第十章 电动钻机概述.doc

第十章 电动钻机概述第一节 石油钻机的分类及驱动形式一、电动钻机的发展 电驱动钻机最早开始于20世纪50年代中期，随后逐步完善、成熟。与机械驱动相比，电驱动具有调速性能好、经济性能高、可靠性强、故障率底、操作更安全、方便、灵活、易于实现自动控制等一系列的优越性。特别是全数字控制系统的出现，使得电驱动控制系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便。电驱动可以通过可编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。1. 国内外电动钻机的发展现状 国外在1994年已生产出了全自动化钻机样机。现已研制出自动化，智能化电动钻机，在钻井实践中取得了较好的使用效果。 (1)美国W-N Apache联合公司自动化钻机：其研制的自动化石油钻机，采用动力水龙头钻井方法，配备了自动移运和排放立根系统；采用微机控制系统，以监控钻机操作各工序正常作业；钻井深度为6096m。其特点是钻机的总重量较轻，安装拆卸时间减少50，采用自动化控制系统，可在lmin之内完成接单根作业，节约钻井时间12-15；全钻机只需要2人进行操作。 (2)挪威自动化钻机：挪威Temco公司生产的全自动化钻机，采用液压驱动的顶部驱动钻井系统，选用了一种轻型钻机结构，可降低钻井成本；采用机器人进行操作，在钻机中采用了许多新材料和智能技术，使钻井作业全自动化。 (3)小井眼自动化石油钻机：采用动力水龙头钻井方式，液压大钳、自动卡瓦、水平堆放钻杆，由机械手进行移运与排放。该钻机自动化程度较高，接单根时间只需要6s。实际应用中，电驱动钻机比机械驱动钻机具有更好的经济效益。 我国电动钻机电气控制系统的研究始于20世纪70年代中期。20世纪80年代末，在借鉴国外先进技术的前提下，生产出我国第一台直流驱动的2J45D陆地电动钻机。20世纪90年代，通过引进国外核心电气控制模拟单元，生产出深井直流咆动钻机，如ZJ50D和ZJ70D。20世纪90年代后期，在引进国外全数字控制技术的基础上，开始全数字钻机电气控制系统的研究，如采用国外数字直流调速器，将模拟控制直流电动钻机升级为数字控制直流电动钻机。全数字电控系统是目前电控系统的主流，它是用微处理器实现软件控制，具有完善的故障自诊断、运行、显示和保护功能。全数字控制系统各环节的控制参数可实时调整，以满足钻井工艺的新要求和钻井工况的实时变化。 近几年将交流变频调速技术应用于石油钻采设备上，生产出全数字交流驱动电动钻机。交流驱动电动钻机采用了交流变频调速技术，能够适应钻井工艺的要求，简化了钻机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全性、可靠性和移运性，且绞车体积小、质量轻、故障少、维护方便；调速范围宽，可实现无级调速：能够以极低的速度恒扭矩输出，实现数控恒钻压自动送钻，对提高钻井时效、优化钻井工艺、处理井下事故等十分有利。新型司钻控制系统控制精确、操作简单，使司钻摆脱了繁重的体力劳动，并注重了操作技巧和钻井参数的优选。 国内目前电动钻机电气控制系统在控制技术上有模拟控制和数字控制两种形式。驱动方式上有直流驱动和交流驱动。电控装置品种齐全，可满足用户的不同需求。在功能上增加了起、下钻过程的位置闭环控制功能(即防止上碰下砸功能)，外加盘式刹车的使用，由此既保证了设备的安全运行，又减轻了司钻的操作紧张程度；同时还增加了自动送钻功能，达到了恒速恒压钻井，以适应不同的岩层结构，提高钻井质量。2.电动钻机的发展趋势21世纪科学技术日新月异，在提高钻井效率、降低钻井成本的技术要求不断推动下钻机正在朝自动化、智能化、高适应性、高经济效益、高可靠性、大型化方面发展。 1)高适应性 随着钻井条件越来越恶劣，出现各种特殊钻井工艺。简单地提高钻井时效已不能满足其要求，而是要通过钻井作业提高采收率、提高勘探开发成功率。未来的钻机必须适应这些特殊钻井工艺的需要，这就要求钻机既要适应各种恶劣的自然环境，同时配套设备应具有以下足够的Q自力，例如钻机的安全系数、提升能力、钻井泵功率、泵压、转盘开口直径等参数都需要提高。 2)数字化、信息化、自动化和智能化 实现数字化、信息化、自动化、智能化的钻机，需具备完善的司钻控制系统、钻井参数系统、综合录井系统、远程监控系统、在线监测系统、远程故障诊断系统、钻井专家系统、远程安全应急系统、电、气、液集成控制系统、钻台自动化机具系统、井眼轨迹自动化控制系统、随钻测量系统等。未来的交流变频钻机，必将具备远程操作、钻井信息共享、钻井全过程智能化控制功能，从而真正实现远程支持、智能优化钻井。 3)高经济性和安全性 在起下钻作业中，绞车全过程数字闭环控制，可以最大限度地提高钻机时效，同时，减少发生井下事故和出现井下复杂情况发生的可能性，数控恒钻压自动送钻技术对于提高钻井时效的作用更是有目共睹。