交流变频电驱动钻机

石文明

摘 要：交流变频电驱动钻机（AC—VFD—AC）是由国外新发展起来的一种先进的电动石油钻机，这种钻机与传统机械驱动钻机和直流驱动钻机相比具有较多优越性能。分析了交流变频电驱动钻机的原理，分类以及特点，介绍了该装备当前的发展现状，对起升系统和自动送钻系统进行了研究，对未来交流变频电驱动钻机在国内的发展提出了建议和展望。

关键词：电驱动钻机;工作原理;起升系统;自动送钻系统

1 前言

石油工业钻机的水平是一个国家工业能力的体现，经过多年的探索和研究，我国在该领域内取得了一定的成果和发展，例如由我国研制的钻井深度达1.2万米的陆地石油钻机、海洋石油981深水半潜式钻井平台、适合122米海深的自動升降海上石油钻井平台、容量可达30万吨的浮式储油轮以及大型天然气（LNG）压缩管运输船等。近年来，相关电子行业和计算技术得到了长足的发展，交流变频动力系统开始成为工业领域应用的标志性技术，随着该项技术的迅猛发展，脉宽调制技术、矢量控制技术、可自关断全控技术、电机控制技术、以及直接力矩控制技术得到大量应用，使得交流变频调速性能完全能满足石油钻井工艺对钻井驱动传输系统调速性能的要求。

2 交流变频电驱动钻机分类及其工作原理

交流变频钻机通过采用PWN技术和矢量技术进行变频控制，其原理是通过整流技术把油田电网供电工频变成直流，然后进行逆变变成可调的交流，如图1所示。通过应用可关断全控技术，由于可关断器件不需要辅助换流电路、全控器件开关频率高、可信度高、驱动电路容易实现等优越性能，避免了以往容易形成逆变电路等相关问题。通过采用PWN技术可以使电机脉动力矩减小，谐波份量减少，进而满足了供电要求。除此之外，PWM技术在调节频率的同时，通过控制输出电压脉冲的宽度，调节输出交流电压的幅值，实现在逆变桥同时调节输出频率及电压。矢量控制技术通过对三相电机的3/2变换把三相的量，解耦成类似直流电机的励磁分量及转矩分量，并对其量独立控制，再经过2/3变换成交流供电的三相量来控制电机，保证了力矩控制的线性关系，从而达到直流电机的控制特性。图1所示为变频器工作的主电路原理图。

3 交流变频电驱动钻机起升系统

起升系统是钻机的主要机组之一，它是一个复杂的机械振动系统。钻机起升系统是指柴油机―减速器―离合器―滚筒―钢丝绳―井架―天车―游车―大钩―钻柱。钻机的起升系统是钻机的核心，它的工作性能直接影响到整个钻机的工作性能。交流变频电驱动钻机与传统机械驱动钻机的起升系统相比，它的起升系统中绞车采用的是电机驱动方式，不是传统机械驱动钻机通过柴油机和链条传动箱传动方式。钻机在起下钻的初始运动阶段，随着加速的作用对钻柱的冲击同时所伴随的振动是十分突出的。基于交流变频电驱动钻机的特性，电机可以安装在钻井平台上，其传动效率以及动力特性相较传统机械驱动钻机有很大的优势。通过相关研究发现，交流变频电驱动钻机在起升过程中存在一定的动载，而且动载系数随着起升条件的改变而改变。

4 交流变频电驱动钻机自动送钻技术

目前世界上最先进的钻井设备基本是由美国相关的公司设计制造的，Varco公司生产了采用交流变频技术的绞车，其最大额定功率5300kW在同类产品中屈指可数，自动送钻系统工作原理如图2所示，国内通过引进和借鉴国外的先进经验，在全数字交流钻机研制方面也取得了较大的成果。随着人工智能在能源领域的不断发展，未来如何大规模，集中式的对几百台自动送钻系统进行控制。实现智能化、网络化的自动送钻群控系统将成为主要的研究目标。同时可以对钻井过程中得到的一些数据整理为相关数据库，进而进行相关的深度学习。

5 结论和建议

交流变频电驱动钻机优越的控制及操作性能，尤其是等功率调速与能耗制动非常适合绞车工况要求，在起升系统以及自动送钻技术方面展现出明显的优势，势必成为将来石油钻机发展的趋势，因此我国应当结合目前的人工智能技术，着眼未来优先布局交流变频电驱动钻机的快速发展，在该领域抢占国际市场的制高点。

参考文献

[1]王焕宇. 交流变频石油钻井自动钻进的模糊PID控制研究[D].兰州理工大学，2018.

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