石油钻井设备与工具王镇全6第二节电动钻机

1、第二节第二节 电动钻机电动钻机 世界石油钻机电驱动型式的技术发展世界石油钻机电驱动型式的技术发展, ,经历了交流电驱动、直流电驱动、交流经历了交流电驱动、直流电驱动、交流可控硅可控硅直流电驱动和变频交流电驱动等直流电驱动和变频交流电驱动等4 4 个技术发展阶段。个技术发展阶段。 交流变频电动机出现在交流变频电动机出现在2020世纪世纪80 80 年代，年代，交流变频调速电驱动钻机是目前最先进的交流变频调速电驱动钻机是目前最先进的电动钻机。电动钻机。 据不完全统计据不完全统计, , 到到20052005年年, , 我国已生我国已生产交流变频电驱动钻机产交流变频电驱动钻机145145台。我国生产交

2、台。我国生产交流变频电驱动钻机数量为全球之最。流变频电驱动钻机数量为全球之最。 与机械传动钻机相比电动钻机的主要特点为与机械传动钻机相比电动钻机的主要特点为: : 1 1、使绞车、转盘、钻井泵都实现了无级调、使绞车、转盘、钻井泵都实现了无级调速；速； 2 2、绞车设计为单轴、绞车设计为单轴, , 经减速器驱动。体积经减速器驱动。体积小小, , 质量轻质量轻, , 故障少故障少; ; 3 3、极低速及恒扭矩输出；、极低速及恒扭矩输出； 5 5、数控恒钻压自动送钻。、数控恒钻压自动送钻。 4 4、司钻控制系统控制精确、司钻控制系统控制精确, , 操作简单操作简单, , 使使司钻摆脱了繁重的体力劳动

3、。司钻摆脱了繁重的体力劳动。一、直流电驱动钻机一、直流电驱动钻机1 1、类型、类型 直流电直流电直流电动机驱动；直流电动机驱动； 交流电源交流电源可控硅整流可控硅整流直流电动机驱动。直流电动机驱动。 二者具有同样好的钻井性能和适应性二者具有同样好的钻井性能和适应性, ,只是只是供电方式不同。供电方式不同。 2、直流电动钻机的特点直流电动机具有软工作特性直流电动机具有软工作特性 工作转速可根据现代钻井工艺的需要工作转速可根据现代钻井工艺的需要以及载荷变化情况以及载荷变化情况, ,进行无级调节进行无级调节, ,且调节且调节范围广。范围广。直流电动机的启动和制动比较平稳直流电动机的启动和制动比较平稳

4、 允许频繁启动和制动允许频繁启动和制动, ,调节与使用均很调节与使用均很方便方便, ,具有很强的适应性能。直流电动机很具有很强的适应性能。直流电动机很容易实现正、反转容易实现正、反转, ,绞车可以不设倒挡绞车可以不设倒挡, ,简简化了绞车结构化了绞车结构。有很好的时效指标有很好的时效指标 操作方便操作方便, ,变速快变速快, ,时间短时间短, ,具有很好的具有很好的处理事故的功能和能力。处理事故的功能和能力。适用深井快速起下钻具作业适用深井快速起下钻具作业 在下钻时在下钻时, ,利用钻柱自重进行动力制动利用钻柱自重进行动力制动, ,发电反馈到电网发电反馈到电网, ,以确保绞车的刹车系统操以确保

5、绞车的刹车系统操作安全省力、节约下钻时间。适用于深井作安全省力、节约下钻时间。适用于深井快速起下钻具。快速起下钻具。转速可无级调节能满足各种作业需要转速可无级调节能满足各种作业需要 尽管转盘只有两个或尽管转盘只有两个或4 4 个钻井挡数个钻井挡数, ,但但是由于直流电动机转速可以无级进行调节是由于直流电动机转速可以无级进行调节, ,转盘的工作转速范围转盘的工作转速范围, ,可以充分满足各种地可以充分满足各种地层和各种钻头钻井的需要。还可以满足精层和各种钻头钻井的需要。还可以满足精确处理打捞作业的需要确处理打捞作业的需要, ,能够更好地判断井能够更好地判断井下发生的各种事故。下发生的各种事故。

6、直流电动机的最大不足在于电刷部位易产生直流电动机的最大不足在于电刷部位易产生火花。尤其是高压气井的钻进，存在安全隐患，火花。尤其是高压气井的钻进，存在安全隐患，这对直流电动机是致命的缺点。这对直流电动机是致命的缺点。二、交流变频调速电动钻机二、交流变频调速电动钻机 交流变频电动钻机交流变频电动钻机比比AC AC SCR SCR DC DC 电驱动电驱动具有具有更优良的性能，是目前最先进更优良的性能，是目前最先进传动方式传动方式。1 1、能精确控制转速、能精确控制转速 电源频率与交流电动机的工作转速成电源频率与交流电动机的工作转速成正比的关系。利用此特性，可实现变频电正比的关系。利用此特性，可实