利用交流变频调速技术、计算机技术、通信技术等优势提高其运行的经济性和安全性，应成为钻机技术创新的主要发展方向。 4)高效移运性 通过国产电动钻机参与国际市场竞争的过程可以看到，在其他方面与国外钻机相差不大的情况下，高移运性已成为其重要的考虑因素。提高钻机整体移运性，除注意模块化设计外，还要依靠先进的移运技术即考虑。如何优化钻机结构、提高模块化水平、减少运输车次、降低安装难度等问题。 5)大型化 为了进一步开发更深地层的油气资源国外已研制出特深井钻机，钻井深度以达到15240m。国内也正在研究万米钻机。 由钻机发展的趋势看，电气控制系统将朝着智能化、网络化、开放化、大功率方向发展。 (1)智能化，由于相关技术的发展和现代控制理论在钻机电气控制系统的应用，使智能化钻机按照现场实时工况自动完成设计的任务，井通过自诊断功能减少人为的因素和失误，减少设备及工具的故障率，如根据油藏地质变化及时提钻、换钻杆、下钻。 随着对钻井过程透明化的进一步提高，随钻诊断(DIAGNOSTICWHILEDRILLING)相关技术的发展，从而可以快速准确地为电气控制系统提供实时数据，结合控制中心安装的控制、预测算法库和原始数据库，为电动钻机智能化的实现提供技术保障，如实现钻头磨损诊断。 智能钻具系统(INTELLIGENT DRILLSTRING SYSTEM)技术使连接所有井下分离部件成为现实，该连接由能传输数据到其他部件且相互没有电气连接的变送器构成。智能钻具系统的双向传输数据速率达2Mbs，它支持高精度随钻测井仪器，并能协调控制井下机械装置，因此智能钻具系统的开发必将使电气控制系统的智能化日趋完美。 (2)网络化。 网络化就是通过网络将各控制检测等部件相连或将钻井过程所需资源共享，可分为现场总线网络和外部网络。现场总线网络指电气控制系统的发电控制单元、驱动柜、PLC、HMI等以现场总线相连接，建立企业内网(1NTERANET)，可将多台钻机联网，实现最优化调度。 井下网络拓宽了现场总线网络的范畴。井下的每个仪器设备定义为具有惟一地址的节点，每个节点能够检测或中继数据。该网络通过网络协议软件和硬件来完成各分散仪器设备间的信息传输，其采用双向通信方式，不仅能高速传出井下数据，而且可实现地面发命令给井下仪器设备。该网络的建成将极大地提高钻井的可靠性和效率。 外部网络指电气控制系统与其外部其他控制系统或上位机以网络相连，通过该网络可实现钻机的远程控制和无人化操作。新近研制的陆上操作中心(ONSHORE OPERATION CENTER)是一种典型的外部网络实例。陆上操作中心(OOC)作为海洋平台的扩展部分被集成到海洋钻机操作系统中，其可在陆地上通过无线网络监控处于恶劣环境的海洋钻机。 (3)开放化。 开放化就是电气控制系统软硬件具有互联标准，能有效运行在不同的平台上，可以与其他应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格，即互操作性、可移植性、可扩展性和可互换性。随着计算机软硬件技术的发展，提出了可配置自动钻机系统(CONFIGURABLEAUTO-MATICDRILLINGSYSTEM)。由于开放化系统软硬件的柔性，可以容易改变其基本配置，并可让第三方在原系统配置上参与开发，以实现软硬件真正的即插即用(PLUG PLAY)，而且第三方软硬件作为系统的扩展，可实现数据共享，。开放化电气控制系统便于生产管理，可提高钻井效率。电动钻机电气控制系统智能化、网络化、开放化的发展相互协调，对现代钻机的发展必将产生深远的影响。但具有里程碑意义的将是激光石油钻机，美国芝加哥天然气研究所(GRl)与麻省理工学院(MIT)等正在合作研制激光钻井技术，这将可能突破现代钻机电气控制系统的发展范畴。第二节 电动钻机的电气控制系统 电动钻机是目前高性能大型钻机的主要型式和发展方向，作为钻机核心的电气驱动和控制系统屑于投资大、技术含量高的技术资金密集型设备，它主要包括动力设备及控制系统、主电动机驱动及控制系统、辅机设备及控制系统、司钻控制系统和主控制系统等，其基本构成如图101所示。 本节将介绍电动钻机的驱动型式，还有电动钻机电气驱动控制系统的构成、结构形式及控制方案。图10-1 电动钻机电气控制系统的基本构成一、电动钻机驱动型式 电动钻机驱动型式的技术发展，经历了AC-AC电驱动、DC-DC电驱动、AC-SCR-DC电驱动和AC变频电驱动4个技术发展阶段。顶部驱动型式的技术发展，经历了ACSCR-DC电驱动和AC变频电驱动2个技术发展阶段。1.AC-AC驱动 AC-AC驱动是钻机最早采用的电驱动型式，指柴油发电机组发出交流电，供给交流电动机驱动绞车、转盘和钻井泵，其电气控制系统框图如图102所示。另一种供电方式是由工业电网供交流电。 在这种驱动方式下，交流电动机具有硬特性，绞车、转盘应设立较多机械挡，进行有级变速。和柴油机直接驱动相比，这种驱动方式短时过载能力强，采用单独驱动，传动效率高，易实现倒转，维护保养简单，工作安全，噪音小。