摘要： 本文主要介绍 国产钻机专用 变频器的研制与应用。首先简要分析国外变频器在钻机应用中存在的缺点，并与国产变频器做了比较，论述了变频钻机的优点；随后解析原钻机控制系统中 存在的问题 ，我们针 对这种 状况在大庆 市石油管理局井下钻井公司的 配合下 对该油田钻机进行了变频改造；随后论述了该 系统的 技术改造方案。现场运行情况表明，该 变频系统性能好，可靠性高，操作 方便，其各项指标均达到了 改造的 预期效果。 我们相信变频器在油田钻机上的成功应用将会有广阔的市场前景和发展潜力。
关键词： 油田钻机 变频系统
Abstract: This article mainly introduce s the development and application of the domestic inverter whose the special-purpose is drilling .First briefly analyzes the shortcoming of the overseas inverter which exists in the drilling machine application, and make the comparison with the domestically produced inverter, then elaborates the frequency conversion drilling machine merit; afterwards analyzes the question which in the original drilling machine control system exists, we have carried on the frequency conversion transformation in view of this kind of condition under Daqing petroleum administrative bureau mine shaft well drilling company's coordination to this oil field drilling machine; finally elaborates this system technological transformations plan. The scene movement situation indicated that this frequency conversion system performance well, which the reliability is high and the ease of operation, its each target has achieved the transformation anticipated effect. We believed the inverter will be able to have the broad market and the development potential on oil field drilling machine successfully.
Key word: oil field drilling machine frequency conversion system
引 言
油田钻机是油井生产的最主要的设备之一，它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率 。 由于其钻井工艺的特殊性，对钻机电控设备要求特别苛刻，特别在变频器选用上非常谨慎，一直是国外产品的天下。由于国外变频器存在价格昂贵，调试周期长，维修周期长的缺点，油田上因变频器故障却得不到及时维修造成质量事故的现象时有发生。并且国外变频器在结构上采用变频器并联的形式，占地面积大，给井队搬家带来不必要的麻烦。在这种形式下，我们针对钻机的特殊工况，自主研发了可替代进口机的高性能国产钻机专用变频器。该变频器采用单元并联，体积小，重量轻，便于安装、维护，调试容易，效率高，性能稳定。
变频驱动钻机较传统钻机有以下优点：节能，操作简单，无级调速，控制精度高，工作效率高。变频技术在油田钻机上的开发应用，不仅提高了钻机的水平，改善了钻机的操作性能，更重要的是加强了钻机的作业能力，提高了钻井效率和质量。
原油田钻机系统存在的问题
大庆市石油管理局井下钻井公司原有一套可打 3000 米深度的钻井设备。该设备控制系统主要包括三大部分：动力系统（由 2 × 500KW 柴油发电机组构成， 2 台机组并网于 3 相， 380V/50HZ 交流母线）；泥浆循环系统；钻井传动系统（包括 1 套 500KW 电机转盘和绞车驱动系统、 4 台 45KW 电机如液压泵等）。该控制系统存在以下问题：
（ 1 ）司钻工只有通过不断更换五个档位，才能调节转盘转速和钻进压力，进而改变钻进速度，工作效率低。
（ 2） 每次 换档时 , 电动机要反复启停几次 ,在起动过程中会产生过大的启动电流， 对电网和其他设备造成冲击 ,常因 电动机启动电流大而引起发电机组电压下降，其他设备无法正常工作。
（ 3 ） 低速提升时 , 只有更换低档位才能达到低速控制要求 ,而 电动机在钻井过程中处于工频运行状态，浪费了大量的电能。
针对原控制系统存在工作效率低，操作复杂等诸多问题，我们配合大庆市石油管理局井下钻井公司对该油田钻机进行了变频改造。
技 术 改 造 方 案