7、现变频电驱动精确地无级平滑调节工作转速。驱动精确地无级平滑调节工作转速。 电动机的工作转速与电源频率的关系为电动机的工作转速与电源频率的关系为: : 从上式可以看出从上式可以看出:AC :AC 电动机工作转速电动机工作转速n n 与供电频率与供电频率f f1 1 是成正比是成正比, ,也就是供电频率也就是供电频率越高越高, ,工作转速也越高。所以工作转速也越高。所以,AC ,AC 电动机工电动机工作转速具有很好的调节使用性能，可实现作转速具有很好的调节使用性能，可实现无级调速。无级调速。2 2、具有超载荷、恒扭矩调节输出特性、具有超载荷、恒扭矩调节输出特性 具有超载荷、恒扭矩调节、恒功率调具有

8、超载荷、恒扭矩调节、恒功率调节、调节使用范围宽广等输出特性。节、调节使用范围宽广等输出特性。 交流变频电动机在处于交流变频电动机在处于0r/ min 0r/ min 时时, ,仍仍具有全扭矩作用。这种特性对于钻井作业具有全扭矩作用。这种特性对于钻井作业来讲，是非常安全可靠的。来讲，是非常安全可靠的。3 3、无需倒档，简化钻机结构、无需倒档，简化钻机结构 由于正反转均可调节使用由于正反转均可调节使用, ,驱动绞车可驱动绞车可以取消倒档以取消倒档, ,可由可由4 4个档减少到个档减少到2 2个档个档, ,驱动驱动顶驱可不必采用两档顶驱可不必采用两档, ,只用单速传动机构只用单速传动机构, ,大大地

9、简化了绞车和顶驱结构。大大地简化了绞车和顶驱结构。4 4、启动电流小、启动电流小, ,工作效率高工作效率高, ,过载能力强过载能力强 一般电动机的启动电流为额定电流的一般电动机的启动电流为额定电流的5 5 倍倍6 6倍。变频调速倍。变频调速AC AC 电动机的启动电流只有额定电电动机的启动电流只有额定电流的流的1.7 1.7 倍。由于启动电流较小倍。由于启动电流较小, ,对电网的冲击性对电网的冲击性也较小。也较小。 AC AC 电动机的工作效率高达电动机的工作效率高达96 % ,96 % ,高于高于DC DC 电电动机动机(90 %) (90 %) 。 在在1 1 分钟之内分钟之内, ,变频调

10、速的变频调速的AC AC 电动机电动机, ,可以可以承受到承受到150 %150 %额定载荷。这种特性对于石油钻机处额定载荷。这种特性对于石油钻机处理卡钻事故来讲理卡钻事故来讲, ,具有较大的载荷储备具有较大的载荷储备, ,钻井适应钻井适应性较强。性较强。5 5、可实现反馈制动刹车、可实现反馈制动刹车 AC AC 变频调速电动机变频调速电动机, ,可对下钻时的钻柱可对下钻时的钻柱载荷进行反馈制动刹车载荷进行反馈制动刹车, ,起着绞车辅助刹车起着绞车辅助刹车作用作用, ,可以代替常规绞车中的水刹车或电磁可以代替常规绞车中的水刹车或电磁涡流刹车涡流刹车, ,所以所以ACAC变频电驱动绞车中可以取变

11、频电驱动绞车中可以取消水刹车或电磁涡流刹车。消水刹车或电磁涡流刹车。6、使用安全方便、噪音低、维护简便、使用安全方便、噪音低、维护简便 AC AC 电动机工作时不会产生工作火花。这意电动机工作时不会产生工作火花。这意味着在油田钻井时味着在油田钻井时, ,不会出现电弧击穿现象不会出现电弧击穿现象, ,电动电动机使用更为安全可靠。机使用更为安全可靠。 交流变频电驱动调节可以手控和遥控交流变频电驱动调节可以手控和遥控, ,还还可与可编程序控制器以及计算机相联接可与可编程序控制器以及计算机相联接, ,实现闭环实现闭环自动控制。自动控制。 交流交流变频电驱动系统变频电驱动系统, ,工作振动工作振动小小、

12、工作噪工作噪音音低低。 交流变频交流变频电动机几乎不电动机几乎不需要维护需要维护。技术经济指标与效益分析技术经济指标与效益分析三、直流电动钻机与交流变频钻机的主要差别三、直流电动钻机与交流变频钻机的主要差别四、自动送钻系统简介四、自动送钻系统简介 自动送钻目的就是使钻头对井底的钻压保持设定自动送钻目的就是使钻头对井底的钻压保持设定的恒定值的恒定值, ,实现这一目标的手段是控制主滚筒的刹车实现这一目标的手段是控制主滚筒的刹车, ,适时向井底送进钻头。如果能在井底钻压和滚筒刹车适时向井底送进钻头。如果能在井底钻压和滚筒刹车之间建立直接或间接的自动控制关系之间建立直接或间接的自动控制关系, ,就可以实现自就可以实现自动送钻。动送钻。自动送钻技术可提高机械钻速，提高井身质自动送钻技术可提高机械钻速，提高井身质量，减少钻头磨损，减少井下事故发生以及降低钻井量，减少钻头磨损，减少井下事故发生以及降低钻井