石文明

摘 要：交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)（AC—VFD—AC）是由國外新發(fā)展起來的一種先進(jìn)的電動(dòng)石油鉆機(jī)，這種鉆機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)相比具有較多優(yōu)越性能。分析了交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的原理，分類以及特點(diǎn)，介紹了該裝備當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)起升系統(tǒng)和自動(dòng)送鉆系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對(duì)未來交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在國內(nèi)的發(fā)展提出了建議和展望。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī);工作原理;起升系統(tǒng);自動(dòng)送鉆系統(tǒng)

1 前言

石油工業(yè)鉆機(jī)的水平是一個(gè)國家工業(yè)能力的體現(xiàn)，經(jīng)過多年的探索和研究，我國在該領(lǐng)域內(nèi)取得了一定的成果和發(fā)展，例如由我國研制的鉆井深度達(dá)1.2萬米的陸地石油鉆機(jī)、海洋石油981深水半潛式鉆井平臺(tái)、適合122米海深的自動(dòng)升降海上石油鉆井平臺(tái)、容量可達(dá)30萬噸的浮式儲(chǔ)油輪以及大型天然氣（LNG）壓縮管運(yùn)輸船等。近年來，相關(guān)電子行業(yè)和計(jì)算技術(shù)得到了長足的發(fā)展，交流變頻動(dòng)力系統(tǒng)開始成為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的標(biāo)志性技術(shù)，隨著該項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，脈寬調(diào)制技術(shù)、矢量控制技術(shù)、可自關(guān)斷全控技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、以及直接力矩控制技術(shù)得到大量應(yīng)用，使得交流變頻調(diào)速性能完全能滿足石油鉆井工藝對(duì)鉆井驅(qū)動(dòng)傳輸系統(tǒng)調(diào)速性能的要求。

2 交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)分類及其工作原理

交流變頻鉆機(jī)通過采用PWN技術(shù)和矢量技術(shù)進(jìn)行變頻控制，其原理是通過整流技術(shù)把油田電網(wǎng)供電工頻變成直流，然后進(jìn)行逆變變成可調(diào)的交流，如圖1所示。通過應(yīng)用可關(guān)斷全控技術(shù)，由于可關(guān)斷器件不需要輔助換流電路、全控器件開關(guān)頻率高、可信度高、驅(qū)動(dòng)電路容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)越性能，避免了以往容易形成逆變電路等相關(guān)問題。通過采用PWN技術(shù)可以使電機(jī)脈動(dòng)力矩減小，諧波份量減少，進(jìn)而滿足了供電要求。除此之外，PWM技術(shù)在調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，通過控制輸出電壓脈沖的寬度，調(diào)節(jié)輸出交流電壓的幅值，實(shí)現(xiàn)在逆變橋同時(shí)調(diào)節(jié)輸出頻率及電壓。矢量控制技術(shù)通過對(duì)三相電機(jī)的3/2變換把三相的量，解耦成類似直流電機(jī)的勵(lì)磁分量及轉(zhuǎn)矩分量，并對(duì)其量獨(dú)立控制，再經(jīng)過2/3變換成交流供電的三相量來控制電機(jī)，保證了力矩控制的線性關(guān)系，從而達(dá)到直流電機(jī)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(qū)動(dòng)鉆機(jī)起升系統(tǒng)

起升系統(tǒng)是鉆機(jī)的主要機(jī)組之一，它是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。鉆機(jī)起升系統(tǒng)是指柴油機(jī)―減速器―離合器―滾筒―鋼絲繩―井架―天車―游車―大鉤―鉆柱。鉆機(jī)的起升系統(tǒng)是鉆機(jī)的核心，它的工作性能直接影響到整個(gè)鉆機(jī)的工作性能。交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的起升系統(tǒng)相比，它的起升系統(tǒng)中絞車采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，不是傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)通過柴油機(jī)和鏈條傳動(dòng)箱傳動(dòng)方式。鉆機(jī)在起下鉆的初始運(yùn)動(dòng)階段，隨著加速的作用對(duì)鉆柱的沖擊同時(shí)所伴隨的振動(dòng)是十分突出的?；诮涣髯冾l電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的特性，電機(jī)可以安裝在鉆井平臺(tái)上，其傳動(dòng)效率以及動(dòng)力特性相較傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)有很大的優(yōu)勢(shì)。通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在起升過程中存在一定的動(dòng)載，而且動(dòng)載系數(shù)隨著起升條件的改變而改變。

4 交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)送鉆技術(shù)

目前世界上最先進(jìn)的鉆井設(shè)備基本是由美國相關(guān)的公司設(shè)計(jì)制造的，Varco公司生產(chǎn)了采用交流變頻技術(shù)的絞車，其最大額定功率5300kW在同類產(chǎn)品中屈指可數(shù)，自動(dòng)送鉆系統(tǒng)工作原理如圖2所示，國內(nèi)通過引進(jìn)和借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在全數(shù)字交流鉆機(jī)研制方面也取得了較大的成果。隨著人工智能在能源領(lǐng)域的不斷發(fā)展，未來如何大規(guī)模，集中式的對(duì)幾百臺(tái)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)送鉆群控系統(tǒng)將成為主要的研究目標(biāo)。同時(shí)可以對(duì)鉆井過程中得到的一些數(shù)據(jù)整理為相關(guān)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)的深度學(xué)習(xí)。

5 結(jié)論和建議

交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)優(yōu)越的控制及操作性能，尤其是等功率調(diào)速與能耗制動(dòng)非常適合絞車工況要求，在起升系統(tǒng)以及自動(dòng)送鉆技術(shù)方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必成為將來石油鉆機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，因此我國應(yīng)當(dāng)結(jié)合目前的人工智能技術(shù)，著眼未來優(yōu)先布局交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的快速發(fā)展，在該領(lǐng)域搶占國際市場(chǎng)的制高點(diǎn)。

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