作用下加入持續(xù)性的調(diào)控系統(tǒng)和快速反應(yīng)系統(tǒng)，最終充分體現(xiàn)供電系統(tǒng)的功率因素。

4 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般情況下，電力是電力驅(qū)動石油機的重要動力，在系統(tǒng)運作的時候，動力控制系統(tǒng)會被直接接入到600V的電網(wǎng)中，在多個發(fā)電機組的配合下來完成信息傳遞。

在具體實施操作上，動力控制系統(tǒng)負責石油鉆機設(shè)備鉆洞速度控制、電壓控制、做功控制、功率限制、繼電維護等工作。在此期間，為了能夠保證系統(tǒng)控制的精準度，動力控制系統(tǒng)需要在以往的基礎(chǔ)上采取更為完善的軟硬件控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)打造好之后利用現(xiàn)場總線技術(shù)形式來實現(xiàn)分布控制，同時各個模塊單元還需要設(shè)置通信接口，在通信接口的作用下來實現(xiàn)對各個模塊單元的精準控制，在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障的時候及時采取措施予以處理。

從石油鉆機的動力控制系統(tǒng)來看，不管是動力發(fā)電機組還是直接接入到工業(yè)電網(wǎng)，都會向交流母排輸出交流電，之后在驅(qū)動系統(tǒng)矢量裝置的作用下控制交流變頻調(diào)速裝置。考慮到動力系統(tǒng)對石油鉆機工作效率的影響，需要在動力系統(tǒng)中引入現(xiàn)場總線技術(shù)形式。在現(xiàn)場總線技術(shù)的支持下會對動力系統(tǒng)運行參數(shù)和運行故障進行全面的采集和分析。

5 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的控制方式

5.1 控制方式

從當前實際應(yīng)用情況來看，電驅(qū)動石油鉆機電氣傳動控制系統(tǒng)的樣式處于一種多元化的發(fā)展狀態(tài)。電驅(qū)動石油鉆機電氣傳動控制系統(tǒng)模式有的是一對一的，有的是一對二的，基本上不會出現(xiàn)一對多的情況。

一對一的連接控制模式體現(xiàn)在控制柜和電機的連接上，電機和控制單元柜的使用存在一對一的現(xiàn)象，彼此之間的運轉(zhuǎn)控制具有針對性。這個期間，其他的電機不會被影響。在這樣的背景下，電動鉆機內(nèi)部進需要配備和控制電機數(shù)量相同的控制柜，而且還需要為單獨轉(zhuǎn)盤配備轉(zhuǎn)動柜。一對二的控制模式具體是指由一臺控制柜來對兩個電機進行控制。一對二的控制模式會使用比較多的電機，控制柜內(nèi)部所需要處理的電流數(shù)量也會比一對一所需要處理的電流量多。

現(xiàn)階段，在石油鉆機系統(tǒng)常用的電氣傳動控制系統(tǒng)會靈活的選擇控制模式，即能夠在一對一、一對二的兩個控制模式中自由轉(zhuǎn)換，并通過電力切換的方式來對不同電機進行控制，最終提升電機控制的靈活性和適應(yīng)性。

5.2 控制對象

石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)串勵電動機的定子繞組和電樞繞組處于一種串聯(lián)的狀態(tài)，在不需要單獨安裝勵磁裝置的情況下就能夠?qū)崿F(xiàn)控制。

在電動機輸出功率增加的情況下，控制柜的負載電流也會隨之提升，由此會加大石油 鉆機傳動系統(tǒng)的功率，從而在真正意義上提升電機的功率，在真正意義上發(fā)揮出一對二控制模式的優(yōu)勢作用。

他勵電動控制機制適合應(yīng)用一對一的控制模式，電動機系統(tǒng)中偶氮勵磁性電流能夠?qū)崿F(xiàn)單獨供應(yīng)，石油鉆機系統(tǒng)中的電氣傳動系統(tǒng)會使用單獨的勵磁設(shè)備來完成供應(yīng)，轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)速度和電力樞紐會呈現(xiàn)出密切的關(guān)聯(lián)，電機轉(zhuǎn)動速度和電機輸出電壓數(shù)值呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。通過這樣的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)勵磁電流和電樞電流的高度統(tǒng)一，在石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)運作的時候還能夠維持電機負荷的平衡。

6 石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的未來發(fā)展

伴隨石油資源在各個國家發(fā)展地位的提升，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用得到了人們的關(guān)注，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)運作時的關(guān)聯(lián)技術(shù)也得到了進一步的發(fā)展。在國外，關(guān)于石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)的研究主要體現(xiàn)在石油開采鉆機型控制和系統(tǒng)控制上，即通過合理的石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)控制來達到節(jié)約原料和節(jié)省鉆井成本的目的。另外，在未來，提升油氣資源開采率、提高油田產(chǎn)量、延長產(chǎn)油時長是石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)未來發(fā)展方向。而從實際發(fā)展情況來看，石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)運作所遭受的環(huán)境影響比較明顯，單單憑借個人以往經(jīng)驗和能力是無法完成系統(tǒng)操作的。因此，需要石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)中引入更多先進的技術(shù)形式，在先進技術(shù)的支持下實現(xiàn)石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)更加方便、快捷和多元的發(fā)展，在智能化控制系統(tǒng)的支持下會實現(xiàn)對多個能源的交叉控制，在控制系統(tǒng)的作用下對石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)發(fā)電機組的能力、負荷需求、調(diào)度時間段、儲能裝置等電荷情況進行全面的控制，最終來提升電能調(diào)度的精準度。

7 結(jié)語

綜上所述，在石油鉆井中，帶動鉆具能夠?qū)Σ煌@石實施鉆破處理，在實施操作之后會獲得所需要的一系列資源?；谑豌@機構(gòu)成的復(fù)雜，為了能夠更好的發(fā)揮出各個系統(tǒng)設(shè)備在油氣資源開采利用中的作用，在新時期，需要石油開采和關(guān)聯(lián)技術(shù)人員立足實際來積極引進更為先進的技術(shù)形式去創(chuàng)新石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)，打造出完善化、系統(tǒng)化、全面化、自動化、智能化的石油鉆機電氣傳動軟硬件系統(tǒng)，在真正意義上實現(xiàn)石油鉆機電力驅(qū)動對石油鉆機機械驅(qū)動的替代，全面提升我國油氣資源的開采利用率。