石油钻井设备与工具-王镇全-第二节电动钻机

第二节电动钻机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—可控硅—直流电驱动和变频交流电驱动等4个技术发展阶段。交流变频电动机出现在20世纪80年代，交流变频调速电驱动钻机是目前最先进的电动钻机。据不完全统计,到2005年,我国已生产交流变频电驱动钻机145台。我国生产交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:1、使绞车、转盘、钻井泵都实现了无级调速；2、绞车设计为单轴,经减速器驱动。体积小,质量轻,故障少;3、极低速及恒扭矩输出；5、数控恒钻压自动送钻。4、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。一、直流电驱动钻机1、类型①直流电—直流电动机驱动；②交流电源—可控硅整流—直流电动机驱动。二者具有同样好的钻井性能和适应性,只是供电方式不同。2、直流电动钻机的特点①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以及载荷变化情况,进行无级调节,且调节范围广。②直流电动机的启动和制动比较平稳允许频繁启动和制动,调节与使用均很方便,具有很强的适应性能。直流电动机很容易实现正、反转,绞车可以不设倒挡,简化了绞车结构。③有很好的时效指标操作方便,变速快,时间短,具有很好的处理事故的功能和能力。④适用深井快速起下钻具作业在下钻时,利用钻柱自重进行动力制动,发电反馈到电网,以确保绞车的刹车系统操作安全省力、节约下钻时间。适用于深井快速起下钻具。⑤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4个钻井挡数,但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,可以充分满足各种地层和各种钻头钻井的需要。还可以满足精确处理打捞作业的需要,能够更好地判断井下发生的各种事故。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，这对直流电动机是致命的缺点。二、交流变频调速电动钻机交流变频电动钻机比AC—SCR—DC电驱动具有更优良的性能，是目前最先进传动方式。1、能精确控制转速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:从上式可以看出:交流变频电动机工作转速n与供电频率f1是成正比,也就是供电频率越高,工作转速也越高。所以,AC电动机工作转速具有很好的调节使用性能，可实现无级调速。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、恒功率调节、调节使用范围宽广等输出特性。交流变频电动机在处于0r/min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。3、无需倒档，简化钻机结构由于正反转均可调节使用,驱动绞车可以取消倒档,可由4个档减少到2个档,驱动顶驱可不必采用两档,只用单速传动机构,大大地简化了绞车和顶驱结构。4、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5倍～6倍。变频调速AC电动机的启动电流只有额定电流的1.7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96%,高于DC电动机(90%)。在1分钟之内,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。5、可实现反馈制动刹车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,可以代替常规绞车中的水刹车或电磁涡流刹车,所以AC变频电驱动绞车中可以取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。交流变频电驱动调节可以手控和遥控,还可与可编程序控制器以及计算机相联接,实现闭环自动控制。交流变频电驱动系统,工作振动小、工作噪音低。交流变频电动机几乎不需要维护。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的恒定值,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之间建立直接或间接的自动控制关系,就可以实现自动送钻。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成本。自动送钻系统原理基本原理:由死绳锚感知大钩载荷,与输入的设定钻压对比,对比结果送入中央处理器处理。由中央处理器控制刹车装置的控制系统,自动控制游车大钩和钻杆的运动,从而实现自动送钻。