一、引言

鉆機（drill）是在地質勘探中，帶動鉆具向地下鉆進，獲取實物地質資料的機械設備。又稱鉆探機。主要作用是帶動鉆具破碎孔底巖石，下入或提出在孔內的鉆具 。 可用于鉆取巖心 、礦心、巖屑、氣態樣、液態樣等，以探明地下地質和礦產資源等情況。油田鉆機是油井生產的最主要的設備之一，它的正常運轉和工作效率直接關系到油井的經濟建設和成井率。 由于其鉆井工藝的特殊性，對鉆機電控設備要求特別苛刻，特別在變頻器選用上非常謹慎，一直是國外產品的天下。由于國外變頻器存在價格昂貴，調試周期長，維修周期長的缺點，油田上因變頻器故障卻得不到及時維修造成質量事故的現象時有發生。并且國外變頻器在結構上采用變頻器并聯的形式，占地面積大，給井隊搬家帶來不必要的麻煩。變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現代科技由中文反向譯為英文的為數不多實例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display，真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。變頻器在中、韓等亞洲地區受日本廠商影響而曾被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數、過流/過壓/過載保護等功能。

變頻驅動鉆機較傳統鉆機有以下優點：節能，操作簡單，無級調速，控制精度高，工作效率高。變頻技術在油田鉆機上的開發應用，不僅提高了鉆機的水平，改善了鉆機的操作性能，更重要的是加強了鉆機的作業能力，提高了鉆井效率和質量。

二、原油田鉆機系統存在的問題

大慶市石油管理局井下鉆井公司原有一套可打 3000 米深度的鉆井設備。該設備控制系統主要包括三大部分：動力系統（由 2 × 500KW 柴油發電機組構成， 2 臺機組并網于 3 相， 380V/50Hz 交流母線）；泥漿循環系統；鉆井傳動系統（包括 1 套 500KW 電機轉盤和絞車驅動系統、 4 臺 45KW 電機如液壓泵等）。

該控制系統存在以下問題：

（1）司鉆工只有通過不斷更換五個檔位，才能調節轉盤轉速和鉆進壓力，進而改變鉆進速度，工作效率低。

（2） 每次 換檔時 , 電動機要反復啟停幾次 ,在起動過程中會產生過大的啟動電流， 對電網和其他設備造成沖擊 ,常因 電動機啟動電流大而引起發電機組電壓下降，其他設備無法正常工作。

（3） 低速提升時 , 只有更換低檔位才能達到低速控制要求 ,而 電動機在鉆井過程中處于工頻運行狀態，浪費了大量的電能。

針對原控制系統存在工作效率低，操作復雜等諸多問題，我們配合大慶市石油管理局井下鉆井公司對該油田鉆機進行了變頻改造。

三、技術改造方案

鉆井傳動系統是油田鉆機系統中必備的組成部分，一旦傳動系統不能運行，不但影響生產，造成巨大經濟損失（如卡鉆），還有可能威脅到現場生產人員的人身安全（如井噴），所以對傳動系統要求具有極高的可靠性。變頻器的主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。

1 .鉆機專用 變頻器系統組成框圖

該系統組成框圖如圖 1 示：

K 萬能斷路器

C 交流接觸器

M 絞車電機

2 .鉆機專用 變頻器系統介紹

該系統包括四部分 ∶

1）進線開關柜∶

開關柜的主要功能是負責設備供電、變頻器外圍設備的過電流保護以及變頻器控制電源的濾波。主要由萬能斷路器、交流接觸器和控制電源的濾波組成。

2） 變頻柜 ∶

變頻器由兩個交 - 直 - 交逆變單元組成，采用單元并聯技術，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；采用獨特的吸收電路 （ 如圖 2 所示 ） ，減小了 di/dt, 保護了功率模塊，增大了安全系數。