因此，早在20世纪50年代美国、前苏联就已采用该种驱动方式，如1963年前苏联AC-AC驱动钻机占钻机总台数40。钻机的绞车和转盘常采用绕线式异步电动机驱动，钻井泵可用绕线式或鼠笼式异步电动机驱动，也可用同步电动机驱动。 图10-2 AC-AC驱动电气控制系统框图近年来，由于AC-AC电驱动钻机工作转速不可调节、载荷特性为硬特性等缺点，不能更好地满足钻井需要，使其使用数量逐年减少。但与机械驱动相比，还是有较大的适应性。2.DC-DC驱动DC-DC电驱动钻机是指多台柴油发电机组发出直流电，供给直流电动机驱动绞车。转盘和钻井泵。另外还有一台柴油发电机组，供照明与钻机辅助设备用电。其电气控制系统框图如图103所示。 图 10-3 DC-DC驱动电气控制系统框图由他励直流发电机一他励直流电动机组成的驱动系统，采用降低供电电压(调发电机励磁)和减弱磁通方法，实现电动机调速。对于绞车，当低于额定转速时，调发电机励磁，实现电动机的降压调速；高于额定转速时，调电动机励磁，实现弱磁调速。一般绞车还设有机械挡。对于转盘，只采用降压调速，可以获得恒转矩驱动特性。 DC-DC驱动钻机具有下述特点： (1)直流电动机具有软工作特性，其工作转速根据钻井工艺需要和载荷变化进行无级调节，且调速范围广，一般调节范围为2.55.o；其超载荷适应性强，一般超载荷系数为1.62.5。 (2)直流电动机启动与制动较平稳，允许频繁启动与制动，调节与使用均很方便，能够最大限度地满足钻井工艺需要，适应性较强。 (3)直流电驱动钻机操作方便，变速快、时间短，具有较好的处理事故能力。 (4)利用动力制动，确保绞车刹车系统操作安全省力，减少事故，节约起下钻时间，适用于深井快速起下钻具。 (5)转盘工作转速可以进行无级调节，适用于精确处理打捞作业，能较好地判断井下发生的各种事故。 (6)极大地简化了机械传动系统，提高了传动效率。能量从柴油机转轴传到绞车传动轴的传动效率为87.5，比机械驱动石油钻机传动效率提高125。 (7)采用电子调速器调节每台柴油机的使用性QS，不仅使柴油机经常处于最佳状态运行，而且还使柴油机载荷变化状态同时受到电气控制系统的监控，使柴油机可以自动调节与分配载荷，从而可以防止冲击与过载，具有较好的运行经济性。 (8)DC-DC驱动钻机采用单独驱动方式，可靠性较差。3. AC-SCR-DC驱动AS-SCR-DC驱动是指数台柴油发电机组发出交流电并网输到同一母线电缆上(或由工业电网供电)，经晶闸管整流装置整流后驱动直流电动机，带动绞车、转盘、钻井泵。其电气控制系统框图如图104所示。 图10-4 AC-SCR-DC驱动电气控制系统框图 AC-SCR-DC驱动钻机具有下述特点： (1)AC-SCR-DC驱动钻机具有DC-DC驱动钻机的全部优点，这里不再重复阐述。 (2)不需要专门配备供照明和辅助设备用电的小型柴油发电机组；可以直接由公共母线中引出，通过变压器后直接供应交流电，所以设备投资比DC-DC驱动钻机少。 (3)采用并联运行方式，动力使用与分配合理，机动性、灵活性好，提高功率利用率。在钻井作业过程中，可按实际需要来确定开动几台动力机组，延长了其使用寿命。比DC-DC驱动钻机节约柴油79。 (4)一次性投资费用比机械驱动钻机高80左右。但是由于AC-SCR-DC驱动钻机使用经济，当钻机运行一段时间，其节约费用就可弥补多投资费用。 (5)在钻井和起下钻时，钻机噪音小、油污少，有利于提高操作可靠性技术，提高了钻机运行可靠性。 (6)采用先进的柴油机电子调速器、晶闸管整流装置和各种监测系统提高了钻井性能，扩大了使用功能，增强了经济性与可靠性。 (7)由于直流电动机转速的变化是通过控制晶闸管整流装置来达到的，交流公共母线上的功率因数较低。为提高功率因数，美国研制了一种调节功率因数的装置，可进一步提高钻机运行的经济效益。4.AC变频驱动 AC变频驱动是指将交流变频调速技术应用到钻机的电驱动控制系统上，使AC-SCR-DC驱动钻机中的直流驱动装置换成交流驱动装置，直流电动机变成交流电动机。其电气控制系统框图如图105所示。AC变频驱动钻机具有下述特点1)调速控制系统性能高(1)能精确控制转速和扭矩。 可实现更精确地无级平滑调节和控制AC电动机的工作转速和扭矩，其调节频率与AC电动机的工作转速成正比线性关系，使用非常方便，对于各种钻头钻井、处理钻井事故等很方便。 图10-5 AC变频驱动电气控制系统框图(2)转速调节方便且范围广。 AC电动机正反转两个方向进行调节，均能实现工作转速从。一100精确无级调节和使用。由此，驱动绞车可以取消倒挡，可由4个挡减少到2个挡，驱动顶驱可不必采用两挡，只用单速传动机构，大大地简化了绞车和顶驱结构。 (3)在变频调速系统控制下具有全扭矩。 AC电动机处于零转速时，仍具有全扭矩作用。这种特性对于钻井作业来讲，是非常安全可靠的。 (4)可提高电动机启动时的加速度和减速时的减速度。 变频调速系统可使AC电动机快速加、减速，从而使启动和停止过程时间较短。 (5)没有谐波畸变现象。 