王代华　高级工程师,1983年湖南大学本科毕业,1992年浙江大学研究生毕业,获硕士学位。

现在天水电气传动研究所从事石油钻机、矿井提升机电气传动领域和电力系统自动化方面的工程应用研究设计工作。

石油钻机电驱动系统的进展王　代　华(天水电气传动研究所,741018)摘要　本文概述了石油钻机电驱动系统的发展情况,并对国内外主要产品作了描述,同时对计算机和全数字直流调速系统在石油钻机方面的应用情况以及新工艺新技术的采用情况进行了分析,最后指出国内发展方向和市场远景。

关键词　石油钻机　电驱动系统　进展The Development of Oil Rig Electric Drive SystemW ang D aihua(T ianshui Electr ic D r iv e R esear ch I nstitute )Abstract T his paper giv es a brief dev elo pm ent of the o il rig electr ic dr iv e system ,and describes the main pro ducts at ho me and abr oad ,also sums up the use o f co mput er and fully micr opro cesso r -contr olled DC v ariable speed drive sy st em and the adoption of new technolog y and technique in respects of the oil rig ,a t last r efers to the dir ect ion of domestic pro ducts and the pro spect of mar -ket .Keywords o il rig electric dr ive sy st em dev elo pm ent1　前言石油钻机经历了从机械直接驱动到电力驱动的时期,电力驱动比机械驱动具有调速特性好、经济性能高、可靠性强、故障率低、操作更方便灵活等一系列的优越性。

未来钻机驱动系统的发展趋势将被电力驱动方式所取代,电力驱动的基础是电力电子器件的成熟发展。

以电力电子器件为功率单元的电气传动控制系统目前已进入计算机时代,并将石油钻机电驱动系统推上了一个新的台阶。

2　国外石油钻机电驱动系统情况目前国外石油钻机电驱动系统的主要生产厂家为美国的几家公司,世界上大部分产品市场都为其所垄断,其中我国进口的就有:美国的GE 公司生产的GE-Ⅲ系统和L drill-3000系统,Ro ss Hill 公司生产的RHLL 系统,IPS 公司生产的IPS 系统,这些产品都属八十年代生产的较为先进的石油钻机电驱动系统,其控制方式主要以模拟量控制为主[1]。

3　国内石油钻机电驱动系统的研究成果 早在七十年代中期我们就着手对石油钻机电驱动系统进行研究。

经过多方考察,国家投入大量资金从美国GE 公司引进先进技术,通过我国新一代科技工作者的艰苦奋斗,研制出了较先进的新一代石油钻机电驱动系统,使我国石油钻机方面的装备水平取得了突破性的发展。

如我所于1987年研制成功的1997年11月ELECTRI CAL DRIVE AUT OMATION 　NOV .1997ZJ45D4500米陆地钻机电驱动系统,在中原油田经过一年多的工业性运行成功后,于1989年7月通过了石油部和机械部的鉴定,并获得国家重大技术装备成果一等奖[2]。

我所1989年推出的ZJ15D1500米钻机电驱动系统成功地应用在大庆油田。

特别是1994年研制的国家“八五”重大技术装备科技攻关项目ZJ60DS6000米沙漠钻机电驱动系统,经过塔里木油田塔克拉玛干沙漠腹地的风吹日晒一年多的工业性运行的考验,其性能和可靠性得到验证,于1996年3月通过了由机械工业部和石油天燃气总公司组织的鉴定,专家对此给予了极高的评价,该钻机总体性能达到九十年代初国际先进水平[3]。

ZJ60DS钻机电驱动系统由柴油发电机组及其控制、直流传动系统、直流电动机、交流电动机控制中心、交流电动机以及其它井场电器设备组成,为钻井机械提供动力并对其进行有效控制。

其控制系统采用高技术的微机监控系统,应用自诊断功能提供了可靠的安全保护,并在出现故障时便于及时查找,模块化设计方便设备维修。

该系统故障率低、可靠性高,为国内首创。

该系统的成功把我国石油电驱动钻机的发展推向了一个崭新的高度。

4　新技术的采用随着电子计算机的不断发展和电力电子器件的性能不断完善,石油钻机电驱动系统也在不断推出新系统。

新一代电驱动系统采用先进的交流—电力电子器件—直流的工作模式,其控制环节采用高可靠性的计算机来完成。

这种高技术成熟产品有英国的CON-TROL T ECHN IQU ES公司推出的M EN-TOR-Ⅱ,我们已成功地将它应用于石油钻机顶部驱动工程中[4]。

德国SIEMENS公司生产的SIM OREG K也已完成绞车提升项目的应用[5]。

还有英国EUROT HERM DRIVES公司生产的SSD590用于机械泵的控制[6]。

石油钻机主要动力机械是由转盘、绞车泥浆泵组成,石油钻机电驱动系统通过采用这些国际上先进的全数字直流控制器,再加上可编程序控制器的逻辑联锁和计算机集成控制系统的综合协调,钻机的整体性能得到了充分的改善。

5　计算机技术的充分发挥石油钻机采用计算机控制,其控制功能发挥得淋漓尽致。

首先由基于微处理器控制的全数字直流调速系统完成变流调节功能;第二是PIC可编程序控制器完成逻辑联锁实现微机监控和自诊断功能;第三是由微处理器构成的钻机运行参数测控系统完成数据的采集处理控制。

