采用變頻器對油田鉆機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造

一、引言

鉆機(jī)（drill）是在地質(zhì)勘探中，帶動鉆具向地下鉆進(jìn)，獲取實(shí)物地質(zhì)資料的機(jī)械設(shè)備。又稱鉆探機(jī)。主要作用是帶動鉆具破碎孔底巖石，下入或提出在孔內(nèi)的鉆具 。 可用于鉆取巖心 、礦心、巖屑、氣態(tài)樣、液態(tài)樣等，以探明地下地質(zhì)和礦產(chǎn)資源等情況。油田鉆機(jī)是油井生產(chǎn)的最主要的設(shè)備之一，它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作效率直接關(guān)系到油井的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和成井率。 由于其鉆井工藝的特殊性，對鉆機(jī)電控設(shè)備要求特別苛刻，特別在變頻器選用上非常謹(jǐn)慎，一直是國外產(chǎn)品的天下。由于國外變頻器存在價格昂貴，調(diào)試周期長，維修周期長的缺點(diǎn)，油田上因變頻器故障卻得不到及時維修造成質(zhì)量事故的現(xiàn)象時有發(fā)生。并且國外變頻器在結(jié)構(gòu)上采用變頻器并聯(lián)的形式，占地面積大，給井隊(duì)搬家?guī)聿槐匾穆闊?。變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實(shí)例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display，真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機(jī)的電力傳動元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。

變頻驅(qū)動鉆機(jī)較傳統(tǒng)鉆機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能，操作簡單，無級調(diào)速，控制精度高，工作效率高。變頻技術(shù)在油田鉆機(jī)上的開發(fā)應(yīng)用，不僅提高了鉆機(jī)的水平，改善了鉆機(jī)的操作性能，更重要的是加強(qiáng)了鉆機(jī)的作業(yè)能力，提高了鉆井效率和質(zhì)量。

二、原油田鉆機(jī)系統(tǒng)存在的問題

大慶市石油管理局井下鉆井公司原有一套可打 3000 米深度的鉆井設(shè)備。該設(shè)備控制系統(tǒng)主要包括三大部分：動力系統(tǒng)（由 2 × 500KW 柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成， 2 臺機(jī)組并網(wǎng)于 3 相， 380V/50Hz 交流母線）；泥漿循環(huán)系統(tǒng)；鉆井傳動系統(tǒng)（包括 1 套 500KW 電機(jī)轉(zhuǎn)盤和絞車驅(qū)動系統(tǒng)、 4 臺 45KW 電機(jī)如液壓泵等）。

該控制系統(tǒng)存在以下問題：

（1）司鉆工只有通過不斷更換五個檔位，才能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)壓力，進(jìn)而改變鉆進(jìn)速度，工作效率低。

（2） 每次 換檔時 , 電動機(jī)要反復(fù)啟停幾次 ,在起動過程中會產(chǎn)生過大的啟動電流， 對電網(wǎng)和其他設(shè)備造成沖擊 ,常因 電動機(jī)啟動電流大而引起發(fā)電機(jī)組電壓下降，其他設(shè)備無法正常工作。

（3） 低速提升時 , 只有更換低檔位才能達(dá)到低速控制要求 ,而 電動機(jī)在鉆井過程中處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，浪費(fèi)了大量的電能。

針對原控制系統(tǒng)存在工作效率低，操作復(fù)雜等諸多問題，我們配合大慶市石油管理局井下鉆井公司對該油田鉆機(jī)進(jìn)行了變頻改造。

三、技術(shù)改造方案

鉆井傳動系統(tǒng)是油田鉆機(jī)系統(tǒng)中必備的組成部分，一旦傳動系統(tǒng)不能運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失（如卡鉆），還有可能威脅到現(xiàn)場生產(chǎn)人員的人身安全（如井噴），所以對傳動系統(tǒng)要求具有極高的可靠性。變頻器的主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。

1 .鉆機(jī)專用 變頻器系統(tǒng)組成框圖

該系統(tǒng)組成框圖如圖 1 示：

K 萬能斷路器

C 交流接觸器

M 絞車電機(jī)

2 .鉆機(jī)專用 變頻器系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)包括四部分 ∶

1）進(jìn)線開關(guān)柜∶

開關(guān)柜的主要功能是負(fù)責(zé)設(shè)備供電、變頻器外圍設(shè)備的過電流保護(hù)以及變頻器控制電源的濾波。主要由萬能斷路器、交流接觸器和控制電源的濾波組成。

2） 變頻柜 ∶

變頻器由兩個交 - 直 - 交逆變單元組成，采用單元并聯(lián)技術(shù)，增大了變頻器容量；采用公共直流母排方案，共用電容器組，增大了電容器容量；采用獨(dú)特的吸收電路 （ 如圖 2 所示 ） ，減小了 di/dt, 保護(hù)了功率模塊，增大了安全系數(shù)。

