第三节电动钻机一、概述驱动设备或称动力机组为钻井提供各工作机组需要的动力。

动力设备的性能对钻机的整体性能具有重要的作用。

钻机驱动设备按动力设备的不同分为柴油机驱动和电驱动两大类。

电驱动钻机正以其良好的性能逐渐取代机械驱动。

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四个技术发展阶段。

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。

二、钻机对驱动设备特性的要求钻机的三大工作机组包括：绞车、转盘、泥浆泵。

其相应的负载特点决定了钻机对驱动设备性能的要求。

1.绞车①绞车功能与要求a)起钻操作在起升1 根立根的过程中, 启动、加速、匀速提升，惯性制动减速、停止。

要求绞车驱动设备具有短时过载能力, 以克服启动冲击负载和振动载荷, 能短时制动悬持。

b)全部起升过程随着钩载的递减, 应随时无级地自动调高起升速度v , 以缩短起钻时与提升速间, 要求驱动设备恒功率运行。

如图6.3.1，绞车大钩提升载荷Qn度V的关系曲线。

c)下钻操作在下1 根立根行程中, 大钩负载变化幅度大，有降低到急剧增加，惯在下1根立根行程中,大钩负载变化幅度大，有降低到急剧增加，惯性制动减速、停止。

要求绞车驱动设备具有短时过载能力, 以克服启动冲击负载和振动载荷, 能短时制动悬持。

击负载和振动载荷,能短时制动悬持。

d) 送钻钻进操作以基本恒定的钻压和转盘转速钻进，要求刹车系统控制灵敏，以实现恒钻压送钻。

Q 绞车大钩提升载荷Qn 与提升速度V 的关系曲线分析：Q 112曲线1：大钩提升速度随载荷的变化相应变化，3Q Q 2即。

此为理想的功率曲线。

曲线2：C V Q n =Q 43提升速度随载荷的阶梯增加而呈阶梯下降，功率利用率不是最理想，但已足够V 4V 1V 2V 3V 充分。

符合绞车在起钻过程中载荷随立根数目的变化规律，但变速数量太多，在机械变速有限挡的情况下无法实现。

图6.3.1 绞车大钩提升载荷与提升速度V的关系曲线3：分级变速曲线，功率利用率不充分。

②绞车对驱动系统性能的要求按绞车的工作特点，其对动力机组的要求是：①能无级变速、恒功率调节；②具有短期过载能力，以克服启动动载、振动冲击和轻度卡钻；③绞车工作时起停交替，要求动力系统有良好的启动性能和灵敏可靠的控制离合能力。

总之，绞车驱动需要恒功率调节、能无级变速和良好的启动性能的柔性驱动。

2.转盘①转盘的功能与要求a) 借助方补心、方钻杆驱动钻杆柱及钻头, 进行破岩钻进和正倒划眼扩孔。

b) 根据井深和岩性的变化应能随时调整适宜的转速, 既能在低转矩高转速下工作, 又能在高转矩低转速下工作, 要求驱动设备恒转矩工作。

d) 能锁住转台, 承受井底动力钻具的反转矩e) 在处理事故时, 转盘能在零转速下输出大转矩以解卡；能反转卸螺纹；能以小钻压、低转速造螺纹。

f) 限制转盘最大转矩，以防扭断钻具。

②转盘对驱动系统的要求①能无级调速；恒扭矩调节；②能倒转；n5n③有限制扭矩装置，防止过载扭断钻杆。

4n3n2n1恒扭矩调节示意图3.钻井泵泥浆泵工作在额定冲次附近、负载变化不大，因此对驱动系统要求相对简单。

一般要求：功率利用率高，允许短期过载。

因此钻机驱动设备的选择主要考虑绞车和转盘，理想的钻机驱动设备应具有以下驱动特性：①可实现恒扭矩调节(转盘）或恒功率调节（绞车）,调节使用范围宽广。

②能无级变速；③良好的启动及制动性能；④具有短期过载能力；⑤操作控制简单、灵敏、可靠。

动力设备功率变化示意柴油机的工作特性交流变频电动机的工作特性柴油机与电动机的工作特性的比较4.电动钻机的特点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, 体积小, 质量轻, 故障少;③恒扭矩或恒功率输出；④数控恒钻压自动送钻；⑤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。

柴油机驱动由于过载能力有限、转速调节范围窄、传动机构复杂、传动效率低、噪音大、燃料成本高，正逐渐被电驱动所代替。

本节主要介绍电驱动钻机。

电动钻机与机械传动钻机的比较项目柴油机驱动电动机驱动传动方式链条、皮带传动；结构复杂电气传动，结构简单运转工况变化大变化较小调速多级调速、机构复杂无级调速、机构简单占地集中摆放、占地面积大任意摆放、占地面积小噪声噪声大、污染严重噪声小、有利于环保效率传动效率低传动效率高功率利用率电驱动是柴油机直接驱动的1.4倍三、电动机1.电动机的分类异步机交流电动机同步机电动机直流电动机（他励、异励、串励、复励）2.电动机机械性能①机械特性和特性硬度电动机的转速（n)与扭矩(M)的关系为称为()Mn=f电动机的机械特性。