以上三部分组成下位机系统,最后由一台工业控制计算机完成综合控制,如报表生成、实时监视、数据打印等。

6　全数字直流调速系统的应用采用国际上最先进的全数字调速器的控制模板,配上国内生产的高性能电力电子器件组成的功率模件,构成石油钻机电驱动系统。

技术上先进,价格上又远低于国外整机进口产品,功能上高度完善,可靠性进一步加强,可实现如下具体功能。

(1)转矩限幅根据有关参数的设定,设置转矩限幅,防止钻机转盘转矩过大而扭断钻杆。

其参数可以很方便地通过司钻台上的手轮给定经模拟量入口输入设置,也可以由监控上位机发出指令通过串行口输入进行干预。

(2)电流限制用来保护泥浆泵和绞车重载出力时的电动机和整流装置避免过载。

与转速有关的电流限幅,是通过参数设定以实现当转速较高时电流极限值随转速的升高按一定规律自动减小来保护机械。

功率部分的监控是在所有电流值下计算电力电子器件的发热状态,当达到极限温度时,或者装置出现故障,该功・9・1997年11月 王代华　石油钻机电驱动系统的进展 能用于保护电力电子器件。

对于绞车电流限制,可按单机提升全部井下钻具,躲过其最大电流进行整定。

通常的钻井工况为双机共同提升,某一台机出现故障的紧急情况下,另一台机单独提升才不致卡钻。

这样的电流限制既保护了设备也保障了钻井工程的安全。

(3)电流调节PI调节方式,电流实际值经过交流侧电流互感器检测,经整流及模数变换后送入电流调节器形成内环。

(4)电压调节PID调节方式,电压从直流侧经电阻分压引入电压调节器,给定由钻机司钻台上的手轮给出模拟量经模数变换后进行数字控制。

(5)预控制器电流调节回路的预控制器能改善系统的动态响应。

(6)参数优化通过参数设定由软件对调节回路中的调节参数自动寻优实现静态误差最小动态性能最好的最优控制。

(7)监控与诊断数据显示有跟踪给定值、实际值及开关量输入输出状态,还监视电机参数、电源电压、电源频率、控制角、模拟量输入输出值、中间值及限幅等。

扫描功能通过扫描众多测量参数进行存储和故障出现时自动记录状态参数。

各类故障出现时发出报警,此功能大大方便了运行维护。

7　采用计算机组成的测控系统石油钻机的测控系统包括钻井八参数的测试和自动送钻控制,采用计算机组成的测控系统快捷、准确和完整,并减轻了工作人员的劳动强度。

钻井过程中,司钻通过观察八参数仪凭经验手动送钻,也可以通过自动控制系统自动送钻。

送钻工作可交给计算机,通过给定输入,根据井下测试的参数反馈,经计算机判断寻优后自动完成,钻井效率更高。

录井也采用计算机实时处理,钻井工况下的泥浆泵压、泵冲、流量、转盘转矩、转速、钻井速度、提升重量、提升速度、井深和钻具深度都由计算机进行巡回检测显示打印,以完成钻井资料的保存。

8　新工艺的采用石油钻机的使用环境一般是在野外,如荒山、海洋、沙漠等恶劣环境,冬夏温差大。

电气传动控制房和电机采用防沙措施和冷热循环风道的冷却系统,可使环境温度即使在沙漠腹地最热时及沙暴时刻也能保证设备的可靠工作。

这一点国内已有的钻机ZJ60DS 电驱动系统优于国外产品。

应用于石油钻机电驱动系统中的体积小出力大的电力电子器件KPX-1600A/2500V 和直流电动机Z490/390-670kW/750V也分别由西安电力电子研究所和兰州电机厂研制出来,通过国产ZJ45D和ZJ60DS钻机的工业性运行证实,其性能达到美国GE公司产品水平[7]。

9　结束语石油钻机在我国油田中大多以机械钻机为主,电驱动钻机仅有从美国进口的有限几台,国产ZJ60DS电驱动系统的研制成功,为我国石油工业重大技术装备做出了杰出贡献,填补了该项国内空白,改变了过去全靠进口的局面,为我国石油资源的开发节约了大量外汇,社会经济效益十分显著。

为此, ZJ60DS项目获得了国家重大技术装备成果特等奖。

我国的石油钻机电驱动系统技术水平目前已日趋逼近世界发达国家的先进水平。

特别是ZJ60DS电驱动系统整体性能达到九十年代初的国际先进水平。

该系统在一年多的工业性运行中,测得故障停机率仅万分之二・10・ 电气传动自动化 第19卷第4期点二,大大超过千分之一的要求;该系统的备件损耗率远低于美国进口钻机。

这表明其可靠性程度很高,对于其安全性要求很高的石油钻机来说无疑是一大重要支撑。

为此,该系统的出现成为我国石油电驱动钻机迈向成熟的标志。

在此基础上,我们还把全数字控制系统成功地应用于顶部驱动的电气传动系统项目中,且取得了满意的效果。

可以预见,具有世界最新技术的石油钻机电驱动系统将不断从我国推出。

由全数字控制系统构成的多级计算机控制系统将是石油钻机电驱动系统发展的主导方向。

国外石油钻井工程招标要求必须要电驱动钻机。

我国劳动力富足,国内许多钻井公司寻求出国打井赚取外汇的路子,因此对电驱动钻机需求量大,再加上沙漠油田和海上石油的开发,电驱动钻机的需求量将更加显著,所以石油钻机电驱动系统的市场具有十分广阔的发展前景。