AC变频驱动电动机的输出工作转速和扭矩，在很大的工作范围内，使石油钻机或顶驱具有钻井性能和作业工况的连续、恒定的可使用动力特性，因此AC变频电驱动没有谐波畸变现象。 (6)具有全刹车控制特性。 AC变频驱动电动机可在全扭矩条件下进行制动，使其在所有转速下矩和更为精确的控制。 2)启动电流小、工作效率高、过载能力强 一般电动机的启动电流为额定电流的56倍。变频调速AC电动机的启动电流只有额定电流的17倍。由于启动电流较小，对电网的冲击性也较小。 AC电动机的工作效率高达97。在lmin之内，变频调速的AC电动机可以承受到150额定载荷。这种特性对于石油钻机处理卡钻事故来讲，具有较大的载荷储备，钻井适应性较强。 3)可实现回馈制动刹车 AC变频调速电动机，可对下钻时的钻柱载荷进行反馈制动刹车，起着绞车辅助刹车作用，可以代替以至取消常规绞车中的水刹车或电磁涡流刹车，从而进一步减轻了绞车重量，降低了成本和费用。 4)使用安全方便、噪音低、维护简便 (1)AC电动机无电刷，且维护简单。 AC电动机工作时不会产生工作火花。这意味着在油田钻井时，不会出现电弧击穿现象，电动机使用更为安全可靠。AC感应电动机几乎不要求维护，特别适合油田钻井需要，且运行率较高，停机时间较少，事故率低。 (2)具有各种安全保护功能。 AC变频电驱动系统具有各种安全保护功能，以确保钻井作业的安全、可靠和连续性。如过电压、欠电压、过电流、过热、短路和接地保护功能；石油钻机或顶驱钻井时过扭矩、超转速等限定功能以及限位功能，可确保钻井装备安全可靠地进行钻井作业，不会发生其他意外事故。 (3)调节控制使用方便。 AC变频电驱动调节和控制使用非常方便。可以手控和遥控，还可与可编程控制器以及计算机相连接，实现闭环自动控制。对于钻井装备来讲，钻机和顶驱控制均采用手控和遥控方式，自动送钻装置采用自动闭环控制。二、 电动钻机电气控制系统的基本构成电动钻机电气控制系统，如图106所示，大致由3部分组成：(1)柴油发电机组或高压电网构成的动力及其控制系统；(2)钻井泵、绞车转盘、顶驱主设备构成的直流或交流驱动及其控制系统(3)辅助电动机、照明、井场各区域供电等组成的MCC控制系统。这3个子系统构成了石油钻机的动力心脏，支撑着钻机可靠运转。 图10-6 电动钻机电气控制系统的基本构成1.动力及其控制系统 1)由多台柴油发电机组成的动力系统 一套电动钻机的动力系统，由多台柴油发电机组组成，每台柴油发电机组又由柴油机、交流发电机及其控制系统组成。为了满足钻井工程供电的可靠性和经济性，电动钻机一般配置两台以上的柴油发电机组，发电机并网运行，通过发电机输出电缆，断路器连接到交流汇流母排，为钻井现场提供动力及照明电能。 动力控制系统包括柴油机速度控制和发电机电压控制两大部分。为保证供电频率稳定和发电机有功功率的均衡分配，要对柴油机的燃油供应量进行控制；为保证发电机电压的稳定及无功功率的均衡分配，要对发电机的励磁电流进行控制。除此之外，柴油发电机组可并网运行，控制系统还设置了多种必要的保护功能，如逆功率保护、过负荷保护、过电压保护、欠电压保护、过频率及欠频率保护等。 通过现场总线通信功能，可实现动力控制系统参数的实时采集、报警提示等，这为上层管理、决策提供重要依据。 现国产电动钻机动力系统其电压等级为600V，频率为50Hz，单机容量为6001300kW，总装机容量能达到4000kW，无功配置达到6000kV。 2)由高压电网构成的动力系统 这样的动力系统是指电力来自供电电网，电压等级为l0kV或6kV，一般用两台总容量达6000kVA的变压器将电压降到600V供主动力设备用电。系统设有继电保护，以保证供电安全可靠。2.驱动及其控制系统 电动钻机驱动系统是指绞车、转盘、钻井泵及顶驱等主要设备由电动机驱动。目前，电动钻机驱动方式有两种，一种是“电网一晶闸管整流装置一直流电动机”的直流驱动方式，另一种为“电网一变频器一交流电动机”的交流驱动方式，实现绞车、转盘、钻井泵、顶驱等设备的运行。下面介绍两种驱动方式。 1)直流驱动系统 系统将AC600V电源输入驱动柜中的SCR可控硅组件，通过整流输出o750V直流电，驱动钻井泵、绞车转盘和顶驱等设备的主电动机，SCR控制用计算机来完成。 直流电动机的控制，主要是速度控制和转向控制，由于直流电动机采用晶闸管整流装置供电，所以控制输出电压就可方便地控制电动机的转速。为使电动机的转速特性具有一定的硬度，系统中采用了闭环控制。对于他励电动机来说，由于磁场恒定，端电压可近似反映转速，所以可用电压反馈完成速度控制。而中励电动机由于磁场随电枢电流变化，所以端电压不能反映转速，要想控制转速，必须加一个转速变换环节，即转速信号值通过电枢电压与磁场电流之比计算求得。 在钻井机械中，有的无需改变运转方向，如钻井泵；有的则需改变运转方向，如转盘。所以在控制系统中要考虑转向问题。对于他励电动机，可用磁场换向方法实现，由于磁场电流很小，磁场换向方便容易。而对于串励电动机，就必须在主回路进行。