因鉆機(jī)工況的特殊性，當(dāng)鉆機(jī)遇到巖石等硬質(zhì)層時，電流會在瞬間升高很大，產(chǎn)生對模塊的直接沖擊，長此工作之后，會造成模塊應(yīng)力的下降，為提高模塊的使用壽命，采用了傳感器取樣和 IGBT 結(jié)壓降保護(hù)相結(jié)合的雙重保護(hù)，從而減少了特殊情況下對模塊的極限沖擊。吸收電路如圖2所示。

U+：正母線 U-：負(fù)母線 IGBT： 功率模塊 R： 電阻 D：快恢復(fù)二極管 C：電容

3） 制動單元 ∶

該部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)快速停機(jī)時，耗掉系統(tǒng)的慣性能量，內(nèi)含剎車電阻和剎車控制系統(tǒng)，采用芯片自處理技術(shù)控制剎車界限 , 安全可靠。

4）遠(yuǎn)程系統(tǒng)：

該部分主要實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)的遠(yuǎn)控操作和監(jiān)控以及提供對外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。

3.系統(tǒng)主要控制功能

（1）電機(jī)啟動 / 停止

（2）電機(jī)正轉(zhuǎn) / 反轉(zhuǎn)

（3）變頻系統(tǒng)復(fù)位

（4）頻率調(diào)節(jié)

（5）電機(jī)電流電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示

（6）變頻器運(yùn)行指示

（7）變頻器故障指示

以上 7 點(diǎn)功能在工控機(jī)觸摸屏上均能實(shí)現(xiàn)，同時能提供對外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，留有 16 路數(shù)字輸入接口， 10 路數(shù)字輸出接口，同時留有一路 RS232 通訊接口，方便與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換。

4. 變頻系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo) :

額定功率 500KW

額定輸入電壓 380VAC 3 相

輸入電壓波動 ±20%

額定輸入頻率 50Hz

頻率波動 ±5%

額定輸出電壓 380VAC 3 相

額定輸出頻率 33 . 5Hz

額定輸出電流 940A

過載電流 1 . 5 倍電流 1 分鐘

輸出短路電流 2.0 倍電流立即保護(hù)

工作方式連續(xù)

最高輸出頻率 50Hz

5. 系統(tǒng)特殊性能：

石油鉆機(jī)專用變頻器與一般變頻器相比較，性能主要有以下不同點(diǎn)：

（1）變頻器能夠從 “零”開始調(diào)速，方便變速箱換檔，從而避免掛換檔時反復(fù)啟停電機(jī)的情況，即當(dāng)變頻器頻率低于 2 Hz時，此時電機(jī)無扭矩，處于自由狀態(tài)。

（2）當(dāng) 鉆井堵鉆時，變頻器能及時斷開電機(jī)，保護(hù)動力設(shè)備，避免轉(zhuǎn)矩過大扭斷鉆具，因此變頻器設(shè)置了負(fù)載限制功能。

（3）在低速提升時，變頻器能最大限度的發(fā)揮電動機(jī)的動力性能，提供 220% 轉(zhuǎn)矩 輸出。

四、應(yīng)用舉例：在取心井上的應(yīng)用

取心井，顧名思義是把巖心從井下取出，目的為研究地質(zhì)構(gòu)造和原油分布層次。由我公司生產(chǎn)的 JD-BP32-500 變頻器于 2004 年 6 月在大慶市井下鉆井大隊(duì) 30102 隊(duì)一口取心井安裝調(diào)試。此井設(shè)計(jì)井深 2130 米，自 1542 米到 1605 米下限為取心段，共取心 8 筒，收獲率均達(dá) 99% 以上。在正常打井時用二檔，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 280 轉(zhuǎn) / 分，變頻輸出電流在 200 — 800A 之間。整個鉆井過程中電流變化如下表1：

鉆井過程中，減少了換檔次數(shù)，減少了大的啟動電流對電機(jī)的沖擊，同時也減輕了司鉆工的勞動強(qiáng)度，提高了整個井隊(duì)的工作效率。且低頻取心提升時，電機(jī)轉(zhuǎn)速只有 120 轉(zhuǎn) / 分，據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，采用變頻改造后，打一口井節(jié)省柴油 15t 。

五、改造效果

系統(tǒng)變頻運(yùn)行，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動、軟停車。鉆機(jī)起停平穩(wěn)，延長了電機(jī)的使用壽命和維修周期，避免了電機(jī)燒毀等經(jīng)濟(jì)損失，減少了維修費(fèi)用。系統(tǒng)采用過流、過壓、欠壓、短路、缺相、溫升、失速等多種保護(hù)，更加安全可靠。本系統(tǒng)良好的驅(qū)動性能，保護(hù)了鉆井設(shè)備并提高鉆井的質(zhì)量，用戶給予了很高的評價，經(jīng)過近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，該系統(tǒng)性能好，可靠性高，操作方便，達(dá)到了 改造的 預(yù)期效果。

六、結(jié)束語

在鉆機(jī)的更新改造中，就其控制系統(tǒng)方案而言，采用交流變頻驅(qū)動，代表著鉆機(jī)驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展方向。而變頻器具有的諸多優(yōu)點(diǎn)可大大提高油田鉆機(jī)的裝備水平。