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    变频器在国内石油钻机的应用

    1 钻井工艺简介

    钻井过程分为起落井架,钻进,泥浆循环,钻具更换,下套管,测井等几大工序。主要分为绞车,转盘和泥浆泵等。绞车由滚筒、齿轮箱、离合器、制动器、电机和控制设备组成,用来起落井架,提升和下方钻杆、套管。随着井深的增加,钻具越来越长,重量迅速加大,绞车的负载也越来越大。我国目前已有7000m深的油井,其钻具近600t重。由于每转进约9m就要提升下放钻杆1次,因此绞车作业时间也随着井深的增加而占整个作业时间的比例越来越大。为降低成本,希望在野外或海上的作业时间越短越好,这不仅要求绞车宁高速运行,平稳起停,以保证不损坏钻井设备并提高井的质量,还要求驱动设备具有良好的动态特性。如果在内线井区作业,电源可与井区电网相连,下放钻杆时电机工作在发电状态,能量可回馈电网,节能效果显著。

    转盘和绞车可共用同一套驱动系统和电机,钻杆加长后,驱动部分切换到转盘,由转盘带动钻具旋转,实施钻进作业,司钻工通过调节转盘转速和压力来改变钻进速度。转盘正常工作时为正转,处理卡钻时需反转以收回钻头,为防止钻杆正转时折断或反转时脱扣,要求电机输出转矩平稳,调节灵活且设定限幅值,同时电机的刹车部件也是必不可少的。

    泥浆泵相当于整个钻井设备的心脏,它所输出的泥浆的作用类似于人体内的血液。泥浆从钻杆内部自上而下注入,流过钻头后,再从钻杆和井壁的缝隙自下而上流出,在这一过程中,泥浆协助钻头冲击地壳,冷却钻头,带出碎屑,而更重要的是通过在泥浆中渗入重晶石粉等物质可保持井下一定的压力,以避免井喷,象血液在人体内循环,运送营养,带走废物。泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电机的输出转矩和速度成正比。

    绞车负载示意图如图1所示。 

     

    2 系统配置

    1998年我们为新疆石油管理局钻井公司的可打3200m深度的一套钻井设备配置了变频器。所用产品为Siemens SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE71电压源型变频器柜。

    动力系统由3×800kW柴油发电机组构成,3台机组并网于3相,600V/50Hz交流母线。

    传动部分由3×6SE7141整流柜(3×800kW)供电给公共直流{HotTag}母排,4×6SE7135逆变柜(4×400kW)和2×6SE7136逆变柜(2×450kW)共6台逆变柜接到直流母排上,每台逆变柜各驱动1台400kW的电机。4台电机2台1组共驱动2台泥浆泵,另2台电机为绞车和转盘共用,详见图2。

     

    1)电源采用柴油发电机供电,要求有足够的电压稳定度和频率稳定度。柴油发电机的额定容量一般小于传动装置容量的5 ~ 10倍,属于“小电网”供电,换相缺口大。SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE71变频器可保持2 ~ 3s的主回路电压等待时间,以克服柴油机瞬时掉电和换相缺口。

    2)根据多电机传动情况,采用了公共直流母排方案,这样如果有1个传动装置工作于发电状态,可通过中间回路进行能量交换,仅使用1个总制动电阻。

    3)在直流母排上配备自振荡二极管,以免1台逆变器上的直流侧熔断器断开或回馈能量时在母排上产生过电压而影响其它逆变器。此外,逆变器内部软件中还有Vdmax调节器以避免直流母排因过电压跳闸。

    4)同单台变频器传动相比,安装尺寸较小,因为网侧元件,如熔断器、接触器、开关及网侧进线电抗器等可以集中使用1次。并在机械结构上采取了适应现场恶劣环境的措施。

    5)所选逆变器功率相同并可设置4套给定数组和电机数组,在故障时可方便地互相切换,互为备用。随着绞车/转盘的切换,可实现电流限幅和整套控制数据的自动转换。

    6)同一设备的2个变频器之间采用光纤快速(11Mbit/s)通讯和双速度环方案。在无编码器反馈条件下安全得到有力保证,又使驱动1台设备的2台电机的负载电流静态偏差小于1%,远远优于钻机国家标准规定的10%,控制方案详见图3。

     

    7)如钻机可接入大电网,则可考虑经电能回馈电网,但要事先确认电网的稳定性,以免逆变桥在电网波动时过流。

    钻机采用绞车,转盘联合驱动,泥浆泵独立驱动的形式。钻机主机通过二档分动直角箱,将动力分成两路,一路通过链条驱动滚筒工作;另一路驱动转盘工作。泥浆泵组由交流电机通过皮带传动驱动泥浆泵工作。绞车由滚筒轴,绞车架,机械刹车,电磁涡流辅助刹车,链条箱,转盘驱动轴,二档直角分动箱,交流电动机,润滑系统等组成。钻井平台上配有司钻台,所有控制都可在司钻台完成,并设有麦克风和故障警笛。

     

    3 变频器

    6SE71变频柜内部配备SIEMENS全数字工程型变频器,整流部分采用晶闸管,逆变器采用了IGBT功率元件,直流母排上由电容作为储能元件。变频各项功能可随软件灵活设置,实现对同步或异步电机的控制,控制方式也包括V/f,有无测速机的磁场定向控制等。根据工艺要求,选用无速度传感器的矢量控制方案,拖动异步电机,精度可达到0.1f转差,速度响应时间20ms,转矩响应时间可达到5ms,确保准确快速的调节,同时简化系统,增加可靠性。 

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