钻井传动系统是油田钻机系统中必备的组成部分，一旦传动系统不能运行，不但影响生产，造成巨大经济损失（如卡钻），还有可能威胁到现场生产人员的人身安全（如井喷），所以对传动系统要求具有极高的可靠性 。 我公司是国内最早研制变频器的公司之一，具有低压大功率变频器多年成功运行的生产经验，且性价比高。根据 “经济、高效、可靠”的原则， 大庆市石油管理局井下钻井公司选择了我公司生产的 JD - BP32 - 500 型 （ 500KW/380V ）钻机专用 变频器，该 钻机专用 变频器配备了工业控制计算机作为上一级监控系统，液晶触摸操作，可对各种运行数据进行监控，具备完善的保护功能和定位监控系统，自动化程度高。
1.钻机专用 变频器系统组成框图
该系统组成框图如图 1 示。
钻机专用 变频器系统组成框图 1
K 万能断路器
C 交流接触器
M 绞车电机
2.钻机专用 变频器系统介绍
该系统包括四部分 ∶
1 ）进线开关柜∶
开关柜的主要功能是负责设备供电、变频器外围设备的过电流保护以及变频器控制电源的滤波。主要由万能断路器、交流接触器和控制电源的滤波组成。
2） 变频柜 ∶
变频器由两个交 - 直 - 交逆变单元组成，采用单元并联技术，增大了变频器容量；采用公共直流母排方案，共用电容器组，增大了电容器容量；采用独特的吸收电路 （ 如图 2 所示 ） ，减小了 di/dt, 保护了功率模块，增大了安全系数。
因钻机工况的特殊性，当钻机遇到岩石等硬质层时，电流会在瞬间升高很大，产生对模块的直接冲击，长此工作之后，会造成模块应力的下降，为提高模块的使用寿命，采用了传感器取样和 IGBT 结压降保护相结合的双重保护，从而减少了特殊情况下对模块的极限冲击，即使输出间直接短路模块也能在 10us 内及时封锁输出 , 保护了变频器 , 提高了整机的安全性和使用寿命。
吸收电路图 2
U+ 正母线
U- 负母线
IGBT 功率模块
R 电阻
D 快恢复二极管
C 电容
3） 制动单元 ∶
该部分主要负责系统快速停机时，耗掉系统的惯性能量，内含刹车电阻和刹车控制系统，采用芯片自处理技术控制刹车界限 , 安全可靠。刹车电路如图 3
刹车电路图 3
U+ 正母线
U- 负母线
IGBT 功率模块
R 刹车电阻
4 ）远程系统：
该部分主要实现变频系统的远控操作和监控以及提供对外部进行数据交换的接口。
3.系统主要控制功能：
a ：电机启动 / 停止
b ：电机正转 / 反转
c ：变频系统复位
d ：频率调节
e ：电机电流电机转速显示
f ：变频器运行指示
g ：变频器故障指示
以上 7 点功能在工控机触摸屏上均能实现，同时能提供对外部设备进行数据交换的接口，留有 16 路数字输入接口， 10 路数字输出接口，同时留有一路 RS232 通讯接口，方便与外部设备进行数字交换。
4.变频系统主要技术指标 :
1 .） 额定功率 500KW
2 .） 额定输入电压 380VAC 3 相
3 .） 输入电压波动 ±20%
4 .） 额定输入频率 50HZ
5.） 频率波动 ±5%
6.） 额定输出电压 380VAC 3 相
7.） 额定输出频率 33 . 5HZ
8.） 额定输出电流 940A
9.）过载 电流 1 . 5 倍电流 1 分钟
10.） 输出短路电流 2.0 倍电流立即保护
11.）工作方式 连续
12.） 最高输出频率 50HZ
5.系统特殊性能：
石油钻机专用变频器与一般变频器相比较，性能主要有以下不同点：
（ 1 ）变频器能够从 “零”开始调速，方便变速箱换档，从而避免挂换档时反复启停 电机的情况，即当变频器频率低于 2 HZ时，此时电机无扭矩，处于自由状态。
（ 2）当 钻井堵钻时，变频器能及时断开电机，保护动力设备，避免转矩过大扭断钻具，因此变频器设置了负载限制功能。
（ 3 ）在低速提升时，变频器能最大限度的发挥电动机的动力性能，提供 220% 转 矩 输出。
应用举例：在取心井上的应用
取心井，顾名思义是把岩心从井下取出，目的为研究地质构造和原油分布层次。由我公司生产的 JD-BP32-500 变频器于 2004 年 6 月在大庆市井下钻井大队 30102 队一口取心井安装调试。此井设计井深 2130 米，自 1542 米到 1605 米下限为取心段，共取心 8 筒，收获率均达 99% 以上。在正常打井时用二档，转盘转速 280 转 / 分，变频输出电流在 200 — 800A 之间。提升时频率为 7HZ 左右，最大提升电流不超过 1000A 。整个钻井过程中电流变化如下表：
钻井过程中，减少了换档次数，减少了大的启动电流对电机的冲击，同时也减轻了司钻工的劳动强度，提高了整个井队的工作效率。且低频取心提升时，电机转速只有 120 转 / 分，据实测数据显示，采用变频改造后，打一口井节省柴油 15t 。
改 造 效 果
系统变频运行，电机实现了软启动、软停车。钻机起停平稳，延长了电机的使用寿命和维修周期，避免了电机烧毁等经济损失，减少了维修费用。系统采用过流、过压、欠压、短路、缺相、温升、失速等多种保护，更加安全可靠。通过改造，减少了钻机的作业时间，提高了钻机的工作效率。本系统良好的驱动性能，保护了钻井设备并提高钻井的质量，用户给予了很高的评价，经过近一年的生产运行，该系统性能好，可靠性高，操作 方便，达到了 改造的 预期效果。
结 束 语
在钻机的更新改造中，就其控制系统方案而言，采用交流变频驱动，代表着钻机驱动技术的发展方向。而变频器具有的诸多优点可大大提高油田钻机的装备水平。变频器在油田钻机上的应用，有着广阔的市场前景和发展潜力。
作者简介:刘德田，工程师，生于 1981 年，现在山东新风光电子有限公司从事变频器的调试和技术支持工作。
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