因鉆機工況的特殊性，當鉆機遇到巖石等硬質層時，電流會在瞬間升高很大，產生對模塊的直接沖擊，長此工作之后，會造成模塊應力的下降，為提高模塊的使用壽命，采用了傳感器取樣和 IGBT 結壓降保護相結合的雙重保護，從而減少了特殊情況下對模塊的極限沖擊。吸收電路如圖2所示。

U+：正母線 U-：負母線 IGBT： 功率模塊 R： 電阻 D：快恢復二極管 C：電容

3） 制動單元 ∶

該部分主要負責系統快速停機時，耗掉系統的慣性能量，內含剎車電阻和剎車控制系統，采用芯片自處理技術控制剎車界限 , 安全可靠。

4）遠程系統：

該部分主要實現變頻系統的遠控操作和監控以及提供對外部進行數據交換的接口。

3.系統主要控制功能

（1）電機啟動 / 停止

（2）電機正轉 / 反轉

（3）變頻系統復位

（4）頻率調節

（5）電機電流電機轉速顯示

（6）變頻器運行指示

（7）變頻器故障指示

以上 7 點功能在工控機觸摸屏上均能實現，同時能提供對外部設備進行數據交換的接口，留有 16 路數字輸入接口， 10 路數字輸出接口，同時留有一路 RS232 通訊接口，方便與外部設備進行數字交換。

4. 變頻系統主要技術指標 :

額定功率 500KW

額定輸入電壓 380VAC 3 相

輸入電壓波動 ±20%

額定輸入頻率 50Hz

頻率波動 ±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

工作方式連續

最高輸出頻率 50Hz

5. 系統特殊性能：

石油鉆機專用變頻器與一般變頻器相比較，性能主要有以下不同點：

（1）變頻器能夠從 “零”開始調速，方便變速箱換檔，從而避免掛換檔時反復啟停電機的情況，即當變頻器頻率低于 2 Hz時，此時電機無扭矩，處于自由狀態。

（2）當 鉆井堵鉆時，變頻器能及時斷開電機，保護動力設備，避免轉矩過大扭斷鉆具，因此變頻器設置了負載限制功能。

（3）在低速提升時，變頻器能最大限度的發揮電動機的動力性能，提供 220% 轉矩 輸出。

四、應用舉例：在取心井上的應用

取心井，顧名思義是把巖心從井下取出，目的為研究地質構造和原油分布層次。由我公司生產的 JD-BP32-500 變頻器于 2004 年 6 月在大慶市井下鉆井大隊 30102 隊一口取心井安裝調試。此井設計井深 2130 米，自 1542 米到 1605 米下限為取心段，共取心 8 筒，收獲率均達 99% 以上。在正常打井時用二檔，轉盤轉速 280 轉 / 分，變頻輸出電流在 200 — 800A 之間。整個鉆井過程中電流變化如下表1：

鉆井過程中，減少了換檔次數，減少了大的啟動電流對電機的沖擊，同時也減輕了司鉆工的勞動強度，提高了整個井隊的工作效率。且低頻取心提升時，電機轉速只有 120 轉 / 分，據實測數據顯示，采用變頻改造后，打一口井節省柴油 15t 。

五、改造效果

系統變頻運行，電機實現了軟啟動、軟停車。鉆機起停平穩，延長了電機的使用壽命和維修周期，避免了電機燒毀等經濟損失，減少了維修費用。系統采用過流、過壓、欠壓、短路、缺相、溫升、失速等多種保護，更加安全可靠。本系統良好的驅動性能，保護了鉆井設備并提高鉆井的質量，用戶給予了很高的評價，經過近一年的生產運行，該系統性能好，可靠性高，操作方便，達到了 改造的 預期效果。

六、結束語

在鉆機的更新改造中，就其控制系統方案而言，采用交流變頻驅動，代表著鉆機驅動技術的發展方向。而變頻器具有的諸多優點可大大提高油田鉆機的裝備水平。