由于主回路电流很大，需用大电流接触器，而且要增加与电动机相连接的电力电缆。 主电动机还设有冷却风机、注油泵和喷淋泵的联锁控制系统设有过流封锁、电流限制故障诊断等功能。 2)交流驱动系统 系统将电网600V交流电先经过晶闸管整流成750V直流电，经电容滤波，再用电力电子器件IGBT完成逆变过程，得到AC600V、频率560Hz可调的交流电，最后驱动钻井泵、绞车转盘和顶驱的变频交流电动机。逆变环节采用PWM方式调制，由计算机控制，既控制输出电压，又改变输出频率。频率闭环被引入，实现变压变频调速。改变转向可用改变相序来实现，不必切换主电路。 3)驱动控制系统 无论是直流驱动，还是交流驱动，驱动系统都由控制单元进行控制。控制单元有模拟控制单元和数宇控制单元。全数字控制单元具有参数自动优化功能和完善的通信功能，其控制精度高、响应速度快、动静态调速特性稳定，使电动机在最佳状态运行。 电动钻机的控制现在已经实现了数字化控制、动态控制和闭环控制。具体而言，实现绞车无级调速、游动系统的位置、速度、加速度闭环控制、悬重限制保护、数控恒钻压自动送钻、转盘无级调速、转矩限制保护、钻井泵无级调速、泵压限制保护等功能。而从钻井作业来看，实现了游动系统在减速点合理减速，在停止点自动停车，在“上碰下砸”预警点预警并自动停车；能够使转盘和钻井泵的扭矩和泵压动态工作时，其数值在设定范围内，避免过扭矩和过泵压事故的发生；能够把悬重控制在设定的扭矩和泵压范围内，避免过扭矩和过泵压事故；能够把悬重控制在设定的范围内，实现上提遇卡和下放遇阻保护；根据钻井工程设计，通过数控系统，按设定的上提与下放速度和加速度提、放钻具，避免抽吸作用和活塞动压作用造成的井喷事故和井下复杂情况；数控恒钻压自动送钻使钻压给定平稳、均匀，送钻灵敏、准确，能够提高钻井作业的机械钻速，并有利于提高钻头寿命；通过数控系统，实现了绞车速度和游车位置的数字闭环控制。 4)司钻控制台 司钻通过操作司钻控制台上的转换开关、给定手轮和按钮等，可以控制钻井泵、绞车和转盘的各种工况。司钻控制台上还有辅助交流电动机及发电机系统运行状态指示灯、百分比功率指示表、SCR指配开关、转盘转矩限制旋钮等。3.MCC配电及其控制系统 辅助设备如钻井液循环系统中的混合泵、灌注泵、除砂器和除泥器以及驱动电动机的冷却风机等，均由交流电动机驱动，其控制由交流电动机控制中心(MCC)实现。 系统的前端由600V400V电力变压器供电，或应急发电机组直接提供380V电源。交流电动机控制中心完成交流电动机的启动操作，启动方式有降压启动和直接启动两种在电网容量充足的前提下，直接启动具有简捷、故障率低等优点。 为便于维修和更换，交流屯动机控制中心多采用抽屉式结构。井场上除机械驱动设备外，还有井场照明和其他生产、生活用电设备，这些也由交流电动机控制中心控制。三、电动钻机电气系统结构形式1.控制房的结构 为便于野外作业，上述的各控制系统集中安装于电气控制房内，组成了电动钻机控制系统，房内还装有冷气机、照明灯及应急照明设备等。房顶部装有接线板，通过电缆与柴油发电机组、主驱动电动机、辅助用电设备及司钻(泵)电控台连接。控制房结构有两种模式：一座控制房结构模式和两座控制房结构模式。 1)一座控制房结构模式 其内部配有发电机控制柜、驱动柜、电磁刹车柜、切换柜、MCC柜、变压器和冷气机。发电机进线在控制房侧面就近与各机房相连，而正对井口的控制房端部出线直接通向钻台、泵房区和固控区等，完成对直流电动机与交流电动机的控制。这种结构模式的优点是接线简单，运输车次少。 2)两座控制房结构模式 这种模式由SCR房与MCC房组成。SCR房放置发电机柜、驱动柜和冷气机等MCC房放置变压器、开关柜、MCC柜、办公桌、备件柜、工具箱和空调等。这种结构的优点是房子短，适宜于山区搬迁运输，而且MCC备件充足，现场运行方便灵活。由于SCR房温度较低，不便值班人员长住，但MCC房温度适宜于值班人员和维护工程师工作。2.电动钻机驱动柜与电动机的配置方式 1)一对二控制方式 该方式是指l台驱动柜拖动1台钻井机械(每个钻井泵、绞车或转盘)的2台直流电动机，这种供电方式，驱动柜的容量加倍，数量减少。在这种驱动方式下，如果一台驱动柜出现故障，将使其对应的驱动设备无法工作。因此，为了提高可靠性，增加了切换柜，采用直流接触器进行切换，某一局部故障可通过切换电路改变驱动柜与电动机的配置。这样相应增加了系统的复杂性，同时也使系统的故障点增多。 这种方式先后有“一对二”串励电动机方案和“一对二”他励电动机方案。目前的“一对二”方式都是采用串励电动机，以美国GE公司的GE和美国RossHILL公司及IPS公司的产品为代表。 现交流驱动电动钻机不采用一对二控制方式。 2)一对一控制方式 所谓“一对一”驱动，是指钻井泵、绞车、转盘及顶驱上的每台电动机都由各自对应的驱动柜供电。 采用这种驱动方式，系统简洁，减少了故障点，并且操作方便，检修快捷，可靠性高。正常运行时，1台钻井泵或绞车上的2台电动机通过电流均衡电路使负载平衡。 (1)在系统设计上，虽然每套驱动柜仅驱动一台电动机，但因钻井泵、绞车转盘都由两台电动机驱动，若一套装置或电动机有故障，另一套装置或电动机可继续运行。此时若负荷较轻，可正常打井，若负荷较重，也能维持运转，保证井下不因此而出事故，在此期间可对故障进行维修。 (2)在控制系统的设计上，采用专用于钻机的技术设计和结构设计，对出现的故障及其位置及时进行指示、报警，并采用快速拆卸及安装的特殊结构，以减少维修时间，降低系统的停机率。 “一对一”驱动方式出现于20世纪80年代初期，既可用直流他励电动机，也可用直流中励电动机，而且这种思路现也用于交流电动机。其代表产品是美国GE公司的drill3000(又称GEIV)和国产ZJ60DS，ZJ50DB等深井钻机。 在20世纪70年代，由于电子元器件(如晶体管、可控硅等)可靠性不如电器元器件(如断路器、接触器等)，而且价格上也相对较高，因此采用接触器切换可提高系统的可靠性，造价也相对较低。但自20世纪80年代以来，特别是进人20世纪90年代，电子元器件的可靠性已超过电器元器件，而且价格上也降低很多，再采用接触器切换，相对来说，反而降低了系统可靠性，而且造价也相对较高。因为采用这种方式，主回路要用大量的接触器，控制回路要用大量的中间继电器，使系统复杂，增加了系统的故障点；而且一旦出现故障，查找也较为困难。在造价上，因“一对二”主回路容量是“一对一”的两倍，虽然主回路数量减少，但价格基本不变，而省去的部分调节组件价格尚低于所用的接触器价格。3.驱动电动机 1)直流电动机 用于驱动的直流电动机有串励直流电动机和他励直流电动机。 (1)串励电动机构成的一对二控制系统。这种方式励磁电流就是电枢电流，因此电动机输出转矩与负载电流的平方成正比，启动转矩大，绞车起钻效率高。电动钻机的钻井泵和绞车主设备就是用这种控制系统控制的。 (2)串励电动机构成的一对一控制系统。电动机的励磁电流与电枢电流相等，同一机械上的2台电动机的电枢电流需要设置载荷均衡电路加以平衡。这种结构形式不仅具有较大的启动转矩，而且因切换环节的省略，大大提高了系统的可靠性。 (3)他励电动机构成的一对一控制系统。由于磁场恒定，输出转速与电动机端电压成正比，使得速度控制简单，可靠性高。他励电动机的转矩特性很适合于钻井泵。配合一定的机械变速挡，他励电动机也能很好地用于绞车的低速大转矩提升和转盘驱动。对于绞车和转盘的反向运行，他励电动机仅需小功率接触器改变磁场极性，接线简单，控制容易，成本低廉。 (4)他励电动机构成的一对二控制系统。这种一对二控制方式使驱动同一设备的2台电动机电枢串联，磁场各自调节，能很好地完成钻井工程，且具有较好的调速性能指标，但控制更复杂一些。 2)交流电动机构成的一对一控制系统 交流电动机均采用一对一控制方式。这种方式控制灵活、方便，能精确控制电动机转速和转矩，且连续、恒定，可实现反馈制动，简化了系统结构，提高了系统可靠性。4.MCC开关柜结构形式 用直接固定接线引出方式对钻机的辅助交流电动机供电，是配电系统通常采用的方式，该方法简单可靠。用抽屉式开关柜替代固定式的优越性在于出现供电故障时，备用抽屉迅速投入，缩短处理故障的时间，方便设备维修。四、电气控制系统方案的选择1.直流电气控制系统方案以ZJ70D电动钻机为例，介绍电动钻机电气控制系统的系统配置。如图10-7所示。 系统采用柴油发电机组并网发电，向SCR系统提供AC 600V电压，辅助用电设备和生活用电设施由一台600400v、1250kVA(SCl250)的环氧浇注变压器供电。驱动系统采用AC-SCR-DC型式，一对一驱动，全数字控制，可编程控制器完成系统的监控及故障诊断，并具有计算机监控功能，直流电动机串励运行，MCC开关柜采用抽屉式，柴油机选用CAT3512，其电子调速器用2301A，电压调节器选用晶闸管整流方式，发电参数测量数字化。全套控制系统放入一座控制房内。 这样构成的电气控制系统能满足7000m电动钻机的驱动特殊性和钻井工艺要求，具有调速性能优越、过载能力强、可靠性高、抗干扰能力强、设计布局合理、操作简便可靠和易于维修等特点。各控制系统配置方案的选择如下。 图10-7 ZJ70D电动钻机电气控制系统单线图1)动力控制系统配置 4台柴油发电机组并网发电，总功率为3920kW，容量为6000kV.A，转速为1500rmin，频率为50Hz，电压为AC600V。柴油机单机功率为980kW，型号为CAT3512DITA，发电机的单机容量为1500kVA，型号为MTG807。 柴油机配置2301A电液调速器和EG6P执行器，发电机励磁调节器配置DYT-3型晶闸管整流电压调节器。选用7300全数字式智能电力仪表，该仪表计量精度高并能实现与计算机通信。此外，还配置同期并网电路和发屯机长延时过载分闸、短延时短路跳闸、瞬时动作分断3段主保护以及过压、欠压、过频、逆功率、励磁过流等辅助保护，同时设置功率限制电路，通过功率均衡电路实现并网时的有功和无功均衡分配。这些配置保证了发电系统运行安全、可靠。 