摘要： 本文主要介紹 國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)專(zhuān)用變頻器的研制與應(yīng)用。首先簡(jiǎn)要分析國(guó)外變頻器在鉆機(jī)應(yīng)用中存在的缺點(diǎn)，并與國(guó)產(chǎn)變頻器做了比較，論述了變頻鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)；隨后解析原鉆機(jī)控制系統(tǒng)中 存在的問(wèn)題 ，我們針對(duì)這種 狀況在大慶 市石油管理局井下鉆井公司的 配合下 對(duì)該油田鉆機(jī)進(jìn)行了變頻改造；隨后論述了該 系統(tǒng)的 技術(shù)改造方案。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，該 變頻系統(tǒng)性能好，可靠性高，操作方便，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了 改造的 預(yù)期效果。 我們相信變頻器在油田鉆機(jī)上的成功應(yīng)用將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿Α?
一、引言
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(duì)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(guó)外產(chǎn)品的天下。由于國(guó)外變頻器存在價(jià)格昂貴，調(diào)試周期長(zhǎng)，維修周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，油田上因變頻器故障卻得不到及時(shí)維修造成質(zhì)量事故的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。并且國(guó)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)?lái)不必要的麻煩。在這種形式下，我們針對(duì)鉆機(jī)的特殊工況，自主研發(fā)了可替代進(jìn)口機(jī)的高性能?chē)?guó)產(chǎn)鉆機(jī)專(zhuān)用變頻器。該變頻器采用單元并聯(lián)，體積小，重量輕，便于安裝、維護(hù)，調(diào)試容易，效率高，性能穩(wěn)定。
變頻驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)較傳統(tǒng)鉆機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能，操作簡(jiǎn)單，無(wú)級(jí)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(kāi)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(wèn)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(dòng)力系統(tǒng)（由 2 × 500KW 柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成， 2 臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)于 3 相， 380V/50Hz 交流母線(xiàn)）；泥漿循環(huán)系統(tǒng)；鉆井傳動(dòng)系統(tǒng)（包括 1 套 500KW 電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)和絞車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、 4 臺(tái) 45KW 電機(jī)如液壓泵等）。
該控制系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：
（1）司鉆工只有通過(guò)不斷更換五個(gè)檔位，才能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)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(shí) , 電動(dòng)機(jī)要反復(fù)啟停幾次 ,在起動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的啟動(dòng)電流， 對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備造成沖擊 ,常因 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大而引起發(fā)電機(jī)組電壓下降，其他設(shè)備無(wú)法正常工作。
（3） 低速提升時(shí) , 只有更換低檔位才能達(dá)到低速控制要求 ,而 電動(dòng)機(jī)在鉆井過(guò)程中處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，浪費(fèi)了大量的電能。
針對(duì)原控制系統(tǒng)存在工作效率低，操作復(fù)雜等諸多問(wèn)題，我們配合大慶市石油管理局井下鉆井公司對(duì)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(dòng)系統(tǒng)是油田鉆機(jī)系統(tǒng)中必備的組成部分，一旦傳動(dòng)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(chǎng)生產(chǎn)人員的人身安全（如井噴），所以對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有極高的可靠性。 我公司是國(guó)內(nèi)最早研制變頻器的公司之一，具有低壓大功率變頻器多年成功運(yùn)行的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，且性?xún)r(jià)比高。根據(jù) “經(jīng)濟(jì)、高效、可靠”的原則， 大慶市石油管理局井下鉆井公司選擇了我公司生產(chǎn)的 JD - BP32 - 500 型 （ 500KW/380V ）鉆機(jī)專(zhuān)用 變頻器，該 鉆機(jī)專(zhuān)用 變頻器配備了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上一級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，液晶觸摸操作，可對(duì)各種運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，具備完善的保護(hù)功能和定位監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高。
1 ．鉆機(jī)專(zhuān)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(wàn)能斷路器
C 交流接觸器
M 絞車(chē)電機(jī)
2 ．鉆機(jī)專(zhuān)用 變頻器系統(tǒng)介紹
該系統(tǒng)包括四部分 ∶
（1）進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜∶
開(kāi)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(guò)電流保護(hù)以及變頻器控制電源的濾波。主要由萬(wàn)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(gè)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(shí)，電流會(huì)在瞬間升高很大，產(chǎn)生對(duì)模塊的直接沖擊，長(zhǎng)此工作之后，會(huì)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(duì)模塊的極限沖擊，即使輸出間直接短路模塊也能在 10us 內(nèi)及時(shí)封鎖輸出 , 保護(hù)了變頻器 , 提高了整機(jī)的安全性和使用壽命。吸收電路如圖2所示。
U+：正母線(xiàn) U-：負(fù)母線(xiàn) IGBT： 功率模塊 R： 電阻 D：快恢復(fù)二極管 C：電容
3） 制動(dòng)單元 ∶
該部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)快速停機(jī)時(shí)，耗掉系統(tǒng)的慣性能量，內(nèi)含剎車(chē)電阻和剎車(chē)控制系統(tǒng)，采用芯片自處理技術(shù)控制剎車(chē)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(duì)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(dòng) / 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(shí)能提供對(duì)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(shí)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(dòng) ±20%
額定輸入頻率 50Hz
頻率波動(dòng) ±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(guò)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(zhuān)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(kāi)始調(diào)速，方便變速箱換檔，從而避免掛換檔時(shí)反復(fù)啟停電機(jī)的情況，即當(dāng)變頻器頻率低于 2 Hz時(shí)，此時(shí)電機(jī)無(wú)扭矩，處于自由狀態(tài)。
（2）當(dāng) 鉆井堵鉆時(shí)，變頻器能及時(shí)斷開(kāi)電機(jī)，保護(hù)動(dòng)力設(shè)備，避免轉(zhuǎn)矩過(guò)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(shí)，變頻器能最大限度的發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(shí)用二檔，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速 280 轉(zhuǎn) / 分，變頻輸出電流在 200 — 800A 之間。提升時(shí)頻率為 7Hz 左右，最大提升電流不超過(guò) 1000A 。整個(gè)鉆井過(guò)程中電流變化如下表1：
鉆井過(guò)程中，減少了換檔次數(shù)，減少了大的啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)的沖擊，同時(shí)也減輕了司鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了整個(gè)井隊(duì)的工作效率。且低頻取心提升時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速只有 120 轉(zhuǎn) / 分，據(jù)實(shí)測(cè)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(dòng)、軟停車(chē)。鉆機(jī)起停平穩(wěn)，延長(zhǎng)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(guò)流、過(guò)壓、欠壓、短路、缺相、溫升、失速等多種保護(hù)，更加安全可靠。通過(guò)改造，減少了鉆機(jī)的作業(yè)時(shí)間，提高了鉆機(jī)的工作效率。本系統(tǒng)良好的驅(qū)動(dòng)性能，保護(hù)了鉆井設(shè)備并提高鉆井的質(zhì)量，用戶(hù)給予了很高的評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)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(yǔ)
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(dòng)，代表著鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)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。變頻器在油田鉆機(jī)上的應(yīng)用，有著廣闊的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿Α? | 
