交流变频电动钻机电控系统的问题及解决

张加波

摘要：交流变频电动钻机不仅具有 SCR直流电驱动钻机的优异性能，还有诸多显而易见的优点，因此在油田推广应用的力度越来越大，但由于国内交流变频电动钻机电控厂家电控系统设计和参数设定出现了一些新的问题，严重影响了钻井生产。为满足钻井工艺对钻机电控系统的特殊要求，交流变频电动钻机及其它变频钻机应从绞车电动机编码器、转盘制动、一体化钻井仪表系统等方面入手解决。

关键词：电动钻机；电控系统

近几年来，随着交流变频调速技术及现代控制理论的快速发展，交流变频传动应用于石油钻机以替代 SCR直流电驱动钻机已成为一种趋势，交流变频电动钻机不仅具有 SCR直流电驱动钻机的优异性能，还有诸多显而易见的优点，因此在油田推广应用的力度越来越大。但应用过程中，由于国内交流变频电动钻机电控厂家电控系统设计和参数设定出现了一些新的问题，如电控系统现场适用性差、性能不稳定等，严重影响了钻井生产，对其可靠性、经济性产生了置疑，对先进的交流变频电动钻机的推广应用也越来越慎重。

一、电控系统主要存在的问题

1、由于绞车电动机未安装编码器，电控系统采用无编码器矢量控制方式，司钻操作手柄打至中位无法实现绞车悬停，出现大钩缓慢向下游动现象，游动速度随悬重增加而加快。而在较小悬重下虽能实现悬停，但游车缓慢减速后才停止运动，悬停制动时间超长，没有起到精确制动作用，易发生上碰下砸情况。

2、由于常规转盘采用气胎离合器惯刹，如果井内钻具发生严重阻卡，转盘电动机便发生堵转，若转盘惯刹投入不及时，便容易产生倒开钻具的事故。在取心钻进时如遇砾石层等较硬地层，由于地层的冲击，导致电动机转速和扭矩不稳定，无法保证正常取芯作业，严重影响取芯收获率。

3、一体化钻井仪表存在诸多问题：大钩高度、钻压、转盘扭矩等参数显示滞后、不准确； 随钻井工况变化需频繁设置修改参数； 钻井仪表对司钻操作指导性差等。由于上述问题的存在，导致交流变频电动钻机在现场使用过程中溜钻、顿钻及倒开钻具等事故发生，同时由于部分设计缺陷导致操作维护不便，严重影响了钻井生产。

二、解决方案和完善措施

为满足钻井工艺对钻机电控系统的特殊要求，交流变频电动钻机及其它变频钻机应从以下几个方面入手解决：

1、绞车电动机能耗制动和悬停在电动钻机使用过程中，司钻操作无法实现控制手柄零位悬停功能，单电动机高速提升或下放悬重过大时，控制手柄零位悬停不住，出现溜钻现象。而且出现游车缓慢向下游动现象，悬停制动响应时间超长，无精确制动效果，易发生上碰下砸情况，是潜在的安全隐患。究其原因，由于钻机绞车电动机没有安装编码器，系统采用无编码器矢量控制方式， 无法准确检测电动机转速信号对电动机进行准确的能耗制动。不能保证低速时的大扭矩输出，而且在外力作用下，该控制会由于检测不到细微的速度变化而产生轻微转动。

解决这一问题的关键是在绞车电动机上安装编码器，使变频器工作在矢量闭环控制方式，实现悬停功能。我公司使用的40DB也存在这样的问题，在悬重较大时出现游车缓慢向下游动现象，若安装绞车电动机编码器并优化了控制系统，该问题即可解决。

2、转盘制动

多数电动钻机采用气胎离合器作为转盘惯刹，如果井内钻具发生阻卡，转盘电动机便发生堵转， 转盘电动机扭矩限定阈值一般设定在 85%以下， 当堵转扭矩超过设定阈值，堵转时间超过限定时间， 变频柜过载跳闸， 报 F015电动机堵转故障。当转盘惯刹投入不及时， 易造成倒开钻具的事故； 即使转盘惯刹投入及时，但由于惯刹采用气胎式离合器，额定扭矩较小， 离合器仍然打滑， 无法防止转盘倒转。

此外，根据钻井工艺要求， 在过载堵转时保证电动机的转矩最大， 使电动机在堵转方式下工作，通过电动机与惯性刹车联动工作，防止转盘倒转的发生，实现转盘反扭矩在操作者的控制下释放， 同时还应进一步优化系统参数。

3、一体化钻井仪表系统

全数字交流变频系统有很强的扩展和开发能力，同时一体化钻井仪表的性价比较好，使得一体化钻井仪表如神开、马丁代克、PETRON仪表等代替常规仪表成为可能。但还存在如下问题：仪表参数显示滞后、不准确；随钻井工况变化需频繁设置修改參数；参数显示只停留在数字显示，使司钻无法直观判断参数增减趋势，进行相应的预防操作给定调整；对司钻操作指导性差。为提高一体化钻井仪表现场实用性，结合马丁代克、PETRON仪表的优点，同时参考录井仪表，该系统应在司钻操作触摸屏上显示以下常规钻井参数，并增加相应的曲线和趋势画面：①电子指重表；②悬重、钻压及趋势画面；③钻头深度；④井深；⑤钻进速度；⑥吨公里；⑦每台泵的泵冲程和冲次、总泵冲程、总冲次、排量；⑧出口流量百分比及曲线；⑨钻井液罐循环钻井液容量、储备钻井液容量；⑩转盘转速、扭矩、电流及转速扭矩趋势画面，以及其它钻井工程用衍生参数。

三、认识

国内钻机电控系统集成商在交流变频电动钻机一体化控制系统的设计和成套方面，尤其在系统软件和参数设置方面，没有全局考虑，兼顾系统的可操作性、安全性和可靠性，还没有形成完善统一的标准。为了将先进的交流变频控制技术和一体化控制系统成功应用于石油钻机，应不断完善钻机电控系统，统一一体化控制系统成套的硬件和软件标准，并在系统的标准化方面开展工作， 使所生产的钻机满足钻井工艺要求，充分体现以人为本，符合现代HSE管理要求，运行经济可靠符合油田需要的先进、实用、经济的钻机。