2)驱动控制系统配置 7台驱动柜将发电机并网母线上的600V交流电整流成0750V直流电，用以驱动2台钻井泵、绞车和转盘的7台串励直流电动机，它们一一对应。绞车和钻井泵采用双电动机驱动方案以增加可靠性，井具有单双电动机选择工作制式。转盘由一台电动机直接驱动，其实际需要的最大功率小于600kW，但为了电动机的互换性，采用相同的GE752电动机(或国产YZ08A)。每台电动机的控制均采用西门于6RA24全数字控制技术，调速精度高，调试快捷，更改方便，故障诊断更精确，操作维护简单。驱动柜上设有调节、超速、过流和熔断等保护功能，使发生故障时系统封锁，并给出相应的指示，查找和排除故障方便。 3)主控制系统配置 采用可编程控制器控制方案，通过现场总线技术PROFIBUS-DP实现数字化设备间的通信联络。可编程控制器选用西门子S7-300系列，配西门子MP触摸屏，人机界面为单一的硬件操作环境，并设有工业监视系统。 司钻控制台控制7台电动机的运行工况，监视电动钻机的运行状况。脚踏开关用于起钻控制。另配置的刹车系统用于下钻和放井架，并设有断水、断电保护功能。 4)MCC配电控制系统设置 由600V400V、S1250型1250kYA变压2S向380V电网供电。系统设有60路交流电动机启动抽屉和供电抽屉。7555kW、40kW混合泵、灌注泵、剪切泵、除砂器、除泥器和液压大钳采用直接启动抽屉，内设接触器和热继电器实现过载保护，断路器实施短路瞬时跳闸。启动抽屉实现远近两处操作。振动筛、搅拌器、给水泵、加油泵等由固控区、水灌区、动力区、钻台区等区域供电抽屉供电，现场插转柜分路供电，就地操作。2.交流电气控制系统方案 以ZJ70DB电动钻机为例，介绍电动钻机电气控制系统的系统配置。 ZJ70DB电动钻机电气控制系统由发电机控制系统(发电机控制柜(GEN柜)、24V电源柜、断路器柜)、变频驱动系统(变频柜、制动柜、制动电阻)、司钻控制台操作系统、可编程控制gS总线系统(1综合柜可编程控制器分站、2综合柜可编程控制器主站、各变频柜通信板、司钻台可编程控制器分站、触摸屏、显示屏、工控机、远程计算机、ASi总线系统等)、交流电动机控制中心(MCC柜)等主要部分组成。电气控制系统单线图如图108所示。 1)动力控制系统配置 发电机控制装置共有4个发电机控制柜组成，其主要功能是；控制柴油机组的转速与发电机的励磁电流，得到600V、50Hz稳频、稳压的交流电源，作为全井场的动力电源，发电机控制柜内还设有发电机并网控制电路，控制多台发电机的并网以达到同期合闸操作。各发电机可按工况需要，全部或任意两台以上在线运行时，负荷都能均衡分配，负荷转移平稳，能承受钻机的负荷特性和电动机启动时的冲击。发电机控制装置还具有功率限制、自启动电源电路、接地检测相序保护、过流保护、过压保护、欠压保护、欠频保护、过频保护、逆功保护、短路保护、柜内故障自检等功能。 2)驱动控制系统配置 (1)变频驱动控制。 变频主驱动系统由若干变频柜装置组成，分别将600V、50Hz恒压、恒频的交流电压变成0600V变压、变频连续可调的交流电压，以一拖一的驱动方式分别驱动钻井泵(MP)、绞车(DW)、转盘(RT)。绞车和转盘电动机具有反转功能，扭矩限制可在0100范围内任意调节。绞车由两台电动机驱动，运行时负荷均衡，转速同步，绞车控制装置有制动单元，使绞车具有快速起、停功能；绞车电动机具有4象限运行的特性，在下钻作业中能够提供持续的电磁制动力矩。 在石油钻机中应用较多的是国外的西门于工程型变频器。SIMOVERT MASTER DRIVES矢量控制的变频器是采用IGBT元件、全数字技术的电压源型变频器。 (2)自动送钻。 送钻变频柜将400V、50Hz恒压、恒频的交流电压变流成。0-400V变压、变频连续可调的交流电压，以一拖一的驱动方式驱动送钻电动机。恒压方式可以实现恒钻压自动送钻。送钻电动机在恒速方式时具有正反转功能，可以起到应急起放井架和钻具的功能，也可以恒速送钻。送钻变频柜设有制动单元与外部制动电阻构成的能耗制动装置。 (3)司钻控制台。 司钻控制台通过高性能的可编程控制器与总线控制，供司钻在钻井作业中进行各项操作，同时通过触摸屏和显示屏对控制系统的主要设备运行状态进行监控。司钻控制台为内压防爆式，并有减压装置。 (4)触摸屏和显示屏。 触摸屏和显示屏除显示钻机系统相关的运行与监控参数外同时具有参数设定功能; 设定自动送钻参数、游车防碰系统参数等； 查看所有在网络中的设备的实时状态； 报警信息提示司钻关注提示到的设备状况， 故障信息提示司钻关注已产生故障的设备； 显示钻井参数：悬重、钻压、井深等参数； 安全防护信息； 故障诊断信息。 (5)制动控制。 制动柜内的制动控制单元和房外制动电阻的主要功能是x在绞车需制动时，控制电动机进入发电运行状态，使电动机产生与旋转方向相反的制动力矩，负载侧的机械能转化为电能通过逆变器传到变频柜直流母线上。当直流母线电压高于最高阀值时，制动控制单元自动将制动电阻接通，使中间直流母线之间电容器上储存的多余电能以热能的形式由制动电阻消耗，以维持直流母线上的电压保持恒定。