1鉆井工藝簡介
鉆井過程分為起落井架，鉆進，泥漿循環(huán)，鉆具更換，下套管，測井等幾大工序。主要分為絞車，轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等。絞車由滾筒、齒輪箱、離合器、制動器、電機和控制設備組成，用來起落井架，提升和下方鉆桿、套管。隨著井深的增加，鉆具越來越長，重量迅速加大，絞車的負載也越來越大。我國目前已有7000m深的油井，其鉆具近600t重。由于每轉(zhuǎn)進約9m就要提升下放鉆桿1次，因此絞車作業(yè)時間也隨著井深的增加而占整個作業(yè)時間的比例越來越大。為降低成本，希望在野外或海上的作業(yè)時間越短越好，這不僅要求絞車寧高速運行，平穩(wěn)起停，以保證不損壞鉆井設備并提高井的質(zhì)量，還要求驅(qū)動設備具有良好的動態(tài)特性。如果在內(nèi)線井區(qū)作業(yè)，電源可與井區(qū)電網(wǎng)相連，下放鉆桿時電機工作在發(fā)電狀態(tài)，能量可回饋電網(wǎng)，節(jié)能效果顯著。
轉(zhuǎn)盤和絞車可共用同一套驅(qū)動系統(tǒng)和電機，鉆桿加長后，驅(qū)動部分切換到轉(zhuǎn)盤，由轉(zhuǎn)盤帶動鉆具旋轉(zhuǎn)，實施鉆進作業(yè)，司鉆工通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和壓力來改變鉆進速度。轉(zhuǎn)盤正常工作時為正轉(zhuǎn)，處理卡鉆時需反轉(zhuǎn)以收回鉆頭，為防止鉆桿正轉(zhuǎn)時折斷或反轉(zhuǎn)時脫扣，要求電機輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，調(diào)節(jié)靈活且設定限幅值，同時電機的剎車部件也是必不可少的。
泥漿泵相當于整個鉆井設備的心臟，它所輸出的泥漿的作用類似于人體內(nèi)的血液。泥漿從鉆桿內(nèi)部自上而下注入，流過鉆頭后，再從鉆桿和井壁的縫隙自下而上流出，在這一過程中，泥漿協(xié)助鉆頭沖擊地殼，冷卻鉆頭，帶出碎屑，而更重要的是通過在泥漿中滲入重晶石粉等物質(zhì)可保持井下一定的壓力，以避免井噴，象血液在人體內(nèi)循環(huán)，運送營養(yǎng)，帶走廢物。泥漿泵的壓力和沖數(shù)分別與驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩和速度成正比。
絞車負載示意圖如圖1所示。
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2系統(tǒng)配置
1998年我們?yōu)樾陆凸芾砭帚@井公司的可打3200m深度的一套鉆井設備配置了變頻器。所用產(chǎn)品為SiemensSIMOVERTMASTERDRIVES6SE71電壓源型變頻器柜。
動力系統(tǒng)由3×800kW柴油發(fā)電機組構(gòu)成，3臺機組并網(wǎng)于3相，600V/50Hz交流母線。
傳動部分由3×6SE7141整流柜（3×800kW）供電給公共直流母排，4×6SE7135逆變柜（4×400kW）和2×6SE7136逆變柜（2×450kW）共6臺逆變柜接到直流母排上，每臺逆變柜各驅(qū)動1臺400kW的電機。4臺電機2臺1組共驅(qū)動2臺泥漿泵，另2臺電機為絞車和轉(zhuǎn)盤共用，詳見圖2。
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1）電源采用柴油發(fā)電機供電，要求有足夠的電壓穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度。柴油發(fā)電機的額定容量一般小于傳動裝置容量的5~10倍，屬于“小電網(wǎng)”供電，換相缺口大。SIMOVERTMASTERDRIVES6SE71變頻器可保持2~3s的主回路電壓等待時間，以克服柴油機瞬時掉電和換相缺口。
2）根據(jù)多電機傳動情況，采用了公共直流母排方案，這樣如果有1個傳動裝置工作于發(fā)電狀態(tài)，可通過中間回路進行能量交換，僅使用1個總制動電阻。
3）在直流母排上配備自振蕩二極管，以免1臺逆變器上的直流側(cè)熔斷器斷開或回饋能量時在母排上產(chǎn)生過電壓而影響其它逆變器。此外，逆變器內(nèi)部軟件中還有Vdmax調(diào)節(jié)器以避免直流母排因過電壓跳閘。
4）同單臺變頻器傳動相比，安裝尺寸較小，因為網(wǎng)側(cè)元件，如熔斷器、接觸器、開關及網(wǎng)側(cè)進線電抗器等可以集中使用1次。并在機械結(jié)構(gòu)上采取了適應現(xiàn)場惡劣環(huán)境的措施。
5）所選逆變器功率相同并可設置4套給定數(shù)組和電機數(shù)組，在故障時可方便地互相切換，互為備用。隨著絞車/轉(zhuǎn)盤的切換，可實現(xiàn)電流限幅和整套控制數(shù)據(jù)的自動轉(zhuǎn)換。
6）同一設備的2個變頻器之間采用光纖快速（11Mbit/s）通訊和雙速度環(huán)方案。在無編碼器反饋條件下安全得到有力保證，又使驅(qū)動1臺設備的2臺電機的負載電流靜態(tài)偏差小于1，遠遠優(yōu)于鉆機國家標準規(guī)定的10，控制方案詳見圖3。
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7）如鉆機可接入大電網(wǎng)，則可考慮經(jīng)電能回饋電網(wǎng)，但要事先確認電網(wǎng)的穩(wěn)定性，以免逆變橋在電網(wǎng)波動時過流。
鉆機采用絞車，轉(zhuǎn)盤聯(lián)合驅(qū)