电动机转速n随扭矩M变化而变化的程度称为机械特性硬度(图6.3.2）。

机械特性硬度分为三种：特硬特性：转速n不随转矩M变化；硬特性：n随M增加而下降，但下降幅度不大；图6.3.2软特性：n随M增加而快速下降。

②固有特性和人为特性固有机械特性：电机的电压、频率（交流）、励磁（激磁）电流为额定值，其电机回路上无附加电阻时，所具有的特性。

人为特性：人为调节电压、频率、电流所得到的特性，称人为特性。

3.直流电动机①工作原理定子通直流形成固定磁极，转子通直流电，磁力作用使转子转动。

对于直流电动机，N极上有效边电流总是一个方向，S极上的有效边电流为一个方向，两边受磁力的方向一致电枢才转动。

为保证转子在旋转过程中电流方向不变，需要在转子上安装电刷（如图6.3.2）。

由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。

+N 电刷UI –SI 换向片如图6.3.3 直流电机的电流方向②石油钻机用直流电动机根据石油钻机绞车和转盘的负载特性，石油钻机采用的直流电动机为并励(或他励)直流电动机。

并励(他励)直流电动机固有机械特性：由电工学可知:并励(他励)直流电动机转速与扭矩的关系表达式为：C C C ΦΦm e e 式中：—U 电枢电压（外电压）；—磁通（励磁磁通基本不变）；—电枢电阻；Φe R 图6.3.4并励电机转速与扭矩M并励直流电动机的人为特性（调速方法）:为使并励直流电动机满足驱动钻机绞车、转盘的工作要求，需用人为特性进行调速。

调速方式：电枢串阻：根据并励直流电动机转速与扭矩的关系表达式，如在电枢中串入可调电阻，保证电源电压U和励磁电流（磁通）不变，则表达式变为：图6.3.5图6.3.6减弱磁通调速：减弱磁通（定子励磁磁通），可增加转速，同时b值增加，机械特性曲线（图6.3.7）上移，同时直线斜率增加。

既转速升Φ高时扭矩减小，为恒功率调速。

图6.3.74.交流电动机①工作原理定子通以交流电形成旋转磁场，使转子绕组中产生感应电动势，从而使转子产生感应电流，转子电流同旋转磁场的磁通作用产生磁力矩。

②种类同步交流电动机：定子绕组通三相交流电产生旋转磁场，转子励磁绕组通直流电形成直流励磁磁场，两磁场相互作用，使转子被旋转磁场拖（吸）着以同步转速一起旋转。

同步电机启动性能差，用于不常启动、不变速场合在石油钻机上很少应用。

异步交流电动机：定子通以交流电形成旋转磁场，使转子绕组中产生感应电动势，从而使转子产生感应电流，转子电流同旋转磁场的磁通作用产生磁力矩。

定子旋转磁场转速与转子的旋转速度存在差异，故称异步交流电动机。

图6.3.8④异步交流电动机人为特性根据交流电动机的转速和扭矩表达改变定子电压、电流频率、定子和转子串阻都可改变交流电动机的特性。

交流变频电动机，即通过调节电源频率f达到调速的目的。

电源频率变化调节交流电动机的机械特性:n n1",fff>>fn1′n″f′1f″M图5.3.9电源频率与交流电动机转速、扭矩的关系电源电压变化调节交流电动机的机械特性:n(0)0n n s ==↑1U 0M图6.3.10电源电压与交流电动机的转速、扭矩的关系转子相电阻变化调节交流电动机的机械特性：硬特性（R2小）n软特性（R2大）0T图6.3.11转子相电阻与交流电动机转速、扭矩的关系图6.3.11 转子相电阻与交流电动机转速、扭矩的关系四、电驱动钻机1.分类交流电驱钻机：即交流发电机（或工业电网）→交流电动机驱动（AC→AC）；直流电驱钻机：即直流发电机—直流电动机驱动（DC→DC）(Direct直流电动机驱动（DC→DC）(Direct Current)；可控硅整流直流电驱钻机：即交流发电机→可控硅整流→直流电动机驱动（AC→SCR→DC）；交流变频调速驱动钻机，即交流发电机→变频调速器→交流电机驱动。

2.直流电驱动钻机①类型直流电源直流电动机驱动；—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(图6.3.12）和适应性,只是供电方式不同。

图6.3.12直流电机工作特性曲线②直流电动钻机的特点实现无级调速：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。

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。

时效指标好：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。

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。

不足之处：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。

3.交流变频调速电动钻机交流变频电动钻机比直流电驱动具有更优良的性能(图6.3.13），是目前最先进驱动方式。

其特点如下: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。

②具有超载荷、恒扭矩调节、恒功率调节、调节使用范围宽广的输出特性。

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。

图6.3.13交流变频电动机的工作特性曲线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,大大地简化了绞车和顶驱结构。

④启动电流小,工作效率高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。

交流变频电动机的工作效率高达96 % ,高于DC 电动机(90 %) 。