这种制动方式称作回馈制动。自动送钻系统的制动单元也是采用回馈制动方式。 3)主控制系统 (1)可编程控制器总线控制系统。 系统采用西门于S7300可编程控制器和PROFIBUS现场总线技术实现数据快速传输，并可通过触摸屏、工控机、远程计算机实现监控、故障报警、参量修改、诊断、存储、记录等功能。可以监控的参数主要有：发电机运行状态及参数：变频器运行状态及参数，系统操作与运行状态；系统故障与报警信号；MCC运行状态；游车运行状态；一体化钻井仪表等。 (2)游车防碰系统 可编程控制器通过总线采集主电动机的运行参数和滚筒编码器的数字信号，计算出当前游车的位置和速度，当游车到达减速点，通过程序指令控制主电动机减速到安全速度；当游车到达停车点位置时，主电动机悬停。若当游车超过停车点仍未停车，则系统自动停止变频柜运行并安全抱闸。 (3)一体化仪表系统。 通过数据采集单元(现场的传感器、编码器、变送器等)，可编程控制器经过计算、处理，在触摸屏、显示屏、工控机、远程计算机上显示以下钻井参数：悬重、钻压、井深、机械钻速、转盘转速、转盘扭矩、泵冲、泵压、泥浆池液位、出口返回量、总泵次、游车位置、及衍生的其他参数。 4)MCC配电控制系统设置 交流电动机控制中心的主要功能是对井场的钻台、钻井泵房、钻井液循环罐区、油罐区、压气机房和水罐区等区域的交流电动机进行控制，并给井场提供照明电源。交流电动机控制中心系统对30kW以上电动机采用软启动方式，通过ASi总线操作和监控，同时保留手动软启和手动直接启动功能。MCC柜采用分装式结构，以便维修更换。交流电动机控制中心的电源来自主变压器：一台变压比为600V400V的干式变压器。 MCC配电控制系统配置有开关柜，其主要功能是：切换选择交流电动机控制中心400V交流母线的电源，一路选择为主变压器供电至交流电动机控制中心交流母线，一路选择为辅助发电机组供电至交流电动机控制中心交流母线，两路电源电气互锁。 图10-8 ZJ70DB电动钻机电气控制系统单线图第三节 交流驱动控制系统电动钻机交流驱动系统由若干变频柜装置组成，分别将600V、50Hz恒压恒频交流电源变成o600V变压、变频连续可调的交流电源，以一拖一的驱动方式分别驱动钻井泵(MP)、绞车(DW)、转盘(RT)。自动送钻系统将400V、50Hz恒压、恒频交流电压变成0400V变压、变频连续可调的交流电压驱动送钻电动机。电动钻机交流驱动系统如图10-9所示 图10-9 电动钻机交流驱动系统的配制本节结合交流驱动控制系统介绍控制装置的功能，并针对典型的西门子6SE71型SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制变频器进行分析。一、变频器西门子6SE71矢量控制变频器系统主要有电网连接板具有导线保护半导体保护功能的带熔断器的主开关、网侧进线电抗器、整流单元、预充电回路、储能电容、IGBT逆变器、电动机连接板等，在柜门上还有参数设定单元PMU。1.概述矢量控制变频器系统可以分成两个主要部分，如图10-10所示。 图10-10 变频器结构图 1)主回路 给异步电动机提供变压、变频的电力变换电路称为主电路。主电路由3部分组成，即将工频电源变换为直流电源的“整流器”部分，对直流电压进行稳压的“中间滤波”部分；将直流变换为交流的“逆变器”部分。 整流器部分：采用整流二极管的整流器将工频交流电整流为直流。 逆变器部分：同整流器功能相反，它将直流电变换为所要求频率的交流电。 中间滤波电路：对整流器的整流电压进行滤波以给逆变器提供稳定的直流电源。 2)控制回路 控制回路包括控制主板及其接口与检测电路、故障报警与显示电路、风机控制回路等。控制主板是控制回路的核心，其上的数字信号处理器(DSP)实现了对变频器的全数字化控制，软件程序就驻留在控制主板上的程序存储器之中。与控制主板接口的外围附加板还有通信板(CBP2)、数字测速接口板(DTl)、简易操作面板(PMU)等。控制主板还有各种开关量输入输出、模拟量输入输出、检测与保护等外围电路，它们共同构成了对异步电动机的高性能矢量控制以及对电动机和变频器本身的完善保护。当变频器运行时，风机控制电路自动启动风机，并对柜内温度进行检测，当柜内温度超过规定值时，变频器的PMU面板发出警告并停机。2.变频系统的保护变频系统的主要保护功能有：(1)具有变频器故障报警指示功能(2)具有防碰安全速度；(3)交流输入电压的失压保护；(4)过流、短路保护；(5)监视；(6)交流变频电动机失风、电动机锁定保护。第四节、交流驱动系统运行状态的控制 电动钻机交流驱动系统运行状态的控制同直流驱动系统运行状态的控制功能相同，只是在交流驱动控制系统中，驱动电动机为交流电动机，其相应的控制由交流驱动柜完成。 本节主要以ZJ70DB电动钻机电气控制系统为例，介绍交流驱动系统运行状态的控制。一、交流驱动系统 交流驱动系统的主电路如图23所示